Podatność implantów kardiologicznych na biodegradację - przegląd literatury

Dederko, P.; Woźniak, M.; Malinowska-Pańczyk, E.; Staroszczyk, H.; Kołodziejska, I.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Podatność implantów kardiologicznych na biodegradację - przegląd literatury

Autorzy

Dederko P. , Woźniak M. , Malinowska-Pańczyk E. , Staroszczyk H. , Kołodziejska I.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Susceptibility of cardiac implants to biodegradation - a review

Języki publikacji

Abstrakty

Do implantów kardiologicznych należą sztuczne zastawki serca, naczynia krwionośne oraz stenty naczyniowe i stymulatory serca. Wszczepy te umieszcza się w miejscu nieprawidłowo działającego elementu w celu poprawy stanu zdrowia i jakości życia pacjenta. Prawidłowe funkcjonowanie implantów może zostać zaburzone przez biodegradację, która nie jest efektem jednego procesu, lecz skutkiem synergicznego działania wielu czynników natury biologicznej, chemicznej i fizycznej. W pracy scharakteryzowano materiały stosowane do wytwarzania implantów kardiologicznych oraz omówiono procesy biodegradacyjne, na jakie są one narażone w organizmie człowieka. Opisano zagrożenia biologiczne, m.in. reakcje układu immunologicznego i tworzenie stanu zapalnego w miejscu implantacji, ryzyko związane z nadmiernym wykrzepianiem krwi na powierzchni wszczepu oraz działalność drobnoustrojów, zarówno fizjologicznej mikroflory, jak i patogenów, szczególnie niebezpiecznych w przypadku biofilmu. Przedstawiono zagrożenia wynikające z działania związków chemicznych obecnych we krwi i degradację oksydacyjną, związaną z utlenianiem metali lub grup funkcyjnych w polimerach i powstawaniem wolnych rodników. Przybliżono procesy degradacji fizycznej, szczególnie procesu mineralizacji.

Cardiac implants include artificial heart valves, blood vessels, cardiovascular stents, and pacemakers. They are implanted at the malfunctioning places in order to improve patients’ health and life quality. The proper functioning of implants may be disrupted due to their biodegradation, which is not a result of a single process, but rather many synergistic actions of biological, chemical, and physical factors. In this paper, the materials used in the cardiac implants production were characterized, and their potential biodegradation in the human body is discussed. Biological hazards, i.e. immune response and inflammation at the implantation site, the microbial activity, both of physiological microflora and pathogenic, particularly dangerous as a biofilm, and the risk of excessive blood clotting on the implant surface, were described. The hazards due to chemicals present in the blood and the oxidative degradation associated with radical reactions and oxidation of metals or polymer functional groups were presented as well. The physical degradation, particularly by mineralization, was also discussed.

Słowa kluczowe

implanty kardiologiczne biomateriały biodegradacja

cardiac implants biomaterials biodegradation

Wydawca

Jacek Doskocz

Czasopismo

Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna

Rocznik

2017

Tom

Vol. 23, nr 3

Strony

153--165

Opis fizyczny

Bibliogr. 65 poz.

Twórcy

autor

Dederko P.

Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Chemii, Technologii i Biotechnologii Żywności, 80-233 Gdańsk, ul. Narutowicza 11/12

autor

Woźniak M.

Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Chemii, Technologii i Biotechnologii Żywności, 80-233 Gdańsk, ul. Narutowicza 11/12

autor

Malinowska-Pańczyk E.

Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Chemii, Technologii i Biotechnologii Żywności, 80-233 Gdańsk, ul. Narutowicza 11/12

autor

Staroszczyk H.

hanna.staroszczyk@pg.gda.pl

Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Chemii, Technologii i Biotechnologii Żywności, 80-233 Gdańsk, ul. Narutowicza 11/12

autor

Kołodziejska I.

Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Chemii, Technologii i Biotechnologii Żywności, 80-233 Gdańsk, ul. Narutowicza 11/12

Bibliografia

[1] M. Rachwalik, D. Biały, M. Wawrzyńska: Mechaniczne protezy zastawek serca - historia i rozwój technologii, Acta Bio-Optica et Informatica Medica, vol. 16, 2010, s. 265-267.
[2] G. Rosenberg: Cardiac Valve Prostheses [w:] J.D. Bronzino, (red.): Tissue Engineering and Artificial Organs, CRC Press, 2006, 64-1-64-23.
[3] B. Kostrzewa, Z. Rybak: Rys historyczny, teraźniejszość i przyszłość biomateriałów wykorzystywanych w sztucznych zastawkach serca, Polymers in Medicine, vol. 43, 2013, s. 183-189.
[4] K. Nair, C.V. Muraleedharan, G.S. Bhuvaneshwar: Developments in mechanical heart valve prosthesis, Sadhana - Academy Proceedings in Engineering Sciences, vol. 28, 2003, 575-587
[5] H. Mohammadi, K. Mequanint: Prosthetic aortic heart valves: modeling and design, Medical Engineering & Physics, vol. 33, 2011, s. 131-147.
[6] M.K. Sewell-Loftin, Y.W. Chun, A. Khademhosseini, W.D. Merryman: EMT-inducing biomaterials for heart valve engineering: taking cues from developmental biology, Journal of Cardiovascular Translational Research, vol. 4, 2011, s. 658-671.
[7] S.H. Rahimtoola: Valcular heart disease: a perspective on the asymptomatic patient with severe valvular aortic stenosis, European Heart Journal, vol. 29, 2008, s. 1783-1790.
[8] A. Olasińska-Wiśniewska,M. Grygier, M. Lesiak, O. Trojnarska, S. Grajek: Transcatheter aortic valve implantation: The new option for high-risk patients with aortic stenosis, Cardiology Journal, vol. 18, 2011, s. 462-468.
[9] E.K. Włodarska, W. Rużyłło: Nowe metody w diagnostyce i terapii - Przezskórna implantacja zastawki aortalnej, Postępy Kardiologii Interwencyjneh, vol. 4, 2008, s. 111-115.
[10] R. Gattuso, B. Gossetti: Aorto-enteric fistul a following abdominal aortic aneurysm repair by endograft, EJVES Extra, vol. 4, 2002, s. 48-51.
[11] P. Ziętek, B. Butruk, T. Ciach: Otrzymywanie nowoczesnych biomateriałów do kardiochirurgii metodą inżynierii tkan-kowej, Inżynieria i Aparatura Chemiczna, vol. 52, 2013, s. 504-505.
[12] S. Lepidi, F. Grego, V. Vindigni: Hyaluronan Biodegradable Scaffold for Small-caliber Artery Grafting: Preliminary Results in an Animal Model, European Journal of Vascular & Endovascular Surgery, vol. 32, 2006, s. 411-417.
[13] S. Nemcova, A.A. Noel, C.J. Jost, P. Gloviczki., V.M. Miller, K.G. Brockbank: Evaluation of a xenogeneic acellular collagen matrix as a small-diameter vascular graft in dogs--preliminary observations, Journal of Investigative Surgery, vol. 14, 2001, s. 321-330.
[14] R.T. Tranquillo, T.S. Girton, B.A. Bromberek, T.G. Triebes, D.L. Mooradian: Magnetically orientated tissue-equivalent tubes: application to a circumferentially orientated media-equivalent, Biomaterials, vol. 17, 1996, s. 349-357.
[15] C.B. Weiber, E. Bell: A blood vessel model constructed from collagen and cultured vascular cells, Science, vol. 31, 1986, s. 397-400.
[16] L. Yao, D. Daniel, D.D. Swartz: Fibrin-Based Tissue-Engineered Blood Vessels: Differential Effects of Biomaterial and Culture Parameters on Mechanical Strength and Vascular Reactivity, Tissue Engineering, vol. 11, 2005, s. 991-1003.
[17] B.S. George, W.D. Voorhees, G.S. Roubin: Multicenter investigation of coronary stenting to treat acute or threatened closure after percutaneous transluminal coronary angioplasty: clinical and angiographic outcomes, Journal of the American College of Cardiology, vol. 22, 1993, s. 135-143.
[18] U. Sigwart, P. Urban, S. Golf, U. Kaufmann, C. Imbert, A. Fischer, L. Kappenberger: Occlusion after coronary balloon angioplasty, Circulation, vol. 78, 1988, s. 1121-1127.
[19] A. Colombo, G. Stankovic, J.W. Moses: Selection of coronary stents, Journal of the American College of Cardiology, vol. 40, 2002, s. 1021-1033.
[20] S. Ramcharitar, P.W. Serruys: Fully biodegradable coronary stents: Progress to date, American Journal of Cardio-vascular Drugs, vol. 8, 2008, s. 305-314.
[21] S. Venkatraman, F. Boey, L.L. Lao: Implanted cardiovascular polymers: natural, synthetic and bio-inspired, Progress in Polymer Science, vol. 33, 2008, s. 853-874.
[22] H. Tamai, K. Igaki, E. Kyo, K. Kosuga, A. Kawashima, S. Matsui, H. Komori, T. Tsuji, S. Motohara, H. Uehata: Initial and 6-month results of biodegradable poly-l-lactic acid coronary stents in humans, Circulation, vol. 102, 2000, s. 399-404.
[23] S. Garg S, P. Serruys: Biodegradable stents and non-biodegradable stents, Minerva Cardioangiology, vol. 57, 2009, s. 537-565.
[24] K. Milewski, M. Tajstara: Stenty bioresorbowalne - akturalny stan wiedzy, Folia Cardiologica, vol. 7, 2012, s. 213-219.
[25] Ł. Rzeszutko, R. Depukat, D. Dudek: Wyniki dotyczące skuteczności i bezpieczeństwa implantacji reabsorbowalnego ruszkowania naczyniowego ABSORB™ w badaniach klinicznych, Postepy Kardiologii Interwencyjnej., vol. 9, 2013, s. 31-40.
[26] J.A.Ormiston, P.W. Serruys, E. Regar, D. Dudek, L. Thuesen, M.W. Webster, Y. Onuma, H.M. Garcia-Garcia, R. McGreevy, S. Veldhof: A bioabsorbable everolimus-eluting coronary stent system for patients with single de-novo coronary artery lesions (ABSORB): a prospective open-label trial, Lancet, vol. 9616, 2008, s. 899-907.
[27] D. Dudek, Y. Onuma, J.A. Ormiston, L. Thuesen, K. Miguel-Hebert, P.W. Surruys: Four-year clinical follow-up of ABSORD everolimus- elutimg bioresorbable vascular scaffold in patients with de novo coronary artery disease: the ABSORB trial, EuroIntervention, vol. 7, 2012, 1060-1061.
[28] K. Nieman, P.W. Serruys, Y. Onuma, R.J. Geuns, H.M. Garcia-Garcia, B. Bruyne, L. Thuesen, P.C. Smits, J.J. Koolen, D. McClean, B. Chevalier, I. Meredith, J. Ormiston: Multislice Computed Tomography Angiography for Noninvasive Assessment of the 18-Month Performance of a Novel Radiolucent Bioresorbable Vascular Scaffolding Device. The ABSORB Trial (A Clinical Evaluation of the Bioabsorbable Everolimus Eluting Coronary Stent System in the Treatment of Patients With de Novo Native Coronary Artery Lesions), Journal of the American College of Cardiology, vol. 62, 2013, s. 1813-1816.
[29] P.W. Serruys, J.A. Ormiston, Y. Onuma, E. Regar, N. Gonzalo, H.M. Garcia-Garcia, K. Nieman, N. Bruining, C. Dorange, K. Miquel-Hébert, S. Veldhof, M. Webster, L. Thuesen, D. Dudek: A bioabsorbable everolimus-eluting coronary stent system (ABSORB): 2-year outcomes and results from multiple imaging methods, Lancet, vol. 9667, 2009, s. 897-910.
[30] P.W. Serruys, Y. Onuma, J.A. Ormiston, B. de Bruyne, E. Regar, D. Dudek, L. Thuesen, P.C. Smits, B. Chevalier, D. McClean, J. Koolen, S. Windecker, R. Whitbourn, I. Meredith, C. Dorange, S. Veldhof, K. Miquel-Hebert, R. Rapoza, H.M. García-García: Evaluation of the second generation of a bioresorbable everolimus drug-eluting vascular scaffold for treatment of de novo coronary artery stenosis: six-month clinical and imaging outcomes, Circulation, vol. 122, 2010, s. 2301-2312.
[31] S. Verheye: DeSolve first in-man study preliminary results. Presented at: PCR focus group on bioresorbable vascular scaff olds, wystąpienie na konferencji PCR focus group on bioresorbable vascular scaff olds, 03. 2012, Rotterdam.
[32] R. Jabara, S.N. Chrono, K. Robinson: Novel bioabsorbable salicylate-based polymer as a drug-eluting stent coating, Catheter Cardiovascular Intervention, vol. 72, 2008, s. 186-194.
[33] A. Abizaid: The BTI salycilate-based polyanhydride ester absorbable sirolimus-eluting stent: update from the Whisper study, Washington 2008.
[34] M. Peuster, P. Wohlsein, M. Brügmann, M. Ehlerding, K. Seidler, C. Fink, H. Brauer, A. Fischer, G. Hausdorf: A novel approach to temporary stenting degradable cardiovascular stents produced from corrodible metal—results 6-18 months after implantation into New Zealand white rabbits, Heart, vol. 86, 2001, s. 563-569.
[35] S. Di Mario, M. Sansa, F. Airoldi, I. Sheibam, A. Manari, A. Petronio, E. Piccaluga, S. De Servi, A. Ramondo, S. Colusso, A. Formosa, C. Cernigliaro, A. Colombo, N. Monzino, M.A. Bonardi: Single vs multivessel treatment during primary angioplasty: results of the multicentre randomised HEpacoat for cuLPrit or multivessel stenting for Acute Myocardial Infarction (HELP AMI) Study, International Journal of Cardiovascular Intervention, vol. 6, 2004, s. 128-133.
[36] G. Ghimire, J. Spiro, R. Kharbanda, M. Roughton, P. Barlis, M. Mason, C. Ilsley, C. Di Mario, R. Erbel, R. Waksman, M. Dalby: Initial evidence for the return of coronary vasoreactivity following the absorption of bioabsorbable magnesium alloy coronary stents, EuroIntervention, vol. 4, 2009, s. 481-484.
[37] R. Waksman: Lessons learned from preclinical studies of magnesium scaff olds (Biotronik’s DREAMS program), wystąpienie na konferencji PCR focus group on bioresorbable vascular scaff olds, 03. 2012, Rotterdam.
[38] N. Lucas, Ch. Bienaime, Ch. Belloy, M. Queneudec, F. Silvestre, J.E. Nava-Saucedo: Polymer biodegradation: mechanisms and estimation techniques, Chemosphere, vol. 73, 2008, s. 429-442.
[39] E. Tamariz, A. Rios-Ramírez: Biodegradation of medical purpose polymeric materials and their impact of biocompatibility, [w:] R. Chamy, F. Rosenkranz, (red.): Biodegradation - life of science, InTech, 2013.
[40] H.S. Azevedo, R.L Reis: Understanding the enzymatic degradation of biodegradable polymers and strategies to control their degradation rate, [w:] R.L. Reis, J.S. Román, (red): Biodegradable systems in tissue engineering and regenerative medicine, CRC PRESS, Boca Raton, London, New York, Washington D.C., 2005, s. 186-193.
[41] K. Hayashi: Biodegradation of implant materials, JSME International Journal Series A, vol. 30, 1987, 1517-1525.
[42] A. Hasan, K. Ragaert, W. Swieszkowski, S. Selimović, A. Paul, G. Camci-Unal, M.R.K. Mofrad, A. Khademhosseini: Biomechanical properties of native and tissue engineered heart valve constructs, Journal of biomechanics, vol. 47(9), 2014, s. 1949-1963.
[43] J.M. Anderson, A. Rodriguez, D.T. Chang: Foreign body reaction to biomaterials, Seminars Immunology, vol. 20(2), 2008, s. 86-100.
[44] J. Gołąb, M. Jakubisiak, W. Lasek: Immunologia, Wydawnictwo naukowe PWN, 2002.
[45] Z. Sheikh, P.J. Brooks, O. Barzilay, N. Fine, M. Glogauer: Macrophages, foreign body giant cells and their response to implantable biomaterials, Materials, vol. 8, 2015, s. 5671-5701.
[46] S. Lyu, D. Untereker: Degradability of polymers for implantable biomedical devices, International Journal of Molecular Science, vol. 10, 2009, s. 4033-4065.
[47] J. Descotes, G. Choquet-Kastylevsky, E. van Ganse, T. Vial: Response of immune system to injury, Toxicologic patho-logy, vol. 28(3), 2000, s. 479-481.
[48] R.M. Donlan: Biofilms and device-associated infections, Emerging Infectious Diseases, vol. 7, 2001, s. 277-281.
[49] B. Dorocka-Bobkowska, K. Konopka: Powstawanie biofilmu Candida i jego znaczenie w patogenezie zakażeń przewlekłych - przegląd piśmiennictwa, Dental and medical problems, vol. 40, 2003, s. 405-410.
[50] A. Agarwal, K.P. Singh, A. Jain: Medical significance and management of staphylococcal biofilm, FEMS Immunology and Medical Microbiology, vol. 58, 2010, s. 147-160.
[51] Ch. Meng, Y. Quingsong, S. Hongmin: Novel strategies for the prevention and treatment of biofilm related infections, International Journal of Molecular Science, vol. 14, 2013, 18488-18501.
[52] M. Alhede, P.O. Jensen, M. Givskov, T. Bjarnsholt: Biofilm of medical importance, [w:] H.W. Doelle, S. Rokem, M. Berovic, (red.): Medical biotechnology - fundamentals and modern development - part II. Encyclopedia of life support systems, Singapore Biotechnology EOLSS Publishers Co. Ltd. 2009, s. 182-197.
[53] D. Davies: Understanding biofilm resistance to antibacterial agents, Nature Reviews Drug Discovery, vol. 2, 2003, s. 114-122.
[54] Ch. Gachet: Regulation of platelet functions by P2 receptors, Annual Review of Pharmacology and Toxicology, vol. 46, 2006, s. 277-300.
[55] C. Kaebisch, D. Schipper, P. Babczyk, E. Tobiasch: The role of purinergic receptors in stem cell differentiation, Computational and Structural Biotechnology Journal, vol. 13, 2014, s. 75-84.
[56] A.J. Coury, R.J. Levy, C.R. McMillin, Y. Pathak, B.D. Ratner, F.J. Schoen, D.F. Williams, R.L. illiams: Degradation of materials in the biological environment, [w:] B. Ratner, A. Hoffman, F. Schoen, J. Lemons, (red.): Biomaterials Science. An introduction to materials in medicine, Academic Press, San Diego, London, Boston, New York, Sydney, Tokyo, Toronto 1996, s. 243-260.
[57] S.L. De Assis, I. Costa: The effect of hydrogen peroxide on the electrochemical behaviour of Ti-13Nb-13Zr alloy in Hank's solution, Material Research, vol. 9(4), 2006, s. 425-429.
[58] U. Kanachimudali, T.M. Sridhar, B. Raj: Corrosion of bioimplants, Sadhana, vol. 28(3), 2003, s. 601-637.
[59] Y. Yan, A. Neville, D. Dowson: Understanding the role of corrosion in the degradation of metal-on-metal implants, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part H, vol. 220(2), 2006, s. 173-181.
[60] J. Pan, D. Thierry, C. Leygraf: Electrochemical and XPS studies of titanium for biomaterial application with respect to the effect of hydrogen peroxide, Journal of Biomedical Materials Research, vol. 28, 1994, s. 113-122.
[61] J.E. McBane, J.P. Santerre, R.S. Labow: The interaction between hydrolytic and oxidative pathways in macrophage-mediated polyurethane degradation, Journal of Biomedical Materials Research Part A, Wiley InterScience, 2007, s. 984-994.
[62] M.A. Hussein, A.S. Mohammed, N. Al-Aqeeli: Wear characteristics of metallic biomaterials: a review, Materials, vol. 8, 2015, s. 2749-2768.
[63] J. Jorge-Herrero, J.M. García Páez, J.L. del Castillo-Olivares Ramos: Tissue heart valve mineralization: Review of calcification mechanisms and strategies for prevention, Journal of Applied Biomaterilas & Biomechanics, vol. 3, 2005, s. 67-68.
[64] P.B. Zadeh, S.C. Corbett, H. Nayeb-Hashemi: In-vitro calcification study of polyurethane heart valves, Materials science and engineering C, vol. 35, 2014, s. 335-340.
[65] R.J. Levy, F.J. Schoen, W.B. Flowers, S.T. Staelin: Initiation of mineralization in bioprosthetic heart valves: Studies of alkaline phosphatase activity and its inhibition by A1Cl3 or FeCl3 preincubations, Journal of Biomedical Materials Research, vol. 25, 1991, s. 905-935.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-4870bac3-07b2-403f-9a5a-303285a22680