Биоматериалы обладают различной степенью совместимости с суровыми условиями живого организма. Они должны не вступать в химическую и физическую реакцию с телом, а также интегрироваться при депонировании в ткани. [1] Степень совместимости зависит от области применения и требуемого материала. Часто требуется модификация поверхности системы биоматериалов, чтобы максимизировать производительность. Поверхность можно модифицировать разными способами, включая плазменную модификацию и нанесение покрытий на подложку. Модификации поверхности могут использоваться для воздействия на поверхностную энергию , адгезию , биосовместимость , химическую инертность, смазывающую способность, стерильность , асептику , тромбогенность., подверженность коррозии , разложению и гидрофильность .
Предпосылки создания полимерных биоматериалов
Политетрафторэтилен (тефлон)
Тефлон - это гидрофобный полимер, состоящий из углеродной цепи, насыщенной атомами фтора. Связь фтор-углерод в основном ионная, что дает сильный диполь. Диполь предотвращает восприимчивость тефлона к силам Ван-дер-Ваальса , поэтому другие материалы не прилипают к поверхности. [2] Тефлон обычно используется для уменьшения трения в биоматериалах, таких как артериальные трансплантаты, катетеры и покрытия проводников.
Полиэфирэфиркетон (PEEK)
PEEK - полукристаллический полимер, состоящий из бензольных, кетоновых и эфирных групп. PEEK известен своими хорошими физическими свойствами, включая высокую износостойкость и низкое влагопоглощение [3], и использовался для биомедицинских имплантатов из-за его относительной инертности внутри человеческого тела.
Плазменная модификация биоматериалов
Плазменная модификация - это один из способов изменить поверхность биоматериалов для улучшения их свойств. Во время методов плазменной модификации поверхность подвергается воздействию высоких уровней возбужденных газов, которые изменяют поверхность материала. Плазма обычно генерируется радиочастотным (RF) полем. Дополнительные методы включают приложение большого (~ 1 кВ) постоянного напряжения к электродам, находящимся в газе. Затем плазма используется для обнажения поверхности биоматериала, который может разрушать или образовывать химические связи. Это результат физических столкновений или химических реакций возбужденных молекул газа с поверхностью. Это изменяет химический состав поверхности и, следовательно, поверхностную энергию материала, что влияет на адгезию, биосовместимость, химическую инертность, смазывающую способность и стерилизацию материала. В таблице ниже показано несколько применений биоматериалов для плазменной обработки. [4]
Применение плазменной терапии | Устройства | Материалы | Цели |
---|---|---|---|
Биосенсор | Сенсорные мембраны, диагностические биосенсоры | ПК, целлюлоза, купрофан, полипропилен, полистирол | Иммобилизация биомолекул, не обрастающие поверхности |
Сердечно-сосудистые | Сосудистые трансплантаты, Катетеры | ПЭТ, ПТФЭ, ПЭ, SiR | Улучшенная биосовместимость, адаптация смачиваемости, смазывающие покрытия, пониженное трение, антимикробные покрытия |
Стоматологический | Зубные имплантаты | Ti сплавы | Повышенный рост клеток |
Ортопедический | Суставы, связки | СВМПЭ , ПЭТ | Повышение адгезии костей, усиление роста тканей |
Другие | Общее использование | Пример | Стерилизация, Очистка поверхностей, Протравливание, Повышение адгезии, Изменение смазывающей способности |
В таблице использованы сокращения: PC: поликарбонат, PS: полистирол, PP: полипропилен, PET: полиэтилентерефталат, PTFE: политетрафторэтилен, UHMWPE: полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы, SiR: силиконовый каучук.
Поверхностная энергия
Поверхностная энергия равна сумме разрушенных молекулярных связей , которые происходят на границе раздела между двумя различными фазами. Поверхностная энергия может быть оценена путем измерения угла смачивания с использованием версии уравнения Юнга – Лапласа :
Где - поверхностное натяжение на границе твердого тела и пара, - поверхностное натяжение на границе твердого тела и жидкости, а - поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и пара. Методы плазменной модификации изменяют поверхность материала, а затем и поверхностную энергию. Затем изменения поверхностной энергии изменяют поверхностные свойства материала.
Функционализация поверхности
Методы модификации поверхности широко исследуются для применения адсорбирующих биологических молекул. Функционализацию поверхности можно выполнить, подвергая поверхности воздействию высокочастотной плазмы. Многие газы можно возбуждать и использовать для придания функциональности поверхностям в самых разных сферах применения. Общие методы включают использование воздушной плазмы, кислородной плазмы и аммиачной плазмы, а также других экзотических газов. Каждый газ может оказывать различное воздействие на субстрат. Эти эффекты со временем ослабевают по мере того, как происходят реакции с молекулами воздуха и загрязнения.
Плазменная терапия для уменьшения тромбообразования
Обработка плазмы аммиаком может использоваться для присоединения аминогрупп. Эти функциональные группы связаны с антикоагулянтами, такими как гепарин, снижающими тромбогенность. [6]
Ковалентная иммобилизация с помощью газоплазменного тлеющего разряда RF
Полисахариды использовались в качестве тонкопленочных покрытий для поверхностей биоматериалов. Полисахариды чрезвычайно гидрофильны и имеют небольшой угол смачивания . Благодаря широкому диапазону составов их можно использовать для самых разных целей. Их можно использовать для уменьшения адсорбции белков на поверхности биоматериалов. Кроме того, они могут использоваться в качестве рецепторных сайтов, нацеленных на определенные биомолекулы. Это можно использовать для активации определенных биологических реакций.
Ковалентное прикрепление к субстрату необходимо для иммобилизации полисахаридов, иначе они будут быстро десорбироваться в биологической среде. Это может быть проблемой из-за того, что большинство биоматериалов не обладают свойствами поверхности ковалентно связывать полисахариды. Это может быть достигнуто путем введения аминогрупп плазмой тлеющего разряда ВЧ. Газы, используемые для образования аминогрупп, включая пары аммиака или н-гептиламина, можно использовать для нанесения тонкопленочного покрытия, содержащего поверхностные амины. Полисахариды также должны активироваться окислением субъединиц ангидроглюкопиранозида. Это можно дополнить метапериодатом натрия (NaIO 4 ). Эта реакция превращает субъединицы ангидроглюкопиранозида в циклические полуацетальные структуры, которые могут реагировать с аминогруппами с образованием связи основания Шиффа (двойной связи углерод-азот). Эти связи нестабильны и легко разъединяются . Цианоборгидрид натрия (NaBH 3 CN) можно использовать в качестве стабилизатора, восстанавливая связи обратно до амина. [7]
Очистка поверхностей
Существует множество примеров загрязнения биоматериалов, специфичных для процесса приготовления или производства. Кроме того, почти все поверхности подвержены загрязнению воздуха органическими примесями. Слои загрязнения обычно ограничиваются монослоем или меньшим количеством атомов и, таким образом, могут быть обнаружены только методами анализа поверхности, такими как XPS. Неизвестно, вредно ли такое загрязнение, но оно по-прежнему считается загрязнением и наверняка повлияет на свойства поверхности.
Обработка плазмой тлеющего разряда - это метод, который используется для очистки поверхностей биоматериалов от загрязнений. Плазменная обработка использовалась для различных биологических оценочных исследований для увеличения поверхностной энергии поверхностей биоматериалов, а также для очистки. [8] Плазменная обработка также была предложена для стерилизации биоматериалов для потенциальных имплантатов. [9]
Модификация биоматериалов полимерными покрытиями
Другой метод изменения поверхностных свойств биоматериалов - это покрытие поверхности. Покрытия используются во многих сферах применения для улучшения биосовместимости и изменения свойств, таких как адсорбция, смазывающая способность, тромбогенность, разложение и коррозия.
Адгезия покрытий
В общем, чем ниже поверхностное натяжение жидкого покрытия, тем легче будет сформировать из него удовлетворительную влажную пленку. Разница между поверхностным натяжением покрытия и поверхностной энергией твердой подложки, на которую нанесено покрытие, влияет на то, как жидкое покрытие течет по подложке. Это также влияет на прочность адгезионного соединения между основанием и сухой пленкой. Если, например, поверхностное натяжение покрытия выше, чем поверхностное натяжение основы, то покрытие не будет растекаться и образовывать пленку. По мере увеличения поверхностного натяжения субстрата оно достигнет точки, при которой покрытие будет успешно смачивать субстрат, но будет иметь плохую адгезию. Постоянное увеличение поверхностного натяжения покрытия приведет к лучшему смачиванию при образовании пленки и лучшей адгезии сухой пленки. [10]
Более конкретно, будет ли жидкое покрытие растекаться по твердой подложке, можно определить по поверхностной энергии задействованных материалов, используя следующее уравнение:
Где S - коэффициент растекания, - поверхностная энергия субстрата в воздухе, - поверхностная энергия жидкого покрытия в воздухе и - межфазная энергия между покрытием и подложкой. Если S положительный, жидкость покроет поверхность, и покрытие будет хорошо держаться. Если S отрицательно, покрытие не будет полностью покрывать поверхность, вызывая плохую адгезию.
Защита от коррозии
Органические покрытия - распространенный способ защиты металлической основы от коррозии . Вплоть до 1950 г. считалось, что покрытия действуют как физический барьер, не позволяющий влаге и кислороду контактировать с металлической подложкой и образовывать коррозионную ячейку. Этого не может быть, потому что проницаемость лакокрасочных пленок очень высока. С тех пор было обнаружено, что защита стали от коррозии во многом зависит от адгезии некоррозионного покрытия в присутствии воды. При низкой адгезии осмотические клетки образуются под покрытием под давлением, достаточным для образования пузырей, которые открывают доступ к более незащищенной стали. Также были предложены дополнительные неосмотические механизмы. В любом случае для защиты от коррозии требуется достаточная адгезия, чтобы противостоять силам смещения. [12]
Направляющие провода
Направляющие проволоки являются примером применения биомедицинских покрытий. Направляющие проволоки используются при коронарной ангиопластике для коррекции последствий ишемической болезни сердца - заболевания, при котором на стенках артерий накапливаются бляшки. Направляющий провод продевается через бедренную артерию до препятствия. Направляющий провод направляет баллонный катетер к препятствию, в котором катетер надувается, чтобы прижать бляшку к стенкам артерии. [13] Направляющие проволоки обычно изготавливаются из нержавеющей стали или нитинола и требуют полимерного покрытия в качестве модификации поверхности для уменьшения трения в артериях. Покрытие направляющей проволоки может повлиять на отслеживаемость или способность проволоки проходить через артерию без перегиба, на тактильные ощущения или способность врача чувствовать движения проволочного проводника, а также на тромбогенность проволоки.
Гидрофильные покрытия
Гидрофильные покрытия могут снизить трение в артериях до 83% по сравнению с неизолированными проводами из-за их высокой поверхностной энергии. [14] Когда гидрофильные покрытия вступают в контакт с жидкостями организма, они образуют восковую текстуру поверхности, которая позволяет проволоке легко скользить по артериям. Направляющие проволоки с гидрофильным покрытием имеют повышенную отслеживаемость и не очень тромбогенны; однако низкий коэффициент трения увеличивает риск проскальзывания проволоки и перфорации артерии. [15]
Гидрофобные покрытия
Тефлон и силикон - это обычно используемые гидрофобные покрытия для коронарных направляющих проводов. Гидрофобные покрытия имеют более низкую поверхностную энергию и снижают трение в артериях до 48%. [14] Гидрофобные покрытия не должны контактировать с жидкостями для образования скользкой текстуры. Гидрофобные покрытия сохраняют тактильные ощущения в артерии, давая врачам полный контроль над проволокой в любое время и снижая риск перфорации; однако покрытия более тромбогенные, чем гидрофильные. [15] Тромбогенность возникает из-за того, что белки крови адаптируются к гидрофобной среде, когда они прикрепляются к покрытию. Это вызывает необратимые изменения в белке, и белок остается прилипшим к покрытию, позволяя образоваться сгустку крови. [16]
Проводники, совместимые с магнитным резонансом
Использование МРТ для визуализации направляющего провода во время использования будет иметь преимущество перед использованием рентгеновских лучей, поскольку при продвижении направляющего провода можно исследовать окружающие ткани. Поскольку большинство материалов сердечника направляющих проводов изготовлены из нержавеющей стали, их невозможно визуализировать с помощью МРТ. Нитиноловые нити не являются магнитными и потенциально могут быть отображены, но на практике проводящий нитинол нагревается под действием магнитного излучения, которое может повредить окружающие ткани. Альтернатива, которая изучается, заключается в замене современных направляющих проволок сердечниками из PEEK, покрытых синтетическими полимерами с заделанными частицами железа. [17]
Материал | Поверхностная энергия (мН / м) |
---|---|
Тефлон | 24 [11] |
Силикон | 22 [18] |
PEEK | 42,1 [19] |
Нержавеющая сталь | 44,5 [20] |
Нитинол | 49 [21] |
Рекомендации
- ^ Амид, ПК; Шульман, АГ; Лихтенштейн, Иллинойс; Хакаха, М. (1994). «Биоматериалы для хирургии грыж брюшной стенки и принципы их применения». Langenbecks Archiv für Chirurgie . 379 (3): 168–71. DOI : 10.1007 / BF00680113 . PMID 8052058 .
- ^ Мюллер, Аня (2006). «Фторированные гиперразветвленные полимеры» . Сигма Олдрич . Проверено 19 мая 2013 года .
- ^ «Технические характеристики PEEK (полиэфирэфиркетон)» . Boedeker Plastics . 2013 . Проверено 20 мая 2013 года .
- ^ Ло, Их-Хунг. «Модификация поверхности плазмы в биомедицинских приложениях» (PDF) . Технический журнал AST . Архивировано из оригинального (PDF) 14 мая 2008 года.
- ^ Зисман, WA (1964). «Связь равновесного контактного угла с жидким и твердым телом». В Фауксе, Фредерик М. (ред.). Контактный угол, смачиваемость и адгезия . Успехи химии. 43 . С. 1–51. DOI : 10.1021 / ба-1964-0043.ch001 . ISBN 978-0-8412-0044-9.
- ^ Юань, Шэнмэй; Сакалас-Грацл, Дьёнджи; Зиац, Николай П .; Якобсен, Дональд В .; Коттке-Марчант, Кандице; Марчант, Роджер Э. (1993). «Иммобилизация олигосахаридов гепарина с высоким сродством к полиэтилену, модифицированному радиочастотной плазмой». Журнал исследований биомедицинских материалов . 27 (6): 811–9. DOI : 10.1002 / jbm.820270614 . PMID 8408111 .
- ^ Дай, Лиминг; Стджон, Хизер А.В.; Би, Цзинцзин; Зиентек, Пол; Шателье, Рональд С.; Гриссер, Ханс Дж. (2000). «Биомедицинские покрытия путем ковалентной иммобилизации полисахаридов на поверхности полимеров, активируемых газовой плазмой». Поверхностный и интерфейсный анализ . 29 : 46–55. DOI : 10.1002 / (SICI) 1096-9918 (200001) 29: 1 <46 :: AID-SIA692> 3.0.CO; 2-6 .
- ^ ден Брабер, штат Восток; de Ruijter, JE; Smits, HTJ; Ginsel, LA; фон Рекум, AF; Ямсен, Дж. А. (1995). «Влияние параллельных поверхностных микроканавок и поверхностной энергии на рост клеток». Журнал исследований биомедицинских материалов . 29 (1): 511–518. DOI : 10.1002 / jbm.820290411 . hdl : 2066/21896 . PMID 7622536 .
- ^ Aronsson, B.-O .; Lausmaa, J .; Касемо, Б. (1997). «Обработка плазмой тлеющего разряда для очистки поверхности и модификации металлических биоматериалов». Журнал исследований биомедицинских материалов . 35 (1): 49–73. DOI : 10.1002 / (SICI) 1097-4636 (199704) 35: 1 <49 :: AID-JBM6> 3.0.CO; 2-M . PMID 9104698 .
- ^ «Поверхностное натяжение, поверхностная энергия, угол смачивания и адгезия» . Ассоциация Исследования Краски . 2013. Архивировано из оригинала 9 января 2013 года . Проверено 22 мая 2013 года .
- ^ а б Ван Изегем, Лоуренс. «Покрытие пластмасс - некоторые важные концепции с точки зрения разработчиков рецептур» . Van Technologies Inc . Проверено 2 июня 2013 года .
- ^ ZW Wicks; Фрэнк Н. Джонс; С. Питер Паппас; Дуглас А. Уикс. Наука и технология органических покрытий (2-е расширенное издание). Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc.[ требуется страница ]
- ^ Гандельман, Гленн (22 марта 2013 г.). «Чрескожная транслюминальная коронарная ангиопластика (ЧТКА)» . Медлайн Плюс . Проверено 19 мая 2013 года .
- ^ а б Шредер, Дж (1993). «Механические свойства проволочного направителя. Часть III: Трение скольжения». Сердечно-сосудистая и интервенционная радиология . 16 (2): 93–7. DOI : 10.1007 / BF02602986 . PMID 8485751 .
- ^ а б Эрглис, Андрейс; Нарбуте, Инга; Сондор, Даце; Могила, Алона; Jegere, Санда (2010). «Инструменты и методы: коронарные проводники» . Евроинтервенция . 6 (1): 168–9. DOI : 10.4244 / eijv6i1a24 . PMID 20542813 .
- ^ Лабарр, Дени (2001). «Повышение совместимости полимерных поверхностей с кровью» . Тенденции в области биоматериалов и искусственных органов . 15 (1): 1–3. Архивировано из оригинала на 2016-03-04 . Проверено 16 июня 2013 .
- ^ Мекле, Ральф; Хофманн, Ойген; Шеффлер, Клаус; Билецен, Дениз (2006). «МРТ-совместимый проводник на полимерной основе: исследование для изучения новых перспектив интервенционной периферической магнитно-резонансной ангиографии (ipMRA)» . Журнал магнитно-резонансной томографии . 23 (2): 145–55. DOI : 10.1002 / jmri.20486 . PMID 16374877 .
- ^ Thanawala, Shilpa K .; Чаудхури, Манодж К. (2000). «Модификация поверхности силиконового эластомера с использованием перфторированного эфира». Ленгмюра . 16 (3): 1256–60. DOI : 10.1021 / la9906626 .
- ^ «Данные по поверхностной энергии твердого тела (SFE) для обычных полимеров» . 20 ноября 2007 . Проверено 2 июня 2013 года .
- ^ «Избранные литературные значения свободной поверхностной энергии твердых тел» . Архивировано из оригинального 29 мая 2013 года . Проверено 5 июня 2013 года .
- ^ Мичиарди, Александра; Апарисио, Конрадо; Ратнер, Бадди Д .; Planell, Josep A .; Гил, Хавьер (2007). «Влияние поверхностной энергии на конкурентную адсорбцию белка на окисленных поверхностях NiTi». Биоматериалы . 28 (4): 586–94. DOI : 10.1016 / j.biomaterials.2006.09.040 . PMID 17046057 .