Biyomateryal sirtini o'zgartirishlar - Biomaterial Surface Modifications

Biyomateriallar tirik organizmdagi qattiq muhit bilan har xil darajada mosligini namoyish etadi. Ular organizm bilan kimyoviy va fizik jihatdan reaktiv bo'lmasligi, shuningdek to'qimalarga biriktirilishi kerak.[1] Muvofiqlik darajasi talab qilinadigan dastur va materialga qarab farq qiladi. Ishlashni maksimal darajaga ko'tarish uchun ko'pincha biomaterial tizimining sirtini o'zgartirish talab etiladi. Sirtni ko'p jihatdan o'zgartirish mumkin, shu jumladan plazma modifikatsiyasi va substratga qoplamalarni qo'llash. Ta'sir qilish uchun sirt modifikatsiyasidan foydalanish mumkin sirt energiyasi, yopishqoqlik, biokompatibillik, kimyoviy inertlik, moylash, sterillik, asepsiya, trombogenlik, sezuvchanlik korroziya, degradatsiya va hidrofillik.

Polimer biomateriallari haqida ma'lumot

Polietetrafloroetilen (teflon)

Teflon ftor atomlari bilan to'yingan uglerod zanjiridan tashkil topgan hidrofobik polimerdir. Ftor-uglerod aloqasi asosan ionli bo'lib, kuchli dipol hosil qiladi. Dipol teflonni sezgir bo'lishiga yo'l qo'ymaydi Van der Vals kuchlari, shuning uchun boshqa materiallar yuzaga yopishmaydi.[2] Teflon, odatda, arterial payvandlash, kateterlar va hidoyat simlarini qoplash kabi biomaterial dasturlarda ishqalanishni kamaytirish uchun ishlatiladi.

Polietereterketon (PEEK)

Polietereterketon (PEEK) - bu termoplastik, yarim kristalli polimer. Orqa miya efir, keton va benzol guruhlaridan iborat

PEEK benzol, keton va efir guruhlaridan tashkil topgan yarim kristalli polimerdir. PEEK yuqori fizikaviy xususiyatlarga ega, shu jumladan yuqori aşınma qarshilik va namlikni past singdiradi [3] va inson tanasi ichidagi nisbatan inertligi tufayli biotibbiyot implantlari uchun ishlatilgan.

Biyomateriallarning plazma modifikatsiyasi

Plazmadagi modifikatsiya - bu ularning xususiyatlarini oshirish uchun biomateriallarning sirtini o'zgartirish usullaridan biridir. Plazma modifikatsiyalash texnikasi paytida sirt materialning sirtini o'zgartiradigan yuqori darajada qo'zg'atilgan gazlarga ta'sir qiladi. Plazma odatda a bilan hosil bo'ladi radio chastotasi (RF) maydon. Qo'shimcha usullarga gazga singib ketgan elektrodlar bo'ylab katta (~ 1KV) doimiy kuchlanishni kiritish kiradi. Keyinchalik plazma biomaterial sirtini ochish uchun ishlatiladi, bu esa kimyoviy aloqalarni uzishi yoki hosil qilishi mumkin. Bu qo'zg'atilgan gaz molekulalarining sirt bilan fizik to'qnashuvi yoki kimyoviy reaktsiyalarining natijasidir. Bu materialning sirt kimyosini va shuning uchun materialning yopishqoqligi, biologik mosligi, kimyoviy inertligi, moylanishi va sterilizatsiyasiga ta'sir qiluvchi sirt energiyasini o'zgartiradi. Quyidagi jadvalda plazma bilan davolashning bir nechta biomaterial qo'llanilishi ko'rsatilgan.[4]

Plazma bilan davolash usullarining qo'llanilishiQurilmalarMateriallarMaqsadlar
BiosensorSensor membranalari, diagnostik biosensorlarKompyuter, tsellyuloza, kuprofan, PP, PSBiyomolekulalarning immobilizatsiyasi, iflos bo'lmagan yuzalar
Yurak-qon tomirTomir tomirlari, kateterlarPET, PTFE, PE, SiRYaxshilangan biokompatibillik, suv o'tkazuvchanligini tikish, yog'li qoplamalar, ishqalanishning pasayishi, mikroblarga qarshi qoplamalar
TishTish implantlariTi qotishmalariKengaytirilgan hujayra o'sishi
OrtopedikQo'shimchalar, ligamentlarUHMWPE,UY HAYVONISuyak yopishqoqligini kuchaytirish, o'sishdagi to'qimalarning rivojlanishi
BoshqalarUmumiy foydalanishMisolSterilizatsiya, yuzani tozalash, o'yma ishlov berish, yopishqoqlikni targ'ib qilish, yog'ni tikish

Jadvalda ishlatiladigan qisqartmalar: Kompyuter: polikarbonat, PS: polistirol, PP: polipropilen, PET: poli (etilen tereftalat), PTFE: poletetrafloroetilen, UHMWPE: ultra yuqori molekulyar og'irlikdagi PE, SiR: silikon kauchuk

Yuzaki energiya

The sirt energiyasi ikki xil faza oralig'ida yuzaga keladigan buzilgan molekulyar bog'lanishlar yig'indisiga teng. Yuzaki energiyani hisoblash mumkin aloqa burchagi versiyasidan foydalangan holda o'lchovlar Yosh-Laplas tenglamasi:

[5]

Qaerda qattiq va bug 'interfeysidagi sirt tarangligi, qattiq va suyuqlik interfeysidagi sirt tarangligi va suyuqlik va bug 'chegarasidagi sirt tarangligi. Plazmani o'zgartirish texnikasi materialning sirtini va keyinchalik sirt energiyasini o'zgartiradi. Keyinchalik sirt energiyasining o'zgarishi materialning sirt xususiyatlarini o'zgartiradi.

Yuzaki funktsionalizatsiya

Yuzaki modifikatsiya adsorbsion biologik molekulalarni qo'llash bo'yicha texnikalar keng o'rganildi. Yuzaki funktsionalizatsiya yuzalarni RF plazmasiga ta'sir qilish orqali amalga oshirilishi mumkin. Ko'pgina gazlar hayajonlanishi va turli xil ilovalar uchun sirtlarni funktsionalizatsiya qilish uchun ishlatilishi mumkin. Umumiy metodlarga havo plazmasi, kislorod plazmasi va ammiak plazmasi hamda boshqa ekzotik gazlardan foydalanish kiradi. Har bir gaz substratga turli xil ta'sir ko'rsatishi mumkin. Ushbu ta'sir vaqt o'tishi bilan parchalanadi, chunki havo tarkibidagi molekulalar bilan reaksiyalar va ifloslanish paydo bo'ladi.

Bog'lanishdan oldin polimer sirtini funktsionalizatsiya qilish uchun ishlatiladigan argon plazmasi.

Trombogenezni kamaytirish uchun plazma bilan davolash

Aminiy plazma bilan davolash amin funktsional guruhlarini biriktirish uchun ishlatilishi mumkin. Ushbu funktsional guruhlar trombogenlikni pasaytiradigan Geparin kabi antikoagulyantlarga yopishadi.[6]

Gaz plazmasidagi chastotali porlashni tushirish orqali kovalent immobilizatsiya

Polisaxaridlar sifatida ishlatilgan yupqa plyonka biomaterial yuzalar uchun qoplamalar. Polisaxaridlar nihoyatda gidrofil bo'lib, kichik bo'ladi aloqa burchaklari. Kompozitsiyalarining keng doirasi tufayli ular keng ko'lamdagi dasturlarda ishlatilishi mumkin. Ular kamaytirish uchun ishlatilishi mumkin adsorbsiya biomaterial yuzalarga oqsillarni. Bundan tashqari, ular maxsus biomolekulalarga yo'naltirilgan retseptorlari joylari sifatida ishlatilishi mumkin. Bu maxsus biologik reaktsiyalarni faollashtirish uchun ishlatilishi mumkin.

Polisaxaridlarni immobilizatsiya qilish uchun substratga kovalent biriktirish kerak, aks holda ular biologik muhitda tezda ajralib chiqadi. Biyomateriallarning aksariyati polisakkaridlarni kovalent ravishda biriktirish uchun sirt xususiyatlariga ega emasligi sababli bu qiyin bo'lishi mumkin. Bunga kirish orqali erishish mumkin Omin guruhlari chastotali porlashni tushirish plazmasi bilan. Amin guruhlarini hosil qilish uchun ishlatiladigan gazlar, shu jumladan ammiak yoki n-heptilamin bug'lari, sirt aminlarini o'z ichiga olgan ingichka plyonka qoplamasini yotqizish uchun ishlatilishi mumkin. Polisaxaridlar, shuningdek, angidroglyukopiranozid subbirliklarini oksidlash orqali faollashtirilishi kerak. Buni natriy metaperiodat (NaIO) bilan to'ldirish mumkin4). Ushbu reaktsiya anhidroglyukopiranozid subbirliklarini tsiklik gemitsetal tuzilmalarga aylantiradi, ular amin guruhlari bilan reaksiyaga kirishib, Shiff asos bog'lanishini (uglerod-azotli qo'shaloq bog'lanish) hosil qilishi mumkin. Ushbu aloqalar beqaror va osonlikcha amalga oshiriladi ajratmoq. Natriy siyanoborohidrit (NaBH)3CN) stabilizator sifatida amin bilan bog'lanishni kamaytirish orqali ishlatilishi mumkin.[7]

Yuzaki tozalash

Tayyorlash yoki ishlab chiqarish jarayoniga xos bo'lgan biomateriallarning ifloslanishiga oid ko'plab misollar mavjud. Bundan tashqari, deyarli barcha sirtlar havodagi organik aralashmalarning ifloslanishiga moyil. Kontaminatsiya qatlamlari odatda bir qatlamli yoki undan kam atomlar bilan chegaralanadi va shu sababli faqat sirtni tahlil qilish usullari, masalan, XPS bilan aniqlanadi. Bunday ifloslanish zararli ekanligi noma'lum, ammo u hali ham ifloslanish sifatida qabul qilinadi va sirt xususiyatlariga ta'sir qiladi.

Yorqin dezinfektsiyali plazma bilan davolash - bu biomaterial sirtidan ifloslanishni tozalash uchun ishlatiladigan usuldir. Plazma bilan davolash biomaterial sirtlarning sirt energiyasini oshirish, shuningdek tozalash uchun turli xil biologik baholash ishlari uchun ishlatilgan.[8] Plazma bilan davolash ham taklif qilingan sterilizatsiya potentsial implantlar uchun biomateriallarning.[9]

Yorqin plazma tushirish yordamida polimer yuzasini tozalash sxemasi. Adsorbsiyalangan molekulalarning yo'q qilinishiga va osilgan bog'lanishlarning mavjudligiga e'tibor bering.

Polimer qoplamalari bilan biomateriallarni modifikatsiyalash

Biyomateriallarning sirt xususiyatlarini o'zgartirishning yana bir usuli bu sirtni qoplashdir. Qoplamalar biologik moslashishni yaxshilash va adsorbsiya, moylash, trombogenlik, parchalanish va korroziya kabi xususiyatlarni o'zgartirish uchun ko'plab qo'llanmalarda qo'llaniladi.

Qoplamalarni yopishtirish

Umuman olganda, suyuq qoplamaning sirt tarangligi qancha past bo'lsa, undan qoniqarli ho'l plyonka hosil qilish osonroq bo'ladi. Qoplamaning sirt tarangligi va qoplama qo'llaniladigan qattiq substratning sirt energiyasi o'rtasidagi farq suyuqlik qoplamasining substrat ustiga qanday oqib chiqishiga ta'sir qiladi. Bundan tashqari, u substrat va quruq plyonka orasidagi yopishqoq bog'lanishning mustahkamligiga ta'sir qiladi. Masalan, qoplamaning sirt tarangligi substratning sirt tarangligidan yuqori bo'lsa, u holda qoplama yoyilmaydi va plyonka hosil qilmaydi. Substratning sirt tarangligini oshirganda, u qoplamani substratni muvaffaqiyatli namlaydigan, ammo yopishqoqligi past bo'lgan nuqtaga etadi. Qoplama yuzasi tarangligining doimiy o'sishi plyonka hosil bo'lishida namlanish va quruq plyonkaning yaxshi yopishishini keltirib chiqaradi.[10]

Suyuq qoplamaning qattiq substrat bo'ylab tarqalishini aniqrog'i quyidagi tenglama yordamida aralashgan materiallarning sirt energiyasidan aniqlash mumkin:

[11]

Bu erda S - tarqalish koeffitsienti, havodagi substratning sirt energiyasi, havodagi suyuqlik qoplamasining sirt energiyasi va qoplama va substrat orasidagi interfeys energiyasi. Agar S ijobiy bo'lsa, suyuqlik sirtni qoplaydi va qoplama yaxshi yopishadi. Agar S manfiy bo'lsa, qoplama sirtni to'liq qoplamaydi va yomon yopishqoqlikni keltirib chiqaradi.

Korroziyadan himoya

Organik qoplamalar metall substratdan himoya qilishning keng tarqalgan usuli hisoblanadi korroziya. ~ 1950 yilgacha qoplamalar fizik to'siq bo'lib ishlaydi, bu namlik va kislorodni metall substrat bilan aloqa qilishiga va korroziya xujayrasini hosil qilishga imkon bermaydi. Bunday bo'lishi mumkin emas, chunki o'tkazuvchanlik bo'yoq plyonkalari juda yuqori. O'shandan beri po'latni korroziyadan himoya qilish suv mavjud bo'lganda korroziy bo'lmagan qoplamaning yopishishiga katta bog'liqligi aniqlandi. Kam yopishqoqlik bilan qoplama ostida ozmotik hujayralar hosil bo'lib, ular pufakchalarni hosil qilish uchun etarlicha yuqori bosim bilan himoyalanmagan po'latni ochib beradi. Qo'shimcha ozmotik bo'lmagan mexanizmlar ham taklif qilingan. Ikkala holatda ham, korroziyadan himoya qilish uchun siljish kuchlariga qarshilik ko'rsatish uchun etarli darajada yopishish kerak.[12]

Yo'naltiruvchi simlar

Yo'naltiruvchi simlar biomedikal qoplamalar uchun dastur namunasidir. Yo'naltiruvchi simlar ishlatiladi koronar angioplastika ta'sirini to'g'irlash koronar arteriya kasalligi, tomirlarning devorlarida blyashka paydo bo'lishiga imkon beruvchi kasallik. Qo'llanma simi femoral arteriya orqali tiqilib qolguncha tiqiladi. Yo'naltiruvchi sim ballon kateterini blyashka arteriya devorlariga bosish uchun kateter puflanadigan to'siqqa yo'naltiradi.[13] Qo'llanma simlari odatda zanglamaydigan po'latdan yasalgan yoki Nitinol tomirlardagi ishqalanishni kamaytirish uchun sirt modifikatsiyasi sifatida polimer qoplamalarini talab qiladi. Yo'naltiruvchi simning qoplamasi kuzatilishi mumkinligiga yoki simning arteriya bo'ylab tebranmasdan harakatlanishiga, teginish hissiyotiga yoki shifokorning yo'naltiruvchi simning harakatlarini his qilish qobiliyatiga va simning trombogenligiga ta'sir qilishi mumkin.

Gidrofil qoplamalar

Gidrofil qoplamalar yuqori sirt energiyasi tufayli yalang'och simlarga nisbatan tomirlarda ishqalanishni 83% gacha kamaytirishi mumkin.[14] Gidrofil qoplamalar tanadagi suyuqliklar bilan aloqa qilganda, ular tomirlar orqali simni osongina siljishini ta'minlaydigan mumsimon sirt to'qimasini hosil qiladi. Hidrofilik qoplamali hidoyat simlari kuzatuvchanlikni oshirdi va juda trombogen emas; ammo ishqalanishning past koeffitsienti simning sirpanish va arteriyani teshilish xavfini oshiradi.[15]

Hidrofobik qoplamalar

Teflon va Silikon odatda ishlatiladi hidrofob koronar hidoyat simlari uchun qoplamalar. Gidrofob qoplamalar sirt energiyasiga ega emas va tomirlardagi ishqalanishni 48% gacha kamaytiradi.[14] Hidrofobik qoplamalar silliq to'qimalarni hosil qilish uchun suyuqlik bilan aloqa qilishning hojati yo'q. Gidrofobik qoplamalar arteriyada teginish hissiyotini saqlaydi, shifokorlarga simni har doim to'liq nazorat qilish va teshilish xavfini kamaytirish; garchi, qoplamalar gidrofil qoplamalarga qaraganda ko'proq trombogen hisoblanadi.[15] Trombogenlik qondagi oqsillarni qoplamaga yopishganda hidrofob muhitga moslashishiga bog'liq. Bu oqsil uchun qaytarib bo'lmaydigan o'zgarishlarni keltirib chiqaradi va oqsil qon pıhtısı hosil bo'lishiga imkon beruvchi qoplamada qolib ketadi.[16]

Magnit-rezonansga mos keladigan qo'llanma simlari

Dan foydalanish MRI foydalanish paytida yo'naltiruvchi simni tasvirlash rentgen nurlaridan foydalanishdan ustunroq bo'lar edi, chunki atrofdagi to'qimalarni hidoyat paychalarining ulanishi paytida tekshirish mumkin. Ko'pgina yo'naltiruvchi simlarning asosiy materiallari zanglamaydigan po'latdir, chunki ular MRI yordamida tasvirga olinmaydi. Nitinol simlari magnit emas va ularni tasvirlash mumkin, ammo amalda o'tkazuvchan nitinol magnit nurlanish ostida qizib ketadi va atrofdagi to'qimalarga zarar etkazishi mumkin. Tekshirilayotgan muqobil variant - zamonaviy simi sintetik polimerlari bilan temir zarrachalari bilan qoplangan PEEK yadrolari bilan simlarni almashtirish.[17]

MateriallarYuzaki energiya (mN / m)
Teflon24 [11]
Silikon22 [18]
PEEK42.1 [19]
Zanglamaydigan po'lat44.5 [20]
Nitinol49 [21]

Adabiyotlar

  1. ^ Amid, P. K .; Shulman, A. G.; Lixtenshteyn, I. L.; Hakaxa, M. (1994). "Qorin devori churrasi jarrohligi uchun biomateriallar va ularni qo'llash printsiplari". Langenbecks Archiv für Chirurgie. 379 (3): 168–71. doi:10.1007 / BF00680113. PMID  8052058.
  2. ^ Myuller, Anja (2006). "Ftorli giper tarmoqlangan polimerlar". Sigma Aldrich. Olingan 19 may 2013.
  3. ^ "PEEK (PolyEtherEtherKetone) texnik xususiyatlari". Boedeker Plastics. 2013. Olingan 20 may 2013.
  4. ^ Loh, I-Xoung. "Biyomedikal dasturlarda plazma yuzasini o'zgartirish" (PDF). AST Texnik jurnali. Arxivlandi asl nusxasi (PDF) 2008-05-14.
  5. ^ Zisman, V. A. (1964). "Muvozanat aloqa burchagining suyuq va qattiq konstitutsiyaga aloqasi". Foukesda Frederik M. (tahrir). Aloqa burchagi, sızdırmazlık va yopishqoqlik. Kimyo fanining yutuqlari. 43. 1-51 betlar. doi:10.1021 / ba-1964-0043.ch001. ISBN  978-0-8412-0044-9.
  6. ^ Yuan, Shengmey; Szakalas-Gratzl, Gyongyi; Ziats, Nikolay P.; Jakobsen, Donald V.; Kottke-Marchant, Kandice; Marchant, Rojer E. (1993). "Yuqori afinali geparin oligosakkaridlarni radiochastota plazmasida modifikatsiyalangan polietilenga immobilizatsiya qilish". Biomedikal materiallarni tadqiq qilish jurnali. 27 (6): 811–9. doi:10.1002 / jbm.820270614. PMID  8408111.
  7. ^ Day, liming; Stjon, Xezer A. V.; Bi, Tszinjin; Zientek, Pol; Shatelier, Ronald C.; Griesser, Xans J. (2000). "Gaz-plazma bilan faollashtirilgan polimer yuzalarga polisakkaridlarni kovalent immobilizatsiya qilish orqali biomedikal qoplamalar". Yuzaki va interfeyslarni tahlil qilish. 29: 46–55. doi:10.1002 / (SICI) 1096-9918 (200001) 29: 1 <46 :: AID-SIA692> 3.0.CO; 2-6.
  8. ^ den Braber, E.T .; de Ruijter, J.E .; Smits, H.T.J; Ginsel, L.A .; fon Recum, A.F .; Jamsen, J.A. (1995). "Parallel sirtli mikroko'plar va sirt energiyasining hujayralar o'sishiga ta'siri". Biomedikal materiallarni tadqiq qilish jurnali. 29 (1): 511–518. doi:10.1002 / jbm.820290411. hdl:2066/21896. PMID  7622536.
  9. ^ Aronsson, B.-O .; Lausmaa, J .; Kasemo, B. (1997). "Metall biomateriallarni sirtini tozalash va modifikatsiyalash uchun porloq deşarjli plazma bilan ishlov berish". Biomedikal materiallarni tadqiq qilish jurnali. 35 (1): 49–73. doi:10.1002 / (SICI) 1097-4636 (199704) 35: 1 <49 :: AID-JBM6> 3.0.CO; 2-M. PMID  9104698.
  10. ^ "Yuzaki kuchlanish, sirt energiyasi, aloqa burchagi va yopishish". Bo'yoq tadqiqotlari assotsiatsiyasi. 2013. Arxivlangan asl nusxasi 2013 yil 9-yanvarda. Olingan 22 may 2013.
  11. ^ a b Van Iseghem, Lourens. "Plastmassa qoplamasi - formulatorlar nuqtai nazaridan ba'zi muhim tushunchalar". Van Technologies Inc. Olingan 2 iyun 2013.
  12. ^ Z.W. Jiklar; Frank N. Jons; S Peter Pappas; Duglas A. Uiks. Organik qoplamalar fan va texnologiyasi (2-kengaytirilgan nashr). Nyu-Jersi: John Wiley & Sons, Inc.[sahifa kerak ]
  13. ^ Gandelman, Glenn (2013 yil 22 mart). "Perkutan translyuminal koronar angioplastika (PTCA)". Medline Plus. Olingan 19 may 2013.
  14. ^ a b Schröder, J (1993). "O'tkazgichlarning mexanik xususiyatlari. III qism: Sürgülü ishqalanish". Yurak-qon tomir va interventsion rentgenologiya. 16 (2): 93–7. doi:10.1007 / BF02602986. PMID  8485751.
  15. ^ a b Erglis, Andrejs; Narbute, Inga; Sondore, Deys; Qabr, Alona; Jegere, Sanda (2010). "Asboblar va texnikalar: koronar qo'llanmalar". EvroInterventsiya. 6 (1): 168–9. doi:10.4244 / eijv6i1a24. PMID  20542813.
  16. ^ Labarre, Denis (2001). "Polimer sirtlarning qonga muvofiqligini oshirish". Biyomateriallar va sun'iy organlar tendentsiyalari. 15 (1): 1-3. Arxivlandi asl nusxasi 2016-03-04 da. Olingan 2013-06-16.
  17. ^ Mekle, Ralf; Xofmann, Evgen; Sheffler, Klaus; Bilecen, Deniz (2006). "Polimerlarga asoslangan MR-mos keladigan qo'llanma: intervensional periferik magnit-rezonansli angiografiya (ipMRA) ning yangi istiqbollarini o'rganish uchun tadqiqot". Magnit-rezonans tomografiya jurnali. 23 (2): 145–55. doi:10.1002 / jmri.20486. PMID  16374877.
  18. ^ Tanavala, Shilpa K.; Chaudxuri, Manoj K. (2000). "Perflorli efirdan foydalangan holda silikon elastomerning sirtini o'zgartirish". Langmuir. 16 (3): 1256–60. doi:10.1021 / la9906626.
  19. ^ "Umumiy polimerlar uchun qattiq sirt energiyasi ma'lumotlari (SFE)". 2007 yil 20-noyabr. Olingan 2 iyun 2013.
  20. ^ "Qattiq jismlarning sirtsiz energiyasi uchun tanlangan adabiy qiymatlar". Arxivlandi asl nusxasi 2013 yil 29 mayda. Olingan 5 iyun 2013.
  21. ^ Michiardi, Aleksandra; Aparisio, Konrado; Ratner, Buddi D .; Planell, Xosep A.; Gil, Xaver (2007). "Oksidlangan NiTi sirtlariga raqobatdosh protein adsorbsiyasiga sirt energiyasining ta'siri". Biyomateriallar. 28 (4): 586–94. doi:10.1016 / j.biomaterials.2006.09.040. PMID  17046057.