2014 -fim-pibt-c4

Procese de

interfata

biomaterial - tesut

CONF. STANCU IZABELA| CURS 3+4

Obiective specifice

In finalul acestui modul studentii vor fi capabili:

- sa identifice principalele fenomene de interfata

- sa inteleaga factorii care contribuie la manifestarea acestor fenomene

- sa inteleaga factorii care ajuta la aderenta biomaterialelor la tesuturi

- sa explice cum se pot controla anumite fenomene de interfata

Fluorescence microscopy reveals a protein network

in a mammalian cell.

Ma

x P

lan

ck In

st. fo

r B

iop

hysi

ca

l Ch

em

istr

y

Stiati ca?

2014 - Nobel Prize in

Chemistry

Stefan Hell

William Moerner

Eric Betzig

Nobel committee:

Microscopy has

become nanoscopy.

http://www.nature.com/news/nobel-for-microscopy-that-reveals-inner-world-of-cells-1.16097

The laws of physics dictate that visible light cannot distinguish between objects

closer to each other than around 200 nanometres (around half the wavelength of

visible light) they will appear as one blob. Such resolution, known as Abbe's

diffraction limit, is good enough to reveal the organelles inside cells but not to see

their detailed structures. Microscopes that use beams of electrons, rather than

light, have finer resolution, but they can be used only in a vacuum, limiting their

use to dead tissue.

Read: Nature 514, 286 (16 October 2014) doi:10.1038/nature.2014.16097

Hell: "There will be many new versions

of super-resolution microscopes in

future"

http://www.nature.com/news/nobel-for-microscopy-that-reveals-inner-world-of-cells-1.16097

little hand-held mikroskoops; simple single-lens scopes

simple magnifying glasses consisting of a single spherical or

biconvex lens mounted between two copper, brass or silver

plates.

Anthony from the Lions Corner

A prominent journal of general and molecular microbiology printed by Springer Netherlands is named "Antonie van Leeuwenhoek", whereas the Netherlands

Cancer Institute's hospital in Amsterdam is the "Antoni van Leeuwenhoek Ziekenhuis".

htt

p:/

/ww

w.v

an

lee

uw

en

ho

ek.c

om

/#h

isd

isc

ove

rie

s

1675 - He discovered and accurately described and

differentiated erythrocytes in humans, swine, fish and birds.

"rather less than" 8.5 m, a marvelously accurate result given his tools. He

expressed these dimensions by comparing sizes to sand grains. He

observed that almost one hundred erythrocytes in a row would equal the

diameter of a sand grain that he estimated to be the equivalent of 1/30

inch across. (The metric system was not to be introduced until 1791.) In

1683, he also described the sedimentation of red cells upon standing and

their lysis on addition of fresh rain water, but not of sea water.

1683 - He saw the lymphatic capillaries, containing "a white fluid, like

milk.

1698 - He described the blood capillaries in several species.

3.1. Problematica I Justificare

Controlul PIB-T - pentru ca inca exista probleme nerezolvate

[Biomaterials, the Nanobiointerface, and Surface Modification Strategies Buddy D. Ratner, UWEB, Univ of Washington]

Probleme nerezolvate si provocari ce asteapta o solutie:

[Biomaterials, the Nanobiointerface, and Surface Modification Strategies Buddy D. Ratner, UWEB, Univ of Washington]

1. Suprafata si interfata dicteaza reactia biologica.

2. Mediul fiziologic dicteaza evolutia biomaterialului.

3.2. Elemente cheie interactiuni B-T

Sa analizam:

1. Ce au in comun biomateriale precum colagen, gelatina,

polihidroxietil metacrilatul, poliacrilamida, acid hialuronic,

hidroxiapatita?

2. Dar biomateriale precum teflon, polietilena, polipropilena, polilactida, poliglicolida, polimetacrilatul de metil, polistiren, titan?

Natura lucreaza la nivel de interfete si suprafete. Noi trebuie sa mimam aceste

fenomene.

Elemente cheie INTERFATA delimiteaza 2 medii: L-L, S-L, G-L, G-S, S-S. Orice suprafata este o interfata.

Fenomene de interfata fenomene dinamice:

Adeziune: descrie fenomenul sau starea in care doua corpuri sunt unite sau lipite

intre ele. Definitia nu descrie natura fenomenului.

Adsorptie / Absorptie

Degradare

Calcifiere

Relatie duala: Fenomene manifestate asupra biomaterialului dar si fenomene

manifestate asupra tesutului

Uneori interfata se realizeaza intre un adeziv si tesut, nu intre implant si tesut.

http://www.coheramedical.com/products/tissuglu

Dupa aplicare - precursor

In prezenta apei se formeaza macromolecule flexibile

htt

p:/

/ww

w.c

oh

era

me

dic

al.c

om

/pro

du

cts

/tis

sug

lu

Contact intim adeziv- tesut

http://www.coheramedical.com/products/sylys_surgical_sealant

Uneori interfata se realizeaza intre un adeziv si tesut,

nu intre implant si tesut.

Observatii practice:

1. Cand o piesa anatomica este accidentata sau

indepartata chirurgical, integritatea se pierde si

rezulta fragmente care in general nu pot fi

repozitionate prin simpla apropiere, folosind

forte mecanice.

2. Analizati posibilele cauze !

microdenivelari care nu pot fi corect imbinate din

ratiuni practice

microfragmente ce nu se pot recupera

contaminarea instantanee a suprafetei cu molecule,

ioni, atomi din mediul inconjurator

3.3. Fenomenul de adeziune

3.3.1. Generalitati :

1. Imbinarea unui biomaterial cu un tesut este o sarcina dificila,

deoarece procesul presupune forte de atractie diferite ca natura sau marime.

2. Stiinta care studiaza materialele adezive preocupare principala

identificarea unor materiale capabile sa realizeze imbinari perfecte.

3. Adeziv / liant: material folosit la imbinarea a doua suprafete, care

patrunde in spatiul interfacial, umple interstitiul si realizeaza, la nivel

molecular, un contact perfect cu speciile expuse la suprafata celor

doua corpuri. Aceste cerinte presupun ca adezivul sa fie lichid si sa

poata curge.

4. Exemple comune pentru intelegerea fenomenului:

a) 2 coli de hartie apropiate in pozitie verticala

lipsa aderentei

b) 2 coli de hartie umezite - aderenta

c) O placa de faianta asezata pe perete lipsa

aderentei

d) O placa de faianta cu adeziv asezata pe perete

aderenta

5. Pe de alta parte, se stie ca folosirea unor lichide

mai vascoase determina o mai buna aderenta.

6. Lichidele sunt adezivi pentru solide dar fiecare

lichid se comporta diferit in functie de suprafata

pe care a fost aplicat. Adeziunea este specifica

pentru perechea suprafata lichid.

htt

p:/

/ww

w.c

hrisj

on

eso

rth

o.c

om

.au

/se

rvic

es/

tota

l-h

ip-r

ep

lac

em

en

t/

Fenomenul de adeziune

3.3.2. Elemente cheie: A. Natura fenomenelor care determina adeziunea

B. Proprietatile celor 2 medii in contact (biomaterial si tesut) care

decid calitatea interactiunii

C. FactorIi ce determina interactiunea unui biomaterial cu un

anumit tesut (substrat)

1. Ancorare mecanica

2. Forte intermoleculare de atractie

3. Suprafata libera. Tensiune superficiala.

4. Forte de adeziune si Lucrul de adeziune

5. Fenomene difuzive

A. Natura fenomenelor care determina adeziunea

A.1. Ancorare mecanica: patrunderea tesutului in porii biomaterialului (ex. fixarea protezelor de cap femural rugoase in canalul medular)

! Asperizare mecanica; asperizare chimica a suprafetelor

Implant cu suprafata

rugoasa

Tesut osos

Implant

Tesut osos

A.1. Ancorare mecanica:

Implant cu suprafata poroasa vs implant cimentat

htt

p:/

/ww

w.o

rth

ob

eth

esd

a.c

om

/su

rge

ry/y

ou

rhip

surg

ery

.asp

x

Legea De Bruyne a adeziunii: Nu se pot obtine imbinari rezistente intre substraturi polare si

adezivi nepolari sau intre substraturi nepolare si adezivi polari. Se obtin imbinari bune intre

materiale de polaritate asemanatoare. - Fortele intermoleculare observate initial de Van der Waals intensitate redusa, cu raza lunga de

actiune si intensitate ce variaza slab cu distanta.

- Lenard-Jones: pentru distante intermoleculare mici, la limita coliziunii, se manifesta forte

intermoleculare intense, cu raza scurta de actiune, care variaza puternic cu distanta

Tipuri de forte intermoleculare : 1) de dispersie (London) se stabilesc intre orice fel de molecule indiferent de marime si structura.

Atractia - intre norul electronic periferic al unei molecule si nucleele altei molecule, are ca efect

deformarea norului electronic si formarea dipolilor indusi;

2) Forte de orientare Keesom intre molecule polare (cu moment de dipol permanent). In camp

electric generat de dipolii vecini are loc orientarea dipolilor

A.2. Forte intermoleculare de atractie

- - - - -

- - - +

- - - - -

- - - +

- + - +

autopolarizare

[Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009]

orientare

Tipuri de forte intermoleculare - continuare : 3) Forte de inductie (Debye) atractie intre dipolii permanenti (molecule polare) si molecule

nepolare (simetrice din punct de vedere al distributiei electronilor) dar polarizabile. Atractia

intre norul electronic periferic al unei molecule si nucleele altei molecule, avand ca efect

deformarea norului electronic si formarea dipolilor indusi

4) Legaturi de hidrogen fortele intermolecule cu cea mai mare intensitate; energie de legatura

comparabila cu a legaturilor chimice

- Necesita prezenta legaturilor sigma intre un atom de H si un heteroatom X cu electroni pi sau

neparticipanti; este deplasata catre heteroatom.

- - - - -

- - - + - + - +

inductie

- +

X H

A.2. Forte intermoleculare de atractie

Datorit energiei ridicate, acolo unde acestea exist, legturile

de hidrogen sunt principala component a forelor coezive,

care decid proprietile fizice ale substanei.


http://cdn0.lostateminor.com/wp-content/uploads/2012/03/Ondrej-Pakans-7.jpg

http://cdn0.lostateminor.com/wp-content/uploads/2012/03/Ondrej-Pakans-8.jpg http://animalworld.tumblr.com/post/2314196758/insect-covered-in-dew-drops-quickwitter

http://www.educationalresource.info/insects/14-water-strider.htm

A.3. Suprafata libera. Tensiune superficiala

Suprafata libera

- suprafata geometrica ce separa un corp de spatiul exterior

- stratul superficial care contine moleculele ce au proprietati

distincte in raport cu cele aflate in volumul de substanta

considerat; are orice forma si grosime data de h < r.

2r

h

R2

R1

F

Reprezentarea schematic a forelor de interaciune ce

acioneaz asupra moleculelor de pe suprafaa liber i

din interiorul unui lichid.


O mrime derivat din existena aceluiai cmp atractiv necompensat la suprafa este

tensiunea superficial.

Tensiunea superficiala - lucrul mecanic izoterm i reversibil consumat pentru formarea

unitii de suprafa liber (sau pentru mrirea suprafeei libere cu o unitate):

(1)

Dimensiunea tensiunii superficiale este EL-2

(unitile de msur corespunztoare vor fi J/m2 (erg/cm2)).

Relaia (1) se poate scrie i n forma echivalent:

(2)

Tensiunea superficial poate fi exprimat i n uniti FL-1 (N/m sau dyn/cm, 1 dyn = 10-5N)



dA

dW

L

F

dxL

dxF

dA

dW

Exercitiu: Apa are o tensiune superficiala egala cu 730000 erg/m2. Exprimati aceasta marime in N/m.

Pentru lichide i solide, exist o clasificare n funcie de valoarea tensiunii

superficiale:

1) suprafee de joas energie - valori < 100 erg/cm2

- aici se ncadreaz substanele organice, polimerii i

majoritatea lichidelor, organice i anorganice

2) suprafee de nalt energie - valori > 100 erg/cm2

- ce includ majoritatea compuilor anorganici cristalini

(oxizi, sruri, etc.).

Concluzionnd, se poate afirma c tensiunea superficial deriv din acelai

fenomen al cmpului rezidual de fore coezive necompensate localizat la suprafaa liber.

Presiunea intern (van der Waals) a unui lichid este dat de suma vectorial a

rezultantelor forelor de interaciune necompensate ale moleculelor de pe unitatea

de suprafa liber:

2A

iV

aKKR



htt

p:/

/ko

ll1.c

he

m.u

-sze

ge

d.h

u/c

ollo

ids/

sta

ff/z

oli/

Ph

arm

ac

y/L

ec

ture

s%2

03

%2

0a

nd

%2

04

.pd

f

A. 3. Suprafata libera. Tensiune superficiala

Exercitiu Ce rol are dodecil sulfatul de sodiu CH3(CH2)11OSO3Na in experimentul alaturat?

Surfactanti - Agenti tensioactivi - detergenti



Suprafata libera si tensiunea superficiala parametri decisivi pentru:

adeziune

umectabilitate

contaminarea suprafetei implantului Ex. adsorptia proteinelor, ionilor Ca2+

p

K p K

L adera la S

Fore de suprafa ce acioneaz n cazul contactului S-L Presiunea intern a suprafeei curbe (p); presiunea caracteristic suprafeei plane (K).

Triathlon / Stryker

hidrofob

L nu adera la S

A.4. Forte de adeziune si Lucrul de adeziune.

Lucrul de adeziune (Relaia Young-Dupr)

1

2

12

La lipirea materialelor 1 si 2, variatia energiei Gibbs la unitatea de suprafata:

2112III ggA

Gg

La dezlipirea materialului 1 -2, variatia energiei Gibbs la unitatea de suprafata:

Material 1

Material 2

Material 1-2

0g 1221

Reformarea suprafeelor libere 1 si 2 nu se poate face spontan deoarece decurge cu

creterea energiei libere. Dezlipirea se poate realiza prin cheltuirea unui lucru mecanic WA

egal cu variaia energiei libere (pe unitatea de suprafa de contact):

1221A gW (3)

Relaia (3) poart numele de relaia Dupr iar mrimea WA se numete lucrul (mecanic) de

adeziune.

O prim consecin rezultat din relaia Dupre este aceea c adeziunea este cu

att mai bun (lucrul consumat pentru desprindere este mai mare) cu ct

tensiunea interfacial 12 este mai redus.

O valoare ridicat a tensiunii interfaciale indic incompatibilitate ntre suprafee.

Exercitiu:

Unghiul de contact intre apa si teflon este 180. Cum estimati ca este lucrul de adeziune intre

un implant de teflon si plasma?

A.4. Forte de adeziune si Lucrul de adeziune.


S

L

SL S

L

Echilibrul mecano-static al unei picturi de lichid pe o

suprafa solid.

C

Difuzia moleculara fenomen ce stimuleaza interactiunea B - T

A. 5. Fenomene difuzive

Biomaterial Biomaterial Biomaterial

Adeziune slaba; contacte putine

Adeziune puternica;

contacte numeroase

Formarea unui strat proteic superficial prin difuziune moleculara

Moleculele de proteina migreaza

catre biomaterial dar nu stabilesc contacte

reale pentru ca nu sunt descolacite

Moleculele de proteina se

descolacesc

Moleculele de proteina interactioneaza cu

substratul; se formeaza puncte de contact.

Intensitatea adeziunii depinde de

compatibilitatea celor 2 medii

A.5. Fenomenele difuzive:

1) decurg cu vitez finit (sunt dependente de timp)

2) sunt accelerate de creterea presiunii i/sau temperaturii care afecteaz att mobilitatea molecular n ansamblu ct i mobilitatea segmentelor, prin intermediul modificrii pragului

energetic al transformaiilor conformaionale (bariera energetic a rotaiei libere).

3) mobilitatea moleculelor depinde de dimensiunea (masa molecular medie) i flexibilitatea

acestora (abilitatea lanurilor de a se descolci, ce depinde de atraciile intermoleculare i deci de polaritate).

zone active (contacte)

substrat

strat 1

strat 2

strat 3

Principiul teoriei adsorbiei prin bucle-franjuri.

Teoria adsorbiei prin bucle-

franjuri - mai multe straturi de

macromolecule, cu rol diferit

n realizarea adeziunii

Stratul 1 = strat primar de macromolecule, ce sunt adsorbite pe suprafaa substratului prin zone active (segmente n contact cu substratul prin atracii intermoleculare). Segmentele active ale unei macromolecule alterneaz cu segmente inactive (poriuni expandate n afara zonei de contact ce conserv conformaia de ghem statistic).

Straturile superioare (2, 3, etc.) nu sunt n contact direct cu substratul dar interacioneaz cu lanurile din stratul 1 i sau/ntre ele n dou moduri: prin atracii intermoleculare polimer-polimer i prin fenomenul de ancorare sau interpenetrare reciproc.

[Ad

ezi

vi,

lac

uri s

i vo

pse

le

B. M

arc

ule

scu

, E. R

use

n,

L.M

. B

uta

c,

ISB

N 9

78

-97

3-5

58

-40

3-0

, A

rs D

oc

en

di 2009]

Surse de documentare stiintifica - sugestii

Societatea Europeana de Biomateriale ESB (www.esbiomaterials.eu) Food and Drug Administration FDA (http://www.fda.gov/MedicalDevices)

Strategies in Regenerative Medicine. Integrating Biology with Materials Design, Ed. Matteo Santin, Springer, 2009 ESB Consensus Conference I Williams, D.F., Definitions in Biomaterials, Elsevier, Amsterdam, 1987 ESB Consensus Conference II Dohery P.J., Williams R.L., Williams D.F., and Lee A.J.C., Biomaterial-Tissue Interfaces, Elsevier, Amsterdam, 1992

Larousse Science Larousse Dictionary of Science and Technology, Larousse, Edinburgh, 1995 Oxford Science Oxford Concise Science Dictionary, Oxford University Press, 3rd Edition, 1996 MEDLINE Medical Subject Heading, National Library of Medicine, US National Institute of Health The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999 http://www.cbte.pratt.duke.edu/biomaterials-tutorials Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009

Questions? ?

2014 -fim-pibt-c4

Documents