BIOKOMPATIBILIS ANYAGOK Dr. prof. Nagy József

Biokompatibilis anyagok és a biofunkcionalitás. Biokompatibilitás A szervezet és a beépített anyag közti kölcsönhatás. Ez lehet a.) fizikai b.) kémiai C.) biológiai Biofunkcionalitás Anyag betölti a kívánt szerepet, rendelkezik megfelelő mechanikai és reológiai tulajdonságokkal. Anyagcsaládok: Fémek, ötvözetek, kerámiák, polimerek (duromerek, elasztomerek), gélek, kompozitok. Az anyag biokompatibilitását befolyásoló tényezők: Az anyag felületi tulajdonsága, kémiai stabilitás, bomlástermékek. Az eszköz mérete és alakja és fizikai tulajdonsága.

Biokompatibilis anyagok Protézis, külső pót-testrész (műláb, műkéz, stb.) Implantátum. Humán szövetek és csontok közé épített eszköz, vagy funkcionális anyag. (pacemaker, műfogsor, ujjizület stb.). 1. ultra rövid idejű, 2. rövid idejű, 3. tartós használati implantátumok. Bioanyagok (biomateriálok). Orvosi segédanyagok, orvosi eszközök. Mesterséges szervek. (pacemaker, műszív, testfolyadékot szállító shunt-ok.)

ANYAGCSALÁD PÉLDÁK Fémek Au, Ti, Pt Ötvözetek CoCrMo, CoCrNi FeCrNi (ausztines saválló acél) PtRh Kerámiák Al2O3 Porcelán Pirolitikus grafit Műanyagok PE, PP, PTFE PMMA Elasztomerek Szilikonkaucsuk PUR Természetes és mesterséges gumi Kompozit Fémbetétes műfogsor Szénszálas csípőízület Biopolimerek Tenyésztett bőrszövet

Biokompatibilis osztályok Hisztokompatibilitás: implantátum - szövet kölcsönhatás Hemokompatibilitás: a vérrel érintkező eszköz nem lehet trombogén, trombusképző Cellurális kompatibilitás: összeférhetőség az élő sejttel

Hisztokompatibilitás Implantátum tulajdonságok Szöveti reakciók Toxikus (mérgező) Szövetelhalás (nekrózis) Inert (közömbös) A szövet betokozza az implantátumot (nem ismeri fel idegenként, csak mintegy körülveszi) Bioaktív A környező szövetek hozzákötődnek, tapadnak az implantátumhoz Degradábilis (lebomló, felszívódó) A szövet (idővel) pótolja az implantátumot. Átveszi annak szerepét.

Biokompatibilitást befolyásoló tényezők Anyag Kémiai tulajdonság Felületi kémiai tulajdonság Felületi érdesség, símasság Felületi töltésállapot Kémiai stabilitás Kémiai bomlástermékek Bomlás termékek fizikai tulajdonságai Az eszköz Méret Alak (geometria) Mechanikai tulajdonságok A befogadó testszövetek ill. személy reakciója Szövet helye tipusa és helyzete Életkor Nem Egészségügyi állapot Gyógyszerfogyasztás A rendszer Műtéti technika Hisztokompatibilitás Fertőzés veszély

Határfelületek közti kölcsönhatás fizikája Dimenzió: Nm-1 vagy Jm-2 Fk Fa =90°

A kohéziós és adhéziós erők nem egyenlők Hidrofób (higany =435 mN/m és Hidrofil (víz = 72.5 mN/m) Fa Fk Fk Fa < 90° >90°

Eötvös Loránd törvénye ahol  =Felületi feszültség, V= térfogat  = konstans,  = Tk- T , a kritikus hőmérséklet és T hőmérséklet különbsége t°C  -8 77 16 73.1 40 69.5 -5 76.4 18 50 67.9 78.6 22 72.7 60 66.2 6 74.5 25 72.0 70 64.4 10 74.2 30 71.2 100 58.9

Határfelületi energia A és B anyag között kölcsönhatás lép fel. A keletkező többletenergiát határfelületi energiának nevezzük (A/B) A.) „felületi feszültség” (surface tension) kizárólag folyadék/gőz határfelületre, B.)„felületi energia” (surface energy) szilárd/gőz határfelületre, C.)„határfelületi energia”(interfacial energy) kondenzált/ kondenzált fázisok között. Szabadentalpia többlet GA/B [J/mol) Ahol A/B = moláris felület ( m2/mol)

Két felület közti nedvesítés feltétele sg = szilárd/gőz határfelületi energia. Ez a cseppet széthúzza. sf = szilárd/folyadék határfelületi energia. Ez a cseppet összehúzza. fg= folyadék/gőz határfelületi energia. Csepp felszínének érintője irányában hat. sz foly gőz  sf sg fg

 peremszög Felszíni munkacsökkenéshez tartozó szabadentalpia, lehet Ha  = 0° akkor G = 2.sg Ha  = 90° akkor G = sg Ha  = 180° akkor G = 0 Ha a felület érdes, ezt legegyszerűbben úgy vehetjük figyelembe, hogy a látszólagos egységnyi, (1 m2 ) felület r - szeresére nő,

Ozmózis jelenség Van’t Hoff-Pfeffer törvény:

V. Mikroheterogén (kolloid) rendszerek. Felületek fizikája Kohéziós energia G = Gb + Gf Élek Diszperzió fok Össz.felület Gf J 1 cm 1 6 cm2 4.6,10-5 1 mm 103 60cm2 4.6.10-4 0.1 mm 106 600 cm2 4.6.10-3 0.01 mm 109 6000cm2 4.6.10-2 1m 1012 6 m2 4.6.10-1 0.1m 1015 60 m2 4.6 0.01m 1018 600 m2 46 1 nm 1021 6000 m2 460

Diszperzitásfok Diszperz rendszer két részből áll: Diszperz közeg és diszperz fázis Részecskeméret szerint felosztás: Heterogén (makroheterogén) 500nm-nél nagyobb. Pl. durva diszperzió: homok/víz, finom diszperzió: TiO2/viz Kolloid (mikroheterogén): 500 nm részecskeméret alatt. Molekula aggregátumok. Pl. enyv oldat, Homogén: 1nm körüli, valódi oldatok

Diszperz rendszer felosztás halmazállapot szerint Diszperziós közeg Diszperziós rész Rendszer neve Gáz Folyadék Köd Gáz Szilárd Por, Füst Folyadék Gáz Habok Folyadék Folyadék Emulzoid Folyadék Szilárd Kolloid szol Szilárd Gáz Szilárd habok Szilárd Folyadék Gélek Szilárd Szilárd Ötvözetek, Üvegek

Diszperz rendszerek előállítása I Fizikai úton Aprítással (diszpergálással). Ívfénnyel Ag, Au szolok. Oldószercserével. Plazmaszórással. Kolloid malommal való őrlés. II Kémiai úton AuCl3 red CH2O  Au kolloid szol FeCl3 + 3 H2O = Fe(OH)3 + 3HCl Termikus úton égetéssel: korom, fehér korom (pirogén kovasav) SiCl4 + O2 + H2  SiOx(OH)y + HCl x= 1,9 – 2 Ormosil (Organically Modified Silica) nanoszilikát gyógyszerhordozó kolloid szolok 4 Si(OC2H5)4 + 12 H2O = Si8O12(OH)8 + 16 C2H5OH Használják daganatterápiára és diagnosztikára, géntranszfekcióra

Kolloid oldatok fizikai tulajdonságai Brown mozgás Tyndall effektus. Fényszórás. (Ultramikroszkóp) Elektroforézis (kataforézis, anaforézis) Abszorptív töltés ( potenciál V -ban mérjük) Pl. AgCl szol: Ag+ felesleg akkor pozitív, HCl negatív . Ha  = 0 veszélyes négyszögbe jut, koagulál

Gélek és kocsonyák. Liogél, xerogél állapot A gélek vagy kocsonyák olyan rendszerek, amelyek átmenetet képeznek a szilárd és a folyékony halmazállapotú anyagok között. Alaktartók és könnyen deformálhatók, nagy folyadéktartalmúak, fizika tulajdonságaik az oldatokéhoz hasonlóak. Géleket szervetlen és szerves polimerek, biopolimerek, képezhetnek. A növényi és állati sejtek, az izom stb. gélállapotban vannak. A szemgolyó üvegteste 99.9% -os kocsonyás, víztartalmú gél. Enyv: kolloid oldat. Ha besűrítjük, gélé alakul. Lioszféra veszi körül, a mozgás befagy. Liogél állapot áll be. Ha a vízréteget teljesen eltávolítjuk, xerogél állapotba jutunk. Peptizálás xerogél oldása segédanyagokkal. Az enyv oldással peptizálható !!!!

Fizikai és kémiai gélek fizikai tulajdonságai Fizikai gélek (pl. enyv) instabilak, melegre a H-kötések bomlanak, folyóssá válik. A szol - gél állapot reverzibilis. Kémiai gélek: háromdimenziós, stabil térhálós szerkezetűek. Oldószerben csak duzzadnak. Pl. Szilikagél, szilikongél. Preciziós öntés TES –el.

Határfelületi feszültség oldatokban. Amfifil rendszerek Fázisok között határfelületi feszültség lép fel. Hajszál effektus A víz nedvesít: emelkedő szint, a higany nem nedvesít: depresszió. Oldatban a felület feszültsége függ a koncentrációtól. Gibbs egyenlet, ahol a2 = oldott anyag aktivitása, 2 = oldatban és felületen levő koncentrációk különbsége. Anyag t °C  mPa/m Víz 20 72.75 H2O2 18 76 Benzol 17 78.75 Hexán Kén 141 88 Kősó 811 113 Glicerin 66.5 HCOOH 35 35.1 Etanol 23.04

Határfelületi feszültség oldatokban. Amfifil rendszerek II Azokat az anyagokat, amelyek a felületi feszültséget határfelületen nagymértékben megváltoztatják kapilláraktív anyagoknak (2>0 d/da2 csökken) ellenkező esetben kapillárinaktív anyagoknak (2<0 d/da2 nő) , nevezzük. c =f(c) d=f(c)

Kapilláraktív anyagok gyakorlati szerepe Mosó és tisztítószerek Habstabilizátorok poliuretán hab (szilikon tenzídek) Habzásgátlók (Fermentáció, Permetező anyagok mesterséges szív vér habtalanitása, ) Emulgátorok víz –olaj emulziók. Gyógykenőcsök, ápolószerek. Molekula szerkezeti szempont szerint a felületaktív anyagok akkor aktívak, ha vízben jól oldódó karboxil, szulfát anionokat stb. tartalmazó hosszú szénhidrogén láncú vegyületek, vagyis hidrofil és hidrofób csoportokból épülnek fel. A moltömeggel a hatékonyságuk növelhető

Amfifil kapilláraktív anyagok Körülményektől függően hol hidrofil, hol hidrofób anyagként viselkednek. Ezek közé, tartoznak a szappanok, detergensek, koleszterin, a zsírsavak, vagy a foszfolipidek is, amelyek a biológiai membránok fő komponensei. Foszfolipidek: zsírsav láncból, glicerinből, foszforsavból aminnal képezett biomolekulák.

Molekula, halmazok Le kvark e= -1/3, fel kvark e=+2/3 Z. p+ + N-Z n = Atommag Atommag + Z e- = Atom Molekula

Kristályrácsok Rácsok

Molekularács. Van der Waals erők Molekularácsot összetartó erők: diszperziós orientációs Indukciós Van der Waals Ha nincs dipólusmomentum akkor csak diszperzió rész van. Igen kicsi a Van der Waals energia, 1-7 kcal/mol. Szoros illeszkedésű rács

IONRÁCS Coulomb erők tartják össze a rácsot. Nagy a rácsenergia. Nagy az op. NaCl, KCl, CaCl2, Na2 SO4 stb. oldódnak vízben és olvadékban, ill. oldatban vezetik az áramot. BaSO4, PbCl2, AgCl stb. oldhatatlan. Szekunder vezetők. n= 9 –12

Atomrács Az atomrácsot kovalens kötések kötik össze, Ezért igen nagy a rácserő. Nagy az olvadáspontjuk. Ide tartoznak az orvosi gyakorlatban a kerámiák és a porcelán Modern ipari tűzálló kerámia: sűrűsége 2,5 g/cm3 Si3N4 1000°C-ig használható (RAKÉTATETECHNIKA) ACÉL: 370°C –n lágyul és sűrűsége 7,5 g/cm3. Korrózió, vezeti az áramot , mágnesezhető.

+ 1.90 J/.mol szigetelő -468,77 kJ.mol-1 félvezető -715,05 kJ.mol-1 vezető + 1.90 J/.mol szigetelő -468,77 kJ.mol-1 félvezető - -376.56kJ.mol-1 félvezető -318,59 kJ. kJ.mol-1 félvezető -599.51 kJmol-1 szigetelő --289,28 kJmol-1

Fémes rács

Fémes rács II Térben centrált Lapon centrált Hexagonális Au szublimációs energiája 365,26 KJ/mol Fémek gőzben 2, 3, 4 stb. atomos molekulákat alkotnak. Lehűtve szoros illeszkedés elve alapján a fém kationokat delokalizált elektronfelhő veszi körül. A 96 elem közül döntő többség fémes állapotban van. Igen nagy nyomáson minden anyag fémes állapotú lesz, H2 106 atm. nyomáson fémes rácsú kristályt alkot.

Hidrogén (Proton) Híd H N, O, F atomokkal kötést létesít, akkor H-kötés alakul ki molekulák között és (HF)n , (H2O)n, (NH3)n aszociátumok keletkeznek.

Néhány elem,vegyület op., fp., és M adatai Op. °C Fp. °C Moltömeg H2 -259 -253 2 F2 -223 -187 38 O2 -218 -183 32 H2O 100 18 HF -83 +20 20

H- hidas vegyületek Nemcsak a víz és az ammónia, hanem az őket felépítő -OH és NH2-, NH= csoportokat tartalmazó szerves vegyületek aminosavak, fehérjék, dezoxi-ribonukleinsavak, keményítő, cellulóz, stb., mind protonhidas asszociátumok. Ugyancsak protonhidas szerkezettel rendelkeznek az oxosavak (H2SO4, H3PO4 stb.), bázisok (NaOH, KOH stb.), alkoholok, fenolok (ROH), karbonsavak (RCOOH), aminok (RNH2. R2NH, R3N), és poliamid típusú műanyagok. Autoprotolízis 2 H2O = H3O+ + OH- Kv = 10-14 2NH3 = NH4+ + NH2- Víz bioanyag szerepe. Víz sűrűsége +4°C =1.  =72 N/m. (25°) Dielektromos áll. = 80,1. Elektrolitek jó oldószere.

7 kristályrendszer, 32 osztály

Kristályrendszer II Köbös a= b = c  = =  = 90° Kősó NaCl Tetragonális a =b  c  = =  = 90° Ón (Sn) Romboéderes a = b = c  = =   90° Dolomit Hexagonális a =b  c  = = 90°,  =120° grafit Rombos a  b  c  = =  = 90° BaSO4 Monoklin a  b  c  = = 90°,  90° Gipsz Triklin a  b  c    Cu(OH2)4.SO4.H2O

Bragg (1912) törvénye  d

Nem kristályos, amorf (üveges) halmazok.

Kvarc kristály és kvarc üveg Kvarc kristály,rombos tridimit, négyzetes krisztobalit, hatszöges -kvarc, és trigonális trapezoéderes -kvarc kristályokat alkot, 1700°C-on olvad Hűtéskor nem kristályos, amorf, ún. kvarcüveg, keletkezik, amely pl. az uv fényt átengedi. (kvarclámpa).

Kristályos és amorf anyagok Szintetikus szervetlen és szerves polimerek, különböző polimerizációs fokú polimerek halmaza. Kristályosak, amorfak vagy kétfázisú rendszerek A természetes polimerek viszont homogén,kristályosítható halmazt képezhetnek, Pl. dohánymozaik vírus, amely nukleinsavból áll csak, kristályosítható, dohánylevélre jutva, azonnal élősdi, gyilkos vírussá válik. Polimerek lineárisak, elágazott vagy három dimenziós (kvarc üveg) térhálós szerkezetek. Ha lineáris termikus mozgást végez és átlagos gomolyag szerkezetét adja meg

A polimerláncok közti kapcsolat

SÁVELMÉLET. Szilárd testek elektronszerkezete. II sáv P-sáv Vezető sáv Tiltott sáv Vegyérték sáv S-sáv

Vezető, szigetelő, félvezető Sávok

Áramvezetés, szigetelés, átlátszóság. Widemann-Franz szabály Rendezetlen hőmozgás Áramvezetés (rendezett vezetés)

Félvezetők tulajdonságai C 0,90 aJ Ge 0,12 aJ Si 0,18 aJ Sn() 0,02 aJ Csak a IR –re van ablakuk Hőmérséklettel nő a vezetés

Intriszk, n és p - vezetés Informatika: félvezetők alkalmazása tette lehetővé. Intriszk n-vezetés p-vezetés

SZERVETLEN ÉS SZERVES POLIMEREK ELEKTRON- VEZETÉSE

Biopolimerek: Félvezetők ?

Fehérje típusok tiltott sávszélessége (eV) Watson – Crick (1953) Thymus nukleoprotein 2.57 Trombin 2,59 Citokróm C 2,60 Lizozim 2,62 Fibrinogén 2,69 Sertés inzulin 2,91 Globin 2,97 Kollagén 2,73 Poliglicin 2,99