Biomateriały kompozytowe

• Autorzy: Chłopek J.

Warianty tytułu

EN

Composite biomaterials

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiony artykuł ma charakter przeglądowy i prezentuje możliwości wykorzystania materiałów kompozytowych w medycynie. Stosując podejście biomimetyczne związane z naśladowaniem budowy i właściwości naturalnych tkanek, pokazuje zasady projektowania syntetycznych kompozytów spełniających kryteria biozgodności i biofunkcyjności. Analiza dotyczy zarówno kompozytów włóknistych, jak i ziarnistych i prezentuje, jak stosując materiały kompozytowe zawierające aktywne fazy biologiczne, można uzyskać efekty synergiczne prowadzące dodatkowo do wspomagania procesu regeneracji uszkodzonych tkanek. Takie podejście jest możliwe przy ścisłej współpracy głównie dwóch dyscyplin naukowych - nauki o materiałach i biologii. Większość przedstawionych zagadnień opiera się na badaniach własnych autora z uwzględnieniem najnowszych tendencji w rozwoju biomateriałów. W szczególności dotyczy to bioaktywnych kompozytów, kompozytów z udziałem włókien węglowych i organicznych, głównie dla spełnienia funkcji biomechanicznej, nanokompozytów, kompozytów gradientowych oraz zjawisk na styku materiał kompozytowy-środowisko biologiczne (płyny fizjologiczne, komórki, tkanki). Przeprowadzona analiza właściwości mechanicznych i biologicznych kompozytów stwarza dobrą podstawę do projektowania i otrzymywania wielofunkcyjnych materiałów implantacyjnych.

EN

The presented article has a review character and it shows the possibilities of using the composite materials in medicine. Applying the biomimetic approach connected with mimicking the structure and properties of natural tissues, it presents the principles of designing synthetic composites fulfilling the biocompatibility and biofunctionality criteria. The analysis concerns both fibrous and particle composites and it shows how it is possible to achieve the synergetic effect leading additionally to supporting the regeneration process of damaged tissues using the composite materials with biologically active phases. Such an approach is possible thanks to the cooperation of mainly two disciplines: materials science and biology. The majority of presented problems is based on author's researches, taking into consideration the latest trends in biomaterials development. Particularly, it concerns bioactive composites, composites with carbon and organic fibers, mainly for fulfilling biomechanical function, nanocomposites, graded composites and phenomena on the border of composite material-biological environment (physiological fluids, cells, tissues). In the case of bioactive composites it has been shown how it is possible to obtain biologically active composite with enhanced mechanical properties and osteointegration ability by modification of the carbon-carbon composites manufacture process by hydroxyapatite particles addition. This effect was caused by the presence of two mechanisms: one connected with hydroxyapatite, the second one with TCP formed after hydroxyapatite decomposition. The investigations conducted on composites made of resorbable polymers, mainly by means of FTIR method, showed that the presence of modifying phases changes the resorption rate of polymer and influences bone tissue regeneration process. The modifiers (particles or fibers) can act as active scaffolds which stimulate the growth of bone tissue. The properties and the geometry of these phases can decide about cellular and tissue reactions. The presence of strongly developed interfaces in composite materials influences durability of the received implants. Creep tests at various stress levels carried out on polisulfone-carbon fiber composite revealed that life-time of such implants is shorter than for pure polymers. Graded materials with Young's modulus, porosity and resorption rate gradients can decide about the stress distribution, ability to overgrowth with bone tissue and blood vessels creation (vascularization). The analysis of properties of composite materials is a good base for designing and manufacturing multifunctional implants with controlled mechanical and biological behaviour.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt; biomimetyzm; nanokompozyt; materiał gradientowy; reakcja biologiczna

EN

composite; biomimetic; nanocomposite; graded material; biological reaction

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 9, nr 1
• Strony: 3--18
• Opis fizyczny: Bibliogr. 50 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Chłopek J.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Wang M., Developing bioactive composite materials for tissue replacement, Biomaterials 2003, 24, 2133-2151.
• [2] Vanderby R., Provenzano P.P., Collagen in connective tissue: from tendon to bone, Journal of Biomechanics 2003, 36, 1523-1527.
• [3] Murugan R., Ramakrishna S., Development of nanocomposites for bone grafting, Composites Science and Technology 2005, 65, 2385-2406.
• [4] Roether J.A., Boccaccini A.R., Hench L.L., Maquet V., Gautier S., Jérôme R., Development and in vitro characterisation of novel bioresorbable and bioactive composite materials based on polylactide foams and Bioglass® for tissue engineering applications, Biomaterials 2002, 23, 3871-3878.
• [5] Chłopek J., Bioactive carbon-ceramic composites, Inżynieria Biomateriałów 2004, 34, 3-5.
• [6] Mano J.F., Sousa R.A., Boesel L.F., Neves N.M., Reis R.L., Bioinert, biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue replacement: state of the art and recent developments, Composites Science and Technology 2004, 64, 789-817.
• [7] Wang M., Yue CY., Chua B., Production and evaluation of hydroxyapatite reinforced polysulfone for tissue replacement, J. Mater. Sci. Mater. Med. 2001, 12, 9, 821-826.
• [8] Deb S., Synthetic and Natural Degradable Polymeric Biomaterials, (in:) Biomaterials Fabrication and Processing, Handbook, Chu P.K., Liu X. (eds), CRC Press, Taylor & Francis Group 2008, 457-481.
• [9] Chłopek J., Kmita G., The study of lifetime of polymer and composite bone joint screws under cyclical loads and ”in vitro” conditions, Journal of Materials Science, Materials in Medicine 2005, 16, 1051-1060.
• [10] Chłopek J., Kmita G., Non-metallic composite materials for bone surgery, Rozprawy Inżynierskie 2003, 51, 2-3.
• [11] Błażewicz M., Węgiel jako biomateriał. Badania nad biozgodnością włókien węglowych, Ceramika, Polski Biuletyn Ceramiczny, vol. 63, Kraków 2001.
• [12] Błażewicz M., Zamorska L., Papież M., Żołnierek M., Menaszek E., Nowak B., Biozgodność nisko-karbonizowanych włókien węglowych o modyfikowanej powierzchni z tkankami zwierzęcymi, V Ogólnopolska Konferencja Farmaceutyczna, Kraków 1998.
• [13] Ramakrishna R., Mayer J., Wintermantel E., Leong K.W., Biomedical applications of polymer composite materials: a review, Composites Science and Technology 2001, 61, 1189-1224.
• [14] Kim H.-W., Kim H.-E., Salih V., Stimulation of osteoblast responses to biomimetic nanocomposites of Gelatin-hydroxyapatite for tissue engineering scaffolds, Biomaterials 2005, 26, 5221-5230.
• [15] Liao S.S., Cui F.Z., Zhang W., Feng Q.L., Hierarchically biomimetic bone scaffold materials: nano-HA/collagen/PLA composite, J. Biomed. Mater. Res. Appl. Biomater. 2004, 69, 158-165.
• [16] Thostenson E.T., Li Ch., Chou T.-W., Nanocomposites in context, Composites Science and Technology 2005, 65, 491-516.
• [17] Oonishi H., Development and application of bioceramics in orthopaedic surgery, (in:) Biomaterials, Hard Tissue Repair and Replacement, D. Muster (ed.), Elsevier Science Publisher, The Netherlands 1992, 17-40.
• [18] Dubok V.A., Bioceramics - Yesterday, Today, Tomorrow, Powder Metallurgy and Metal Ceramics 2000, 39, 7-8, 381-394.
• [19] Kim H.-W., Lee H.-H., Chun G.-S., Bioactivity and osteoblast responses of novel biomedical nanocomposites of bioactive glass nanofiber filled poly(lactic acid), Journal of Biomedical Materials Research Part A 2008, 85A, 3, 651-663.
• [20] Cao W., Hench L.L., Bioactive Materials, Ceramics International 1996, 22, 493-507.
• [21] Kasuga T., Nakajima K., Uno T., Yoshida M., Preparation of zirconia-toughened bioactive glass-ceramic composite by sinter-hot isostatic pressing, J. Am. Ceram. Soc. 1992, 75, 1103-1107.
• [22] White A.A., Best S.M., Hydroxyapatite-carbon nanotube composites for biomedical applications: a review, Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2007, 4, 1-13.
• [23] Chłopek J., Rosół P., Morawska-Chochół A., Durability of polymer-ceramics composite implants determined in creep tests, Composite Science and Technology 2006, 66, 1615-1622.
• [24] Rosół P., Chłopek J., Schweder C., Kompozyty z polimerów biostabilnych i bioresorbowalnych modyfikowane bioaktywną ceramiką, Kompozyty (Composites) 2005, 5, 4, 25-31.
• [25] Yang F., Cui W., Xiong Z., Liu L., Bei J., Wang S., Poly- (l,l-lactidecoglycolide)/tricalcium phosphate composite scaffold and its various changes during degradation in vitro, Polymer Degradation and Stability 2006, 91, 12, 3065-3073.
• [26] Ślósarczyk A., Biomateriały ceramiczne, (w:) Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000, pod red. M. Nałęcza, Tom 4 - Biomateriały, redaktorzy tomu: S. Błażewicz, L. Stoch, Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, Warszawa 2003, 99- -156.
• [27] Rapacz-Kmita A., Paluszkiewicz C., Ślósarczyk A., Paszkiewicz Z., FTIR and XRD investigations on the thermal stability of hydroxyapatite during hot pressing and pressure-less sintering processes, Journal of Molecular Structure 2005, 744-747, 653-656.
• [28] Boccaccini A.R., Blaker J.J., Maquet V., Day R.M., Jérôme R., Preparation and characterisation of poly(lactide-coglycolide) (PLGA) and PLGA/BioglassR composite tubular foam scaffolds for tissue engineering applications, Materials Science and Engineering C 2005, 25, 23-31.
• [29] Teixeira S., Fernandes M.H., Ferraz M.P., Monteiro F., Adhesion and Proliferation of human bone marrow cells on hydroxyapatite and hydroxyapatite/collagen porous scaffolds for bone tissue engineering, 8th World Biomaterials Congress, Amsterdam, 28 May-1 June 2008, 1138.
• [30] Ijiri S., Nakumura T., Fujisawa Y., Hazama M., Komatsudani S., Ectopic bone induction in porous apatite-wollastonite-containing glass ceramic combined with bone mophogenic protein, J. Biomed. Mater. Res. 1997, 35, 421-32.
• [31] An Y.H., Woolf S.K., Friedman R.J., Pre-clinical in vivo evaluation of orthopaedic bioabsorbable devices, Biomaterials 2000, 21, 2635-2652.
• [32] Gogolewski S., Bioresorbable polymers in trauma and bone surgery, Injury 2000, 31, Supplement 4, D28-D32.
• [33] Bertoldi C., Zaffe D., Consolo U., Polylactide/polyglycolide copolymer in bone defect healing in humans, Biomaterials 2008, 29, 1817-1823.
• [34] Gryń K., Chłopek J., Rusztowania hydroksyapatytowe do zastosowań medycznych wykonane metodą „Robocasting” - wstępne testy / Hydroxyapatite scaffolds by „Robocasting” for medical applications - preliminary tests, Engineering of Biomaterials/Inżynieria Biomateriałów 2008, 76, 13-16.
• [35] Gryń K., Chłopek J., Saiz E., Tomsia A.P., Sposób wytwarzania materiałów o kontrolowanej porowatości z hydroksyapatytu przy wykorzystaniu metody robocasting, Inżynieria Biomateriałów 2007, 62, 26-29.
• [36] Gigante A., Cesari E., Busilacchi A., Manzotti S., Kyriaki- dou K., Greco F., Di Primio R., Mattioli-Belmonte M., Collagen I membranes for tendon repair: Effect of collagen fiber orientation on cell behavior, Journal of Orthopaedic Research, Published Online: 4 Dec 2008.
• [37] Stodolak E., Badania nad modyfikacją powierzchniową i wpływem włókien na materiał polimerowy i odpowiedź komórkową, Rozprawa doktorska, AGH, Kraków 2006.
• [38] Rosół P., Chłopek J., Schweder C., Kompozyty z polimerów biostabilnych i bioresorbowalnych modyfikowane bioaktywną ceramiką, Kompozyty (Composites) 2005, 4, 25-31.
• [39] Chłopek J., Kmita G., Rosół P., Lifetime prediction of polymer composite implants based on creep and fatigue tests, Annals of Transplantation 2004, 9, 1A suppl., 26-29.
• [40] Rosół P., Krzanowski W., Migacz K., Wpływ procesu pełzania w warunkach in vitro na czas życia poli(laktydokoglikolidu) i jego kompozytów, Inżynieria Biomateriałów 2004, 38-42, 175-178.
• [41] Chłopek J., Kmita G., Dobrzyński P., Bero M., Właściwości zmęczeniowe śrub z kopolimeru P(LLA/GLA) oraz kopolimeru wzmacnianego włóknem węglowym, Inżynieria Biomateriałów 2002, 23, 24, 25, 88-90.
• [42] Chłopek J., Migacz K., Projektowanie biomateriałów gradientowych o założonych modułach Younga i ich analiza eksperymentalna, Inżynieria Biomateriałów 2008, 81-84, 12-16.
• [43] Kubair D.V., Bhanu-Chandar B., Mode-3 spontaneous crack propagation along functionally graded bimaterial interfaces, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 2007, 55, 1145-1165.
• [44] Chłopek J., Szaraniec B., Michalska M., Bioaktywne kompozyty gradientowe, Inżynieria Biomateriałów 2006, 58-60, 94-97.
• [45] Liao S.S., Cui F.Z., Zhu X.D., Osteoblasts adherence and migration through three-dimensional porous mineralized collagen based composite: nHAC/PLA, J. Bioactive Compat. Polym. 2004, 19, 117-130.
• [46] Ginebra M.P., Driessens F.C., Planell J.A., Effect of the particle size on the micro and nanostructural features of a calcium phosphate cement: A kinetic analysis, Biomaterials 2004, 25, 3453-3462.
• [47] Li H.-Y., Chen Y.-F., Xie Y.-S., Nanocomposites of cross-linking polyanhydrides and hydroxyapatite needles: mechanical and degradable properties, Materials Letters 2004, 58, 2819-2823.
• [48] Chłopek J., Czajkowska B., Szaraniec B., Frackowiak E., Szostak K., Béguin F., In vitro studies of carbon nanotubes biocompatibility, Carbon 2006, 44, 1106-1111.
• [49] Ye J., Shi X., Jones W., Rojanasakul N., Cheng N., Cheng D., Critical role of glass fiber length in TNF-alpha production and transcription factor activation in macrophages, Am. J. Physiol. 1999, 276, 426-434. [50] Smart S.K., Cassady A.I., Lu G.Q., Martin D.J., The bio- compatibility of carbon nanotubes, Carbon 2006, 44, 1034-1047.
• [50] Smart S.K., Cassady A.L., Lu G.Q., Martin D.J., The biocompatibility of carbon nanotubes. Carbon 2006, 44, 1034-1047.