Biomateriale - Materiale Inteligente

8/3/2019 Biomateriale - Materiale Inteligente

1/12

CURS 5Materiale inteligente

Definitie: material care isi modifica una sau mai multe proprietati intr-un domeniu foartelarg, la variatii mici a unor factori de mediu:

Smart materials materiale destepte, Inteligent materials materiale inteligente, Active materials materiale active,

Adaptive materials materiale adaptive, Smart devices, smart systems, smart structure.

Intrarea sau stimulul poate fi de exemplu o schimbare de temperatura, de pH (pentru sistemeleaflate in mediu apos) sau un camp magnetic. Materialul raspunde printr-un semnal de ieire,care poate fi de exemplu o schimbare de lungime a materialului, modificare de vscozitatesau de conductivitate electric.

Materiale polimere inteligente

Solubilitatea multor materiale creste cu temperatura. Cu toate acestea exista polimeri care insolutii apoase prezinta in mod distinct o comportare opusa. La o crestere a temperaturii pesteun anumit punct, numit temperatura critica a solutiei(LCST) sau temperatura tranzitiei defaza, se contracta. La valori mai mici decat LCST polimerul este solubil in faza apoasa; pesteLCST polimerul devine insolubil si are loc separarea de faza.

Separari de faza in solutii de polimeri

1


2/12

Forta motrice pentru aceasta tranzitie este guvernata de balanta hidrofil-hidrofoba.

Exemple de polimeri care sufera astfel de tranzitii de faza sunt:-poli(N-izopropil acrilamida)(PNIPAM) sau alte acrilamide substituite;-poli(vinilmetileterul);

-poli(etilenoxid);-hidroxipropilceluloza;-poli(vinil alcool);-poli(etilhidroxietilceluloza);-poli(2-etiloxazolina).

Hidrogeluri

Hidrogelul este o entitate material cu o structur tridimensional format din polimerihidrofili i o important cantitate de ap, cu proprieti intermediare lichidelor i solidelor. ngeneral, cantitatea de ap reprezint mai mult de 20% din greutatea total a hidrogelului. n

cazul n care coninutul de ap depete 95 % din greutatea total, hidrogelul se numetesuperabsorbant.Individualizarea hidrogelurilor de alte biomateriale se face pe baza urmtoarelor aspecte:

, au volum i form proprie;, sunt, n general, medii transparente (incolore sau colorate);, sub aciunea cldurii (uscare) are loc o pierdere accentuat de mas nsoit de o

puternic contracie a volumului;, la solicitrile mecanice reduse au un comportament elastic pronunat;, la eforturi de comprimare de volum are loc contracia volumului i creterea

densitii.Pentru a menine structurile tridimensionale ale hidrogelului literatura de specialitate indicreticularea fizic sau chimic a lanurilor polimerice. n gelurile chimice, lanurile polimericesunt conectate prin legturi covalente i astfel este dificil schimbarea formei acestor geluri.n cazul gelurilor fizice, lanurile polimerice formeaz legturi necovalente cum ar fi: legturiVan der Waals, legturi ionice, legturi de hidrogen sau interaciuni hidrofobe.

Continuitatea reelei tridimensionale mparte hidrogelurile n:

- continue care la ndeprtarea apei prin evaporare se contract i conserv continuitateasuprafeei de material;

- discontinue care prin uscare se contract, cu separarea suprafeelor ce nfoar reelelecontinue ce aparin volumelor elementare.Topologia reelei tridimensionale continue este foarte diversificat i depinde de mai mulifactori: structura polimerului, structura punilor intermoleculare, numrul i dispunerealegturilor intermoleculare fa de planul catenelor macromoleculare.

Din punct de vedere al compoziiei chimice materialele sub form de hidrogeluri suntconstituite din urmtoarele substane:- material polimeric 2 % 80 %;- ap 20 % - 98 %;- auxiliari 0,1 % - 5 %.

2


3/12

n calitate de auxiliari, hidrogelurile pot conine:- acizi sau baze solubile n ap;- sruri solubile i/sau insolubile n ap;- ageni activi de suprafa;

- compui biologic activi: medicamente, enzime, proteine, etc;- colorani;- materiale de umplutur, etc.

Din considerente fizico-chimice, hidrogelurile sunt sisteme macromoleculare gonflate(umflate), cu solventul specific (ap sau soluii apoase). Pentru un sistem binar constituit dinBPR i ap, cantitatea total de solvent coninut este alctuit din dou componente:- solventul fixat de polimer prin legturi de solvatare;- solventul liber nelegat, nglobat n ochiurile reelei tridimensionale.Hidrogeluri sensibile la mediu (HG Inteligente)

3


4/12

S-a demonstrat experimental existena unor hidrogeluri cu funcii adiionale, cum ar fiabilitatea lor de a se umfla sau contracta ca rspuns la un semnal din mediu. Acestehidrogeluri cu funcii adiionale au fost denumite hidrogeluri inteligente.

Cele mai cunoscute hidrogeluri inteligente sunt cele care rspund (prin umflare, contracie

sau degradare) la schimbrile condiiilor de mediu. De aceea, aceste hidrogeluri suntcunoscute i sub numele de hidrogeluri sensibile la mediu.Una din proprietile importante ale acestor hidrogeluri este schimbarea gradului de umflare,uneori aceasta avnd loc brusc la modificri mici ale factorilor de mediu.

Factorii de mediu care produc o modificare brusc de volum a hidrogelului sunt reprezentaide:- pH;- temperatur;- cmp electric;- trie ionic;

- tipul srii;- solvent;- stress;- lumin;- presiune.

4

Hidrogel

Sti

P

Trie


5/12

Metode de

reticulare

? fr auxiliari

(autoreticulare)

- dehidrotermic- termic- cu radiaii- sonic- magnetic- combinat

nepolimerizabili

polimerizabili

micromoleculari

? cu auxiliari

cu enzime

incatenabilineincatenabili

-bifuncionali-polifuncionali

cu iniiatoricu surse de

energie

macromoleculari

? combinat

Metode de obtinere a hidrogelurilor

1.ReticulareaCea mai important metod de sintez a reelei tridimensionale a hidrogelurilor estereticularea.

Reticularea cu auxiliari micromoleculari nepolimerizabili incatenabili i polimerizabili cuiniiatori i surse de energie sunt cele mai folosite metode pentru obinerea hidrogenurilor.Gruprile funcionale ale auxiliarilor micromoleculari nepolimerizabili incatenabili suntreprezentate de:aldehide: anhidride: epoxizi:

izocianai: cloruri acide: azide:

O C N

esteri actizi: metilol: imidoesteri:

HOCH2NH

5

O

C

H

H

O

C

O

O

CO

CH2 CH

O

C

R

ClO

N3 C

O

RaO C

NH

RO C


6/12

Amestecare

Amestecare

Profilare

Reticulare

Hidro el

polimer

ageni de

reticulare

auxiliari

ap

Emulsionare -Reticulare

Decantare el

Preci itare

Filtrare

Uscare

Umflare

Hidro el

Polimer 1

ageni dereticulare

Super

natant

ap (soluie apoas)

solvent organic

miscibil

solvent organic

nemiscibil

Amestecare Amestecare

Polimer 2ap

Emulsie

uzat

Metode operaren funcie de modul de operare se folosesc urmtoarele procedee pentru obtinereahidrogelurilor:

Polimer apa

Agenti de reticulare auxiliari

Procedeu direct n mediu apos

Procedeu indirect eterogen lichid-lichid

6


7/12

Amestecare

Amestecare

Profilare

Reticulare

Uscare

Umflare

Hidrogel

Polimer1

ageni de

reticulare

solvent

organic

ap (soluie apoas)

Polimer2 (sau soluie nsolvent organic)

solvent organic

Procedeu indirect omogen

Domeniul de utilizare Avantaje

Chirurgie / Implanturi

Cost redus, suficient de sigure comparativ cu alte materialeutilizate;Biocompatibile / Bioresorbabile;Se pot modifica caracteristicile vsco-elastice prin variereacondi iilor de obinere, rezultnd produse cu proprietile dorite;

Sisteme de eliberare amedicamentelor

Uor de ncorporat o mare varietate de substanemedicamentoase;Utilizabili n aplica ii transdermale, trans-mucosale, ionoforez;Cresc absorb ia medicamentelor prin hidratarea local;

Schelete tisulare

Posibilitatea form rii la temperaturi joase permit includerea decelule la nivelul precursorilor hidrogelului;

Bioresorbabile / BiocompatibileUor de modelat n diverse forme i dimensiuni;

BioadeziviNivelele de adezivitate pot fi foarte u or modulate;Se ndep rteaz foarte uor, fr a lsa reziduuri i fr atraumatiza esuturile fragile;

Electrozi sub form degel

Nu irit pielea;Nu las reziduuri la ndeprtare;Se poate modula conductivitatea electric ;Pot fi modela i n forme foarte diverse;

Nivelul de adezivitate este variabil;

Pansamente pentrurni i arsuri

Propriet i foarte bune de vindecare;Barier antimicrobian;Permeabilitate mare pentru oxigen;Absoarbe exudatele;Pot fi u or ncorporate substanele medicamentoase;Se ndep rteaz uor, fr, reziduuri;Sunt pansamente de elec ie pentru diverse caviti;

7


8/12

Aplicatii ale hidrogelurilor

1.Aplicaii oftalmologiceUna dintre cele mai vechi bioaplicaii ale hidrogelurilor este cea din domeniul oftalmologiei. n1955, Wichterle i Lim au gsit excelente caliti optice ale polimerului PHEMA iar n 1961 s-adescoperit procesul de preparare a lentilelor de contact moi pe baz de PHEMA .

Materialele folosite la prepararea lentilelor de contact moi trebuie s ofere filmelor transparenoptic, stabilitate chimic i termic, proprieti mecanice corespunztoare i modul de elasticitatesczut.

Lentilele de contact moi, spre deosebire de cele rigide, au o permeabilitate crescut la oxigenmpiedicnd absorbia proteinelor la suprafaa lentilei.2. Aplicatii ale polimerilor termo-sensibili in ingineria tisularaUtilizarea polimerilor termo-sensibili in domeniul inginerie tisulare face apel la capacitatea decomutare a balantei hidrofil-hidrofobe. Aceasta proprietate s-a speculat si in cazul polimerului:

poli(N-izopropil-acrilamida)- PNIPAM.Atunci cnd se realizeaza culturi tisulare, se folosesc enzime (de exemplu tripsina) pentru a detasa

celulele cultivate din vasele de cultura, inainte de a fi utilizate pentru alte culturi. Dintre celuleletratate cu tripsina doar 14% pot fi utilizate intr-o noua cultura celulara, celelalte fiind deterioratede enzima in timpul detasarii. Pentru a evita aceste fenomene s-a incercat grefarea celulelor pePNIPAM, la o temperatura peste 32oC, cnd polimerul adopta o conformatie care permitegruparilor hidrofobe sa se expuna, permitnd astfel aderarea celulelor. La o valoare mai mica detemperatura, celulele vor fi respinse intruct PNIPAM devine hidrofil si atrage apa. Deci, cndcreste temperatura cea mai mare parte a celulelor pot fi detasate si recuperate. Dintre acestea cca.73% adera din nou cnd sunt depuse in vase noi.

Aceasta metoda care utilizeaza polimeri sensibili la temperatura prezinta o serie de avantaje:- se elimina riscul contaminarii;- este simpla si ieftina;- nu se limiteaza la tipuri de celule rezistente la enzima;- vasele cu polimer pot fi utilizate de mai multe ori deoarece procesul

este reversibil.Pe acelasi principiu se bazeaza preparareasferoizilor regulatiformati din fibroblaste dermiceumane.

Hidrogelurile fotopolimerizabile bazate pe poli-etilenoxid (PEO), au fost investigate ca scheletpentru cartilajul obinut prin tehnici de inginerie genetic. Primele ncercri n acest sens i aparin

8


9/12

lui Eilsseeff, care a studiat hidrogeluri din PEO fotoreticulate transdermal, pentru a transplantacelule cartilaginoase la oareci lipsii de timus, n vederea sintetizrii unui neocartilaj in vivo.

S-a mai ncercat utilizarea poli-etilenoxid dimetacrilat (PEODM, MW 3400).

Fotoreticularea poli-etilenoxid dimetacrilat

3.Utilizarea polimerilor termo-sensibili la obtinerea preparatelor farmaceuticeInteresul utilizarii materialelor sensibil stimulative in sistemele de eliberare controlata amedicamentelor a crescut continuu in ultimii 15-20 ani. Utiliznd polimeri temo-sensibili,moleculele de medicament sunt preluate si blocate intr-o retea de hidrogeluri sau microgeluri, deunde sunt eliberate la o modificare a temperaturii. De exemplu, in cazul PNIPAM, medicamentelesolubile in apa sunt preluate usor in reteaua umflatain apa la temperatura camerei. Cnd sistemulintra in contact cu organismul(37oC), reteaua se contracta, eliminnd apa interstitiala impreuna cu

medicamentul.Pe de alta parte, medicamentele hidrofobe tind sa fie imobilizate in reteaua polimerica la ovaloare de temperatura mai mare dect LCST si sa difuzeze la temperaturi mai mici de LCST. Se

poate realiza o eliberare pulsatorie a medicamentului daca se utilizeaza hidrogeluri de PNIPAM.Aceste sisteme pot fi folosite in cazul medicamentelor administrate oral si injectabil. Raspunsultermic al sistemelor vectoriale de medicamente poate orienta substanta activa prin incalzirealocala a corpului

Solubilitatea medicamentelor in matricea de PNIPAM

PNIPAM prezinta excelente proprietati de umflare insa are proprietati mecanice slabe, ceea ce ii

limiteaza apliicabilitatea. Pentru a rectifica acest neajuns s-a recurs la copolimeri cu

9


10/12

butilmetacrilat (BMA). S-au realizat membrane pe baza de poli(NIPAM-co-BMA) care potcontrola permeabilitatea glucozei si a insulinei.

Eliberarea pulsatorie a medicamentului din reteaua polimerica

Comutatori si dispozitive de actionare

Potentialul crearii materialelor inteligente se bazeaza si pe utilizarea polimerlor termosensibili.Recent s-a realizat o retea semi-IPN(un amestec de doi polimeri diferiti ale caror catene suntimpletite pe baza de PNIPAM si poli(acrilamida)PAAM. Sensibilitatea la temperatura a luiPNIPAM si sensibilitatea la concentratia solventului (acetona) a lui PAAM reprezintamecanismul de control. In acest mod, in nodurile retelei, unde cei doi polimeri interpenetreaza,contractia unui polimer, celalat ramanand nemodificat, conduce la indoirea gelului.

Modul de actionare al gelului

10


11/12

Numarul de puncte de indoire determina atingerea formelor dorite. Un bi-gel desfacut se va indoiintr-un semicerc ca raspuns la o crestere a temperaturii sau o marire a concentratiei acetonei.Forma gelului cu memorie poate fi rectilinie, pentagonala sau cadrilater, in functie detemperatura.

Gelul fixat este proiectat sa prinda sau sa elibereze un obiect prin ajustarea temperaturii. Diferentaintre coeficientii de expansiune termici a celor doua geluri este mult mai mare decat intre douametale si, de aceea, bi-gelurile sunt mult mai sensibile la mediul inconjurator decat bimetalelesi pot fi folosite in robotica. Gelurile de PNIPAM sunt sensibile si la radiatiile UV. Raspunsul decontractie este rezultatul incalzirii retelei polimerice sub actiunea luminii. Timpul de raspuns agelului este de aproximativ 5ms si sugereaza folosirea acestor sisteme la realizarea muschiuluiartificial.

Suprafata poroasa a sistemului hidrogel P(MAA-g-EG) raspunde la prezenta glucozei.Hidrogel sensibil la pH

11

R

R

NH3+

NH3+

N Hydrophobic side chain

O

R

R

NH2

NH2

N Hydrophobic side chain

O

pH6.5 bufferR= polymer backbone


12/12

Hidrogel sensibil la pH si temperatura

Senzor implantabil pentru glucoza

Senzor implantabil pentru glucoza

-celuledistruse

Reducereinsulina

Solutie:Marireaconcentratieiinsulinei in

sange

DIABETULTip I: Afectiune determina de sistemul imun

Complicatii petermen lung

Factori combinati careconduc la scaderea nivelului

insulinei

Tip II: Nu pe deplin inteles

12

Documents

Biomateriale - Materiale Inteligente