WikiDer > Модификации поверхности биоматериала

Biomaterial Surface Modifications

Биоматериалы обладают различной степенью совместимости с суровыми условиями живого организма. Они должны не вступать в химические и физические реакции 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 многими способами, включая плазменную модификацию и нанесение покрытий на подложку. Модификации поверхности могут использоваться для воздействия поверхностная энергия, адгезия, биосовместимость, химическая инертность, смазывающая способность, бесплодие, асептика, тромбогенность, восприимчивость к коррозия, деградация и гидрофильность.

Предпосылки создания полимерных биоматериалов

Политетрафторэтилен (тефлон)

Тефлон представляет собой гидрофобный полимер, состоящий из углеродной цепи, насыщенной атомами фтора. Связь фтор-углерод в основном ионная, что дает сильный диполь. Диполь предотвращает восприимчивость тефлона к Силы Ван-дер-Ваальса, поэтому другие материалы не будут прилипать к поверхности.[2] Тефлон обычно используется для уменьшения трения в биоматериалах, таких как артериальные трансплантаты, катетеры и покрытия проводников.

Полиэфирэфиркетон (PEEK)

Полиэфирэфиркетон (PEEK) представляет собой термопластичный полукристаллический полимер. Каркас состоит из эфирных, кетоновых и бензольных групп.

PEEK представляет собой полукристаллический полимер, состоящий из бензольных, кетоновых и эфирных групп. PEEK известен своими хорошими физическими свойствами, включая высокую износостойкость и низкое влагопоглощение. [3] и был использован 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 создается с помощью радиочастота (RF) поле. Дополнительные методы включают подачу большого (~ 1 кВ) постоянного напряжения на электроды, находящиеся в газе. Затем плазма используется для обнажения поверхности биоматериала, которая 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 биоматериала для плазменной обработки.[4]

Применение плазменной терапииУстройстваМатериалыЦели
БиосенсорСенсорные мембраны, диагностические биосенсорыПК, целлюлоза, купрофан, ПП, ПСИммобилизация биомолекул, не обрастающие поверхности
Сердечно-сосудистыеСосудистые трансплантаты, КатетерыПЭТ, ПТФЭ, ПЭ, SiRУлучшенная биосовместимость, адаптация смачиваемости, смазывающие покрытия, пониженное трение, антимикробные покрытия
СтоматологическийЗубные ИмплантатыTi сплавыПовышенный рост клеток
ОртопедическийСуставы, связкиСВМПЭ,ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦПовышение адгезии костей, усиление роста тканей
ДругиеОбщее использованиеПримерСтерилизация, Очистка поверхностей, Травление, Повышение адгезии, Изменение смазывающей способности

В таблице использованы сокращения: ПК: поликарбонат, PS: полистирол, PP: полипропилен, PET: поли (этилентерефталат), PTFE: политетрафторэтилен, UHMWPE: полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы, SiR: силиконовый каучук

Поверхностная энергия

В поверхностная энергия равна сумме разорванных молекулярных связей, которые возникают на границе между двумя различными фазами. Поверхностную энергию можно оценить как угол контакта измерения с использованием версии Уравнение Юнга – Лапласа:

[5]

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

Модификация поверхности методы были широко исследованы для применения адсорбирующих биологических молекул. Функционализацию поверхности можно выполнить, подвергая поверхности воздействию высокочастотной плазмы. Многие газы можно возбуждать и использовать для придания функциональности поверхностям для самых разных целей. 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.

Плазма аргона используется для функционализации поверхности полимера перед склеиванием.

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 газо-плазменным тлеющим разрядом RF

Полисахариды использовались как тонкая пленка покрытия для поверхностей из биоматериалов. Полисахариды чрезвычайно гидрофильны и имеют небольшой углы контакта. Благодаря широкому диапазону составов их можно использовать для самых разных целей. Их можно использовать для уменьшения адсорбция белков на поверхность биоматериала. 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, в противном случае они будут быстро десорбироваться в биологической среде. Это может быть проблемой из-за того, что большинство биоматериалов не обладают свойствами поверхности ковалентно связывать полисахариды. Этого можно добиться за счет введения аминогруппы 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 (NaIO4). 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 диссоциировать. Цианоборгидрид натрия (NaBH3CN) можно использовать в качестве стабилизатора за счет восстановления связей 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 все еще 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 с целью увеличения поверхностной энергии поверхностей биоматериалов, а также для очистки.[8] Плазменная терапия также предлагается для стерилизация биоматериалов для потенциальных имплантатов.[9]

Схема очистки поверхности полимера тлеющим плазменным разрядом. Обратите внимание на удаление адсорбированных молекул и наличие оборванных связей.

Модификация биоматериалов полимерными покрытиями

Другой метод изменения поверхностных свойств биоматериалов - это покрытие поверхности. Покрытия используются во многих областях 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 формировании 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:

[11]

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 подложки от коррозия. Вплоть до ~ 1950 года считалось, что покрытия действуют как физический барьер, который не позволяет 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 в значительной степени зависит от адгезии некоррозионного покрытия в присутствии воды. При низкой адгезии осмотические клетки образуются под покрытием при достаточно высоком давлении, чтобы образовывать пузыри, обнажающие более незащищенную сталь. 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 провода используются в коронарная ангиопластика исправить последствия ишемическая болезнь сердцазаболевание, при котором на стенках артерий накапливаются бляшки. Направляющий провод продевается через бедренную артерию до препятствия. Направляющий провод направляет баллонный катетер к препятствию, где катетер надувается, чтобы прижать бляшку к стенкам артерии.[13] Направляющие провода обычно изготавливаются из нержавеющей стали или Нитинол и требуют полимерных покрытий 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 соскальзывания проволоки и перфорации артерии.[15]

Гидрофобные покрытия

Тефлон и Силиконовый обычно используются гидрофобный покрытия для коронарных проводников. 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 поддерживают тактильные ощущения в артерии, давая врачам полный контроль над проволокой в ​​любое время и снижая риск перфорации; однако эти 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

Используя МРТ получение изображения по проволочному проводнику во время использования будет иметь преимущество перед использованием рентгеновских лучей, поскольку окружающие ткани можно исследовать, пока проволочный проводник продвигается. 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, содержащими частицы железа.[17]

МатериалПоверхностная энергия (мН / м)
Тефлон24 [11]
Силиконовый22 [18]
PEEK42.1 [19]
Нержавеющая сталь44.5 [20]
Нитинол49 [21]

Рекомендации

  1. ^ Amid, P.K .; Шульман, А.Г .; Лихтенштейн, И. Л .; Хакаха, М. (1994). «Биоматериалы для хирургии грыж брюшной стенки и принципы их применения». Langenbecks Archiv für Chirurgie. 379 (3): 168–71. Дои:10.1007 / BF00680113. PMID 8052058.
  2. ^ Мюллер, Аня (2006). «Фторированные гиперразветвленные полимеры». Сигма Олдрич. Получено 19 мая 2013.
  3. ^ «Технические характеристики PEEK (PolyEtherEtherKetone)». Boedeker Plastics. 2013. Получено 20 мая 2013.
  4. ^ Ло, Их-Хунг. «Модификация поверхности плазмы в биомедицинских приложениях» (PDF). Технический журнал AST. Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-05-14.
  5. ^ Зисман, В. А. (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. Дои:10.1021 / ba-1964-0043.ch001. ISBN 978-0-8412-0044-9.
  6. ^ Юань, Шэнмэй; Сакалас-Грацль, 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. Дои:10.1002 / jbm.820270614. PMID 8408111.
  7. ^ Дай, Лиминг; Stjohn, Heather A. W .; 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. Дои:10.1002 / (SICI) 1096-9918 (200001) 29: 1 <46 :: AID-SIA692> 3.0.CO; 2-6.
  8. ^ ден Брабер, E.T .; de Ruijter, J.E .; Смитс, H.T.J; Ginsel, L.A .; фон Рекум, А.Ф .; Ямсен, Дж. (1995). «Влияние параллельных поверхностных микроканавок и поверхностной энергии на рост клеток». Журнал исследований биомедицинских материалов. 29 (1): 511–518. Дои:10.1002 / jbm.820290411. HDL:2066/21896. PMID 7622536.
  9. ^ 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. Дои:10.1002 / (SICI) 1097-4636 (199704) 35: 1 <49 :: AID-JBM6> 3.0.CO; 2-M. PMID 9104698.
  10. ^ «Поверхностное натяжение, поверхностная энергия, угол смачивания и адгезия». Ассоциация исследования красок. 2013. Архивировано с оригинал 9 января 2013 г.. Получено 22 мая 2013.
  11. ^ а б Ван Изегем, Лоуренс. «Покрытие пластмасс - некоторые важные концепции с точки зрения разработчиков рецептур». Van Technologies Inc. Получено 2 июн 2013.
  12. ^ Z.W. Фитили; Фрэнк Н. Джонс; С. Питер Паппас; Дуглас А. Уикс. Наука и технология органических покрытий (2-е расширенное изд.). Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc.[страница нужна]
  13. ^ Гандельман, Гленн (22 марта 2013 г.). «Чрескожная транслюминальная коронарная ангиопластика (ЧТКА)». Медлайн Плюс. Получено 19 мая 2013.
  14. ^ а б Шредер, Дж (1993). «Механические свойства проволочного направителя. Часть III: Трение скольжения». Сердечно-сосудистая и интервенционная радиология. 16 (2): 93–7. Дои:10.1007 / BF02602986. PMID 8485751.
  15. ^ а б Эрглис, Андрейс; Нарбуте, Инга; Сондор, Даце; Могила, Алена; Jegere, Санда (2010). «Инструменты и методы: коронарные проводники». Евроинтервенция. 6 (1): 168–9. Дои:10.4244 / eijv6i1a24. PMID 20542813.
  16. ^ Лабарр, Дени (2001). «Повышение совместимости полимерных поверхностей с кровью». Тенденции в области биоматериалов и искусственных органов. 15 (1): 1–3. Архивировано из оригинал на 2016-03-04. Получено 2013-06-16.
  17. ^ 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. Дои:10.1002 / jmri.20486. PMID 16374877.
  18. ^ Thanawala, Shilpa K .; Чаудхури, Манодж К. (2000). «Модификация поверхности силиконового эластомера с использованием перфторированного эфира». Langmuir. 16 (3): 1256–60. Дои:10.1021 / la9906626.
  19. ^ «Данные по энергии твердой поверхности (SFE) для обычных полимеров». 20 ноября 2007 г.. Получено 2 июн 2013.
  20. ^ «Избранные значения из литературы для свободной поверхностной энергии твердых тел». Архивировано из оригинал 29 мая 2013 г.. Получено 5 июн 2013.
  21. ^ 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. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2006.09.040. PMID 17046057.