Riassunti Biomateriali

PARAMETRI CHE ACCELERANO LA DEGRADAZIONE

REQUISITI Catene idrofiliche Gruppi terminali idrofilici

- No eccessiva risposta infiammatoria o effetti tossici a seguito dell’impianto nel

corpo umano gruppi facilmente idrolizzabili in catena porosità

- prodotti di degradazione non tossici e devono in gradi di essere metabolizzati ed bassa cristallinità dimensioni ridotte del dispositivo

LAVORAZIONE

espulsi dal corpo umano solution casting phase separation

- il tempo di degradazione dovrebbe bilanciarsi con il processo di guarigione/

rigenerazione del/dei tessuti foaming injection molding

- proprietà meccaniche adeguate (applicazione scelta e la variazione delle proprietà estrusione hot pressing

meccaniche durante la degradazione compatibile con la guarigione) fiber spinning machining

- facilmente lavorabile polimero anidro

scissione catene ad alta T durante la lavorazione ma anche a T ambiente durante

- sterilizzabile (con una accettabile variazione del peso molecolare) l’immagazzinamento per effetto dell’acqua presente imprevedibile funzionalità

- dovrebbe avere un’accettabile/appropriata shelf life ⇒

dopo impianto

è richiesta una progettazione estremamente accurata

⇒ evitare stress residui

PROGETTARE IL BIOMATERIALE PLA e PGA hanno Tg≈ 45 - 60°C: se presenti stress residui dalla lavorazione

• individuare i reagenti di partenza opportuni a 37°C possibile rilassamento (= modifiche geometriche soprattutto tipi amorfi)

⇒

• individuare i rapporti dei reagenti adeguati e ottimizzare il metodo di sintesi cambiamenti nella cristallinità

• individuare il processo di lavorazione e verificarne l’influenza sulle proprietà passaggio cristallino- amorfo per quenching, ma si può avere ricristallizzazione durante

• prevedere accuratamente la degradazione in vivo l’immagazzinamento, per annealing, durante la degradazione quando aumenta la

mobilità delle catene a causa della ridotta lunghezza

DEGRADAZIONE in 4 fasi: assorbimento di acqua perdita di proprietà meccaniche

à stampaggio ad iniezione/estrusione → sforzi di taglio ad elevata temperatura ⇒

riduzione del peso molecolare perdita di massa

à à degradazione, specialmente in presenza di riempitivi o umidità

Degradazione/erosione/dissoluzione Occorre prestare attenzione a:

- degradazione: processo di rottura delle catene, modifica della struttura chimica Umidità: da evitare

(nel caso di proteine: modifiche di conformazione, denaturazione) Bassa Tg: fenomeni di rilassamento, T da 23 a 37 gradi, immagazzinamento,

prova

- erosione: perdita di massa (superficiale o di massa) trasporto.

- dissoluzione: perdita di massa per solubilizzazione Cristallinità: + cristallino degradazione + lenta

Meccanismi di degradazione nel corpo umano meccanismo complesso: più

à Solidificazione difettosa accelera la degradazione

topologie di degradazione per lo stesso materiale STERILIZZAZIONE

idrolitico: in genere per i polimeri di sintesi

§ - ossido di etilene (gassoso): agisce da plastificante e riduce la Tg del polimero

enzimatico: in genere per i polimeri di origine naturale - raggi gamma: riduzione di peso molecolare

Altre attenzioni

a-IDROSSIACIDI

POLI orientamento delle catene

p olimerizzazione a reazione ad apertura di anello cambiamenti di forma rilassamento (se riscalda@ sopra la Tg)

• I composti contenenti gruppi OH agiscono come iniziatore della polimerizzazione rilassamento durante la degradazione

• I gruppi terminali: in base alla scelta appropriata dell’iniziatore riempitivi riduzione peso molecolare durante la lavorazione da fuso

• PM: controllato scegliendo il rapporto iniziatore e monomero temperatura di prova

Meccanismo di polimerizzazione del PLA APPLICAZIONI:

- i gruppo OH(δ-) attacca il carbonio (δ+) del gruppo carbonile dell’anello del fili di suturaà copolimeri PLA PGA

lattide mezzi di sintesi: viti ortopediche-maxillofacciali

- il catalizzatore abbassa l’energia necessaria per l’apertura dell’anello membrane per rigenerazione guidata del tessuto osseo in odontoiatria

Iniziatori: i composti contenenti gruppi OH possono agire come iniziatore della stent- e sistemi per la veicolazione e il rilascio controllato di farmaci o cellule

polimerizzazione

esempi: etanolo e alcoli superiori (1-dodecanolo), dioli, polietilenglicole (PEG) e

metossipolietilenglicole (mPEG), idrossiacidi

il tipo di iniziatore influenza in modo sostanziale le proprietà fisico- chimiche del

⇒

polimero risultante

Monomeri ciclici: Lattide, caprolattone, glicolide;

lattideà due isomeri ottici in cui il gruppo metile è diversamente orientato nello

spazio: ho PLLA (semi-cristallino) e PDLLA (amorfo)

Degradazione dei poli-α-idrossiacidi

Idrolisi dei legami estere degradano in acido lattco e/o glicolico eliminati sotto forma

di acqua e CO2

i polimeri - poli-α-idrossiacidi vanno incontro a bulk erosion: in acqua, il PM inizia a

diminuire per idrolisi (dopo un giorno (PGA, PDLLA) o dopo poche settimane (PLLA)),

ma non avviene perdita di massa fino a quando le catene molecolari si riducono ad

una dimensione che permetta loro di diffondere liberamente al di fuori dalla matrice

polimerica. La velocità del processo idrolitico aumenta a causa dell’abbassamento del

pH. à

I prodotti acidi di degradazione fanno aumentare di intensità il processo reazione

infiammatoria cronica e pericolo di necrosi dei tessuti circostanti

PLA – produzione da biomassa (metodo nuovo x il PLA)

Substrato di ligno-cellulosa viene pretrattato per rimuovere la lignina, idrolizzato per

ottenere zuccheri monomerici utilizzando enzimi; questi zuccheri sono convertiti per

produrre acido lattico impiegando Lactobacillus

POLIUTERANI E SIBS IPOTESI SIBS

1. evitare gruppi suscettibili (nelle ramificazioni e nella catena

POLIURETANI principale ad:

ossidazione

idrolisi

degradazione ossidativa

(come estere ammide, etere, uterano)

2. polimeri contenenti carbonio secondario e terziario (come

polipropilene) devono anche essere evitati: formano

reticolazioni che producono radicali liberi portano

all'infragilimento e allo stress cracking

3. è stato ipotizzato che un polimero ideale per l'applicazione

dell'impianto dovrebbe contenere solo carboni secondari e

quaternari alternativamente ossidativi, idroliticamente e

enzimaticamente stabili nella spina dorsale, e carboni primari

altrettanto stabili come gruppi pendenti

se questa ipotesi è corretta, minore è la biodegradazione,

minore è l'infiammazione

STADI DELLA SINTESI:

ionizzazione, iniziazione, propagazione e formazione della struttura a

blocchi

i rapporti stechiometrici tra NCO, OH devono essere tali da non lasciare

eccesso di diisocianato non reagito; possono essere variati in modo da

ottenere diverse concentrazioni di fasi soft/hard

Domini e separazione di fase vs proprietà meccaniche

↑ segmenti hard ↑ modulo e la resistenza

§ ↓ l'allungamento a rottura,

Environmental Stress Cracking –ESC

processo di microfratturazione: generazione di screpolature (crazing) e

fessurazioni (cracks) profonde

in risposta a particolari ambienti aggressivi e in presenza di stress

residui nel materiale

L’ambiente aggressivo è costituito dalla risposta infiammatoria ed

immunitaria all’impianto del materiale estraneo, con richiamo di cellule

fagocitiche che aderiscono alla superficie del biomateriale, attivandosi

e liberando enzimi litici, ioni e radicali.

PROTESI VALVOLARI CARDIACHE

PATOLOGIE

• Stenosià valvola ispessita e induritaà apertura minoreà sangue fatica a passare

• Insufficienzaà valvola indebolitaà chiusura non correttaà il sangue torna indietro

REQUISITI

• Emocompatibilità: no azione trombogenica, emolitica, degradante per le proteine

• Sicurezza: no cedimenti strutturali

• Performance emodinamica: flusso quanto più fisiologico

Carbonio pirolitico: depositando ad alta temperatura i vapori di un idrocarburo, normalmente su un supporto

di grafite

controllo qualità - Durezza (microVickers),

Prove a flessione e determinazione carico di rottura di una lamina

VALVOLE MECCANICHE STUDIO

Fallimento:

SMART MATERIALS proprietà (forma, dimensione, proprietà elettriche, magnetiche - caratteristiche ottiche)

à

controllabili, riproducibili, prevedibili, switchable che rispondano a variazioni sempre nello stesso modo

definizione: i materiali intelligenti (smart) rispondono con una variazione significativa di una proprietà sotto l’applicazione di una “driving force” esterna.

Sistema smart: materiali smart + sistemi di controllo APPLICAZIONI GENERALI

POLIMERI CONDUTTORIà lo swelling è dovuto all’assorbimento di acqua e siringa canula intravenoso: durante l’iniezione è rigido; sotto pelle

§

ioni nel polimero quando il voltaggio viene rimosso o invertito, il polimero si à

diventa flessibile maggiore comfort

contrae e riassume la sua forma originale. stent: flessibilità nel posizionamento e nella struttura

§ à

biocompatibilità e possibile rilascio di farmaci

M. LUMINESCENTI: suture biodegradabili: problema: corretta forza nel nodo di sutura

§

FOTOLUMINESCENTI: pigmenti fosforescenti, sospesi nel mezzo scelto forma temporanea: ottenuta allungando la fibra con uno sforzo

Prima assorbono energia poi la rilasciano controllato; ↑ si restringe il nodo

CHEMIOLUMINESCENTI: pigmenti fluorescenti che si eccitano quando filler per aneurismi: inserita con chirurgia mininvasiva; recupero della

§

stimolati; Assorbono e rilasciano energia contemporaneamente forma originale con T corporea

l

luce emessa ha più lunga rispetto alla radiazione assorbita trattamento infarto ischemico: catetere portato in sede e modificato

§

ELETTROLUMINESCENTI emettono luce sotto campo elettrico mediante riscaldamento ottico; miscroattuatore e trombo rimossi

M. CROMOGENICI:

TERMOCROMICI: es. cristalli liquidi IDROGELI SMART

FOTOCROMICI: pigmento fotocromatico subisce reazione fotochimica Transizione sol-gel es. Metilcellulosa

§

reversibile Swelling: rilascio di H O/ farmaci

§ 2

ELETTROCROMICI: stati ossidati (dopati) e ridotti (non dopati) presentano efficienza della contrazione è inversamente proporzionale alla densità della

colori diversi carica presente nel gel e aumenta con il grado di swelling

FLUIDI ELETTROREOLOGICI: con il campo elettrico la polarizzazione indotta Transizione idrofilico/idrofobicoà ddp tra goccia e superficie varia

§

delle particelle fa aumentare la viscosità distribuzione goccia e angolo di contatto

FLUIDI MAGNETOREOLOG