1

Stiinta Biomaterialelor : O Aspiratie Interdisciplinara

SCURT ISTORIC

Romanii, chinezii si aztecii foloseau aurul in stomatologie cu mai mult de 2000 de ani

in urma. In decursul unei mari parti a istoriei consemnate in documente, ochii de sticla si

dintii de lemn se foloseau in mod comun. La inceputul secolului nostu, si materialele plastice

sintetice au devenit disponibile. Usurinta cu care acestea se fabricau a determinat efectuarea

multor experimente de implantare, majoritatea dintre ele, in lumina intelegerii actuale a

toxicologiei biomaterialelor, au fost insa sortite esecului. Polimetil (metacrilatul) (PMMA) a

fost introdus in stomatologie in 1937. In timpul celui de al doilea razboi mondial, cioburi de

PMMA de la turelele sfaramate ale tunurilor, au fost implantate neintentionat in ochii

aviatoriilor, conducand la idea ca unele materiale pot provoca doar o usoara reactie aversa de

corp strain. Exact dupa cel de al doilea razboi mondial, Voorhees a experimentat tesatura de

parasuta (Vinyon N) ca proteza vasculara. In 1958, intr-un manual de chirurgie

cardiovasculara scris de catre Rob, s-a sugerat ca, chirurgii ar putea apela la magazinele de

textile si ar putea cumpara tesatura Dacron care sa fie taiata cu foarfecele pentru a se putea

fabrica o proteza arteriala. La inceputul anilor 1960, Charnley a folosit PMMA, polietilena de

greutatea moleculara foarte ridicata si otelul inoxidabil pentru inlocuirea totala a soldului. In

timp ce aplicatiile acestor materiale sintetice in medicina au aparut tot mai mult in decursul

istoriei, termenul de "biomateriale" nu fusese inca evocat.

Este dificil sa se stabileasca originiile precise ale termenului de "biomaterial". Cu

toate acestea, este posibil ca domeniul pe care astazi il recunoastem ca atare, sa se fi conturat

cu precizie in timpul primelor simpozioane de la Clemson University la sfarsitul anilor 1960-

1970. Succesul stiintific al acestor simpozioane a condus la formarea Societatii pentru

Biomateriale in 1975. Doctorii-vizionari care implantau cele mai variate materiale pentru a

gasi solutii la problemele presante, ce amenintau adesea viata, nu au mai constituit forta

dominata in domeniu in urma acestor simpozioane Clemson. Au aparut inginerii ce proiectau

materiale pentru a indeplini anumite criterii specifice si oameni de stiinta care explorau

natura biocompatibilitatii. O disciplina stiintifica noua s-a dezvoltat in jurul acestui termen

"biomaterial". Evolutia in acest domeniu si cea a Societatii pentru biomateriale au fost strans

legate. De la ideile legate de biomateriale, dintre care multe au luat nastere la intalniriile

societatii, au evoluat alte domenii. Fabricarea de medicamente, biosenzori si bioseparatori

datoreaza mult biomaterialelor. Astazi exista departamente academice de biomateriale si

institute de cercetare in scopul educarii si al explorarii stiintei si ingineriei biomaterialelor. In

paralel cu efortul educational si de cercetare, s-au dezvoltat sute de companii care

incorporeaza biomateriale in aparatura diversa. Acest manual prezinta situatia domeniului

biomaterialelor intr-u moment in care acesta si-a stabilit deja bine locul, in jurul anilor 1990.

Desi biomaterialele sunt in principal folosite in aplicatii medicale, iar textul de fata se

va concentra asupra acestui aspect, ele sunt de asemenea folosite pentru cresterea celulelor de

cultura, in aparatura de manevrare a proteinelor in laborator, in aparatura de reglare a

fertilitatii vitelor, in cultura acvatica a stridiilor, si posibil in viitorul apropiat, ele vor fi

folosite intr-o celula de siliciu "biochip" care va fi integrata in calculatoarele noastre. Cum se

reconciliaza aceste variate intrebuintari ale materialelor intr-un singur domeniu? Firul comun

este interactiunea dintre sistemele biologice si materialele sintetice (sau naturale si

modificate).

2

In aplicatiile medicale, biomaterialele sunt rar folosite ca simple materiale si sunt in

mod normal integrate in aparatura sau instrumente. Desi acest manual se refera la materiale,

va deveni in scurt timp evident ca acest subiect nu poate fi explorat fara a considera de

asemenea apartura biomedicala. De fapt, un biomaterial trebuie intotdeauna considerat in

contextul formei de fabricatie finale si sterilizate. De exemplu, cand un elastomer poliuretan

este turnat dintr-un solvent intr-o forma pentru a se fabrica un aparat de asistenta cardiaca,

vor aparea probleme ale interactiunii sange-material diferite de cele legate doar de

problemele de turnare prin injectie ale aceluiasi material. Un sistem de hemodializa care

functioneaza ca un rinichi artificial necesita materiale care trebuie sa functioneze in contact

cu sangele pacientului si sa prezinte proprietati corespunzatoare legate de permeabilitate

membranei si de caracteristiciile de trasport de masa. De asemenea, trebuie sa fie prevazut cu

sisteme electronice si mecanice de pompare a sangelui si de control al vitezei de curgere.

Din nefericire, multe aspecte de proiectare ale aparaturii nu fac scopul acestei carti.

Considerati de exemplu un sistem de hemodializa. Preocuparea in acest caz este asupra

materialelor membranei si a compatibilitatii lor; exista mai putine informatii legate de

trasportul de masa prin membrana si putine informatii legate de sistemele de curgere si

electronica de monitorizare.

Cateva definitii si descrieri sunt clare si vor fi detaliate in capitolele urmatoare.

Au fost propuse mule definitii pentru termenul de "biomateriale". O definitie,

aprobata prin consens de expertii in domeniu este:

Un biomaterial este un material neviabil folosit in aparatura medicala cu intentia de

a interactiona cu sistemele biologice (Williams, 1987).

Daca cuvantul "medical" este indepartat, aceasta definitie devine mai larga si poate

incorpora domeniul larg de aplicatii sugerate mai devreme.

O definitie complementara, esentiala pentru intelegerea scopului stiintei

biomaterialelor este cea a "biocompatibilitatii".

Biocompatibilitatea este capacitatea unui material de a-si exercita functia intr-o

aplicatie specifica, primind un raspuns adecvat din partea sistemului gazda (Williams, 1987).

Astfel, sunt introduse consideratiile care individualizeaza biomaterialele de

majoritatea matarialelor cercetate in stiinta materialelor. Tabelul 1 prezinta cateva aplicatii

pentru materialele sintetice din corp. Include multe materiale care sunt adesea clasificate ca

"biomateriale". Observati ca sunt prezentate metalele, ceramicele, polimerii, sticlele,

carbonul si materialele compozite. Tabelul 2 prezinta estimariile pentru un numar de aparate

medicale ce contin biomateriale care sunt implantate la oameni in fiecare an, cat si

dimensiunea pietei comerciale pentru biomateriale si instrumente medicale.

Sunt date patru exemple de aplicatii ale biomaterialelor pentru a ilustra ideile

importante. Instrumentele specifice discutate au fost alese datorita faptului ca sunt larg

folosite la oamenii, de foarte multe ori cu succes. Totusi, sunt puse in lumina si probleme

cheie legate de aceste aparate biomateriale. Fiecare din aceste exemple este discutat in detaliu

in capitolele urmatoare.

3

EXEMPLE DE APLICATII DE BIOMATERIALE

Valve cardiace de substitutie

Degenerarea si alte boli ale valvelor inimi fac deseori necesara interventia si

inlocuirea chirurgicala a acestora. Protezele de valve cardiace sunt fabricate din carbon,

metale, elastomeri, tesatura, valve naturale (de exemplu porc) si alte tesuturi pretratate chimic

pentru a reduce reactivitatea imunologica si pentru a creste durabilitatea. Mai mult de 45 000

de inlocuiri de valve sunt implantate in fiecare an in Statele Unite datorita problemelor

dobandite de catre valvele naturale sau a anomaliilor cardiace congenitale. Figura 1 prezinta

o valva cardiaca sub forma de disc cu doua foliole, acesta fiind modelul cel mai larg

raspandit. In general, aproape imediat ce valva este implantata, functia cardiaca este

restaurata la nivele aproape de cele normale si pacientul arata semne de imbunatatire rapida.

In ciuda succesului total observat in cazul inlocuirii valvelor cardiace, exista probleme legate

de tipurile de valve; aceste probleme includ si degenerarea tesuturilor, deteriorarea mecanica,

infectia post-operatorie si inducerea de cheaguri de sange.

Articulatiile de sold artificiale

Articulatia de sold umana este supusa unor tensiuni mecanice ridicate si sufera un

efort considerabil. Nu este surprinzator ca datorita a 50 de ani sau mai mult de ciclu de

tensiuni mecanice, sau datorita bolilor degenerative sau reumatologice, articulatia naturala se

uzeaza, conducand la scaderea mobilitatii si adesea, la imbilizarea in scaun cu rotile.

Articulatiile pentru sold sunt fabricate din titan, aliaje specifice de rezistenta ridicata,

materiale ceramice, compozite si polietilena de greutate moleculara foarte ridicata.

Articulatiile de sold artificiale (Fig.2) sunt implantate la mai mult de 90 000 oameni in

fiecare an numai in Statele Unite. In anumite cazuri de inlocuire a articulatiei soldului si in

anumite proceduri chirurgicale, functia ambulatorie este reinstalata in cateva zile dupa

interventie. Pentru alte tipuri, este necesara o perioada de vindecare pentru portiunea de

fixare dintre os si implant, inainte ca articulatia sa poata suporta intreaga greutate a corpului.

In majoritatea cazuriilor, functionarea buna este reinstalata si sunt posibile chiar activitatile

atletice, desi in general ele nu sunt recomandabile. Dupa 10-15 ani, implantul poate sa

slabeasca, necesitand o alta operatie.

Implanturile dentare

Introducerea pe scara larga a implanturilor de titan a revolutionat implantologia

dentara (Fig. 3). Aceste aparate, care formeaza radacina artificiala a dintelui, pe care se

fixeaza coroana, sunt implantate la aproximativ 275 000 de oameni in fiecare an, in unele

cazuri o persoana poate primi mai mult de 12 implanturi. O cerinta speciala a materialului din

aceasta aplicatie este capacitatea sa de a forma o bariera solida impotriva invaziei de bacterii

in locul in care implantul traverseaza gingia. Unul din avantajele principale ale implanturilor

de titan il reprezinta legatura cu osul maxilarului. In ultimii ani, totusi, aceasta fixare a fost

descrisa mai bine ca o imbinare stransa sau o legatura mecanica, si nu o legatura adevarata.

Sunt de interes, de asemenea, uzura, coroziunea si proprietatiile mecanice ale titanului.

Lentilele intraoculare

Lentilele intraoculare (IOL) executate din poli (metil metacrilat), elastomer siliconic

sau alte materiale sunt folosite pentru a inlocui o lentila naturala cand aceasta devine

incetosata sau atacata de cataracta (Fig. 4). Pana in jurul varstei de 75 de ani, mai mult de 50

% din populatie sufera de o cataracta suficient de severa pentru a necesita un implant de IOL.

Aceasta inseamna 1,4 milioane de implanturi pe an doar in Statele Unite, si un numar dublu

4

in toata lumea. Vederea buna se reinstaleaza aproape imediat dupa ce lentila este aplicata si

rata de suces cu acest dispozitiv este foarte ridicata. Procedurile chururgicale sunt bine

dezvoltate si implantul se face adesea exterior pacientului. Observatiile recente folosind

biomicroscopul arata ca celule imflamate migreaza catre suprafata lentilelor la o anumita

perioada de la implantare, lucru care poate fi observat si in cazul altor materiale implantate in

alte locuri din organism.

Multe teme sunt ilustrate de catre aceste 4 modele. In general, se observa ca aceste

aplicatii de larga raspandire sunt efectuate cu succes. O gama larga de materiale sintetice ce

variaza ca proprietati chimice, fizice si mecanice sunt folosite in corp. Sunt implicate multe

zone ale corpului. Se observa pentru fiecare caz mecanismul prin care organismul raspunde

corpuriilor straine si felul cum se vindeca ranile. Problemele, grijle si observatiile ramase fara

explicatie sunt discutate pentru fiecare aparat in parte. Companiile executa toate aceste

aparate si ele aduc profituri. Agentiile de reglementare supervizeaza cu atentie performantele

aparatului si intocmesc strategii pentru a controla atat industria producatoare, cat si pentru a

proteja pacientul. Exista probleme etice sau sociale care trebuie tratate? Pentru a pregati

terenul in vederea introducerii formale in stiinta biomaterialelor, ne vom intoarce la cele

patru exemple discutate pentru a examina problemele implicate de fiecare caz.

CARACTERISTICIILE STIINTEI BIOMATERIALELOR

Interdisciplinaritate

Mai mult decat oricare din domenile tehnologiei contemporane, stiinta

biomaterialelor reuneste cercetatori cu educatia academica diversa care trebuie sa comunice

clar. Figura 5 prezinta cateva dicipline care sunt intalnite pe parcursul drumului ce porneste

de la identificarea cerintei pentru un anumit biomaterial sau aparat, continuand cu productia,

vanzarea si incheind cu implantul acestuia.

Multe materiale

Omul de stiinta din domeniul biomaterialelor trebuie sa aiba o cunoastere si apreciere

corespunzatoare a stiintei materialelor. Aceasta porneste de la o stapanire impresionanta a

teoriei si practicii in acest domeniu, specifica cercetatorului din domeniul materialelor, pana

la intelegerea generala a proprietatilor materialelor, care este demonstrata de un om de stiinta

din domeniul medical si al biomaterialelor.

O gama larga de materiale se folosesc in mod uzual (Tabel 1) si nici unui cercetator

nu ii va fi la indemana sa sintetizeze si sa proiecteze toate aceste materiale. Astfel,

specializarea devine regula. Totusi, aprecierea globala a proprietatiilor si aplicatiilor acestor

materiale, paleta din care cercetatorul de biomateriale va alege, reprezinta semnul distinctiv

al profesionistilor din acest domeniu.

Exista o tendinta de a grupa materialele (si cercetatorii) in tabara "biomaterialelor de

inlocuire cu tesut dur", reprezentata in mod tipic de catre materialele ortopedice si cele

dentare, si tabara "biomaterialelor de inlocuire din tesuturi moi"(exemplu polimerii) care este

adesea asociata cu materialele din chirurgia cardiovasculara si chirurgia plastica generala. In

practica, aceasta divizare, nu este reprezentativa - o valva cardiaca poate fi executata din

polimeri, metale sau carbon, in timp ce o articulatie de sold poate fi compusa din metale si

polimeri, iar interfata dintre ea si organism va fi facuta de catre un ciment polimeric. Trebuie

sa existe o intelegere generala a tututor claselor de materiale iar aceasta carte isi propune

acest lucru.

5

Tabel 1. Cateva aplicatii ale materielelor sintetice si materielelor naturale modificate care

sunt folosite in medicina

Aplicatie Tipul de materiale

Sistemul osos

Inlocuire de articulatie (sold, genunchi) Titan, aliaje Ti-Al-V, otel inoxidabil, polietilena

Placa de os pentru fixarea fracturii Otel inoxidabil, aliaj cobalt-crom

Ciment de os Poli(metil metacrilat)

Reparatie de defect osos Hidroxilapatita

Tendon si ligament artificial Teflon, Dacron

Implant dentar pentru fixare dinte Titan, alumina, fosfat de calciu

Sistemul cardiovascular

Proteza de vas sangin Dacron, Teflon, poliuretan

Valva cardiaca Tesut reprocesat, otel inoxidabil, carbon

Cateter Cauciuc siliconic, Teflon, poliuretan

Organe

Inima artificiala Poliuretan

Reparatie de piele Compozita silicon-colagen

Rinichi artificial Celuloza, poliacrilonitril

Aparat inima-plaman Cauciuc siliconic

Simturi

Inlocuire melc auditiv Electrozi de platina

Lentile intraoculare Poli(metil metacrilat) cauciuc siliconic, hidrogel

Lentile de contact Silicon-acrilat, hidrogel

Bandaj de cornee Colagen, hidrogel

6

Tabelul 2 Biomaterialele si piata aparaturii in domeniul sanatatii - fapte si cifre (pe an)

Cheltuielile totale in domeniul sanatatii in S.U.A.(1990) 666,200,000,000$

Totalul cercetarii si dezvoltarii in domeniul sanatatii in S.U.A.(1990) 22,600,000,000$

Numarul de angajati in industria de aparatura medicala (1988) 194,250

Numarul de producatori inregistrati in industria de aparatura medicala 19,300

Vanzarile totale de apratura medicala

Aparatura de chirurgie 8,414,000,000$

Instrumente de chirurgie 6,444,000,000$

Aparatura electromedicala 5,564,000,000$

Piata de biomateriale din S.U.A. 402,000,000$

Vanzarile de aparatura medicala individuale:

Catetere (1991) 1,400,000,000$

Catetere angioplastice (pana la mijlocul 1990) 1,000,000,000$

Ortopedie (1990) 2,200,000,000$

Produse de ingrijirea ranilor (estimare 1988) 4,000,000,000$

Senzori biomedicali (1991) 365,000,000$

Pancreas artificial (estimare 1985; daca exista unul si

a fost folosit de 105 din diabeticii dependenti de

insulina din S.U.A.) 2,300,000,000 $

Numarul de aparate

Lentile intraoculare 1,400,000 a

Lentile de contact

Utilizatori de lentile usoare de folosire indelungata 4,000,000a

Utilizatori de lentile usoare de folosire zilnica 9,000,000a

Utilizatori de lentile rigide permeabile de gaz 2,600,000a

Grafuri vasculare 250,000a

Valve cardiace 45,000a

Stabilizatori cardiaci/pacemaker 460,000a

Pungi de sange 30,000,000b

Proteze de san 544,000a

Catetere 200,000,000b

Oxigenatori 500,000b

Dializor renal 16,000,000b

Ortopedie (sold, genunchi) 500,000b

Genunchi 816,000a

Sold 521,000a

a estimari din 1990 pentru Statele Unite b estimari din 1981 pentru tarile Europei Ooccidentale si Japonia

Dezvoltarea aparaturii de biomateriale

Figura 5 ilustreaza interactiunea interdisciplinara in domeniul biomaterialelor si arata

calea normala in dezvoltarea unui biomaterial sau a unui aparat. Furnizeaza o perspectiva a

felului diferit in care disciplinele conlucreaza, incepand de la identificarea cerintei pentru un

anumit biomaterial si ajungand la dezvoltarea, fabricarea, implantarea si indepartarea acestuia

din pacient.

7

Fig.5 Disciplinele implicate in stiinta biomaterialelor si drumul de la necesitatea creerii unui

anumit aparat medical pana la producerea sa

ACTIUNE FACILITATOR

Identificarea necesitatii Doctor/Stomatolog

Tratrarea unei afectiuni Cercetator

Inlocuirea unui organ Inventator

Probleme cosmetice

Proiectarea aparatului Doctor

Inginer

Sinteza materialului Ceramist

Metalurg

Chimist in domeniul polimerilor

Testarea materialului

- proprietati mecanice Bioinginer

- toxicologia Inginer mecanic

-bioreactie la material Biochimist

interactiuni cu proteine Veterinar

activarea de celule

reactia tesuturilor

-biostabilitatea

mecanica

chimica

Fabricarea Inginer

Prelucrator

Sterilizarea si impachetarea Bioinginer

Proiectant industrial

Testarea aparatului

Toxicologia Bioinginer

Biointeractia in vitro Doctor/stomatolog

Testarea animala

Reglementarea

Aprobarea anterioara intrarii pe piata Specialist in reglementari

Studiu clinic limitat Agentie de reglementare

Teste clinice Congres

Monitorizarea pe termen lung

Utilizarea clinica Doctor

Stomatolog

Oftalmolog

Analiza de indepartare a implantului/explant

Inregistrarea explantului Patologist

Examinarea patologica Bioinginer

Testare pentru determinarea defectarii aparatului

8

Importanta domeniului

Importanta domeniului este exprimata atat de importanta cererii pentru un anumit

aparat, cat si de importanta pietei comerciale. Nu mai este nevoie sa spunem, ca poate aparea

un conflict de interese, cu presiuni venite atat din sectorul commercial, cat si dictate de

consideratiile etice. Luati in considerare trei aparate biomateriale folosite in mod comun: o

lentila de contact, o articulatie de sold si o valva cadiaca. Toate reprezinta o necesitate

medicala. Lentila de contact ofera o vedere imbunatatita si in unele cazuri o infrumusetare

cosmetica. Articulatia de sold ofera moblitate pacientului care altfel ar fi tintuit in scaunul cu

rotile. Valva cardiaca ofera viata. Lentila de contact se poate vinde cu 100$, articulatia de

sold si valva cadiaca se pot vinde cu pana la 3000$ fiecare. Se vor cumpara 20 milioane de

lentile de contact pe an, dar poate doar 100 000 de valve cardiace (in lume) si 500 000 de

proteze de articulatie pentru sold. Priviti problemele ce trebuie considerate: numarul mare de

aparate, diferenta de cerere pentru fiecare produs si diferenta (mare) de potential comercial.

Nu exista un raspuns simplu legat de felul in care aceste componente sunt integrate in

domeniul pe care il numim ''stiinta biomaterialelor". Pe masura ce veti strabate acest volum,

incercati sa aveti in vedere fiecare din ideile si aparatele prezentate in contextul acestor

consideratii.

Alaturi de aceste caracteristici ale stiintei biomaterialelor - nuanta

interdisiplinara, importanta cererii si stiinta sofisticata a materialelor - exista cu siguranta

subiecte, adesea unice, care ocupa locuri proeminente in domeniul nostru.

9

SUBIECTE COMPONENTE ALE STIINTEI BIOMATERIALELOR

Toxicologia

Un biomaterial nu trebuie sa fie toxic, decat daca este special proiectat pentru

asemenea cerinte (de exemplu, un medicament cu sistem de eliberare tip "bomba inteligenta"

pentru localizarea si distrugerea celulelor canceroase). Deoarece cerinta de netoxicitate

reprezinta standardul, toxicologia pentru biomateriale s-a dezvoltat intr-o stiinta sofisticata.

Ea se va ocupa de substantele care migreaza in afara biomaterialelor. De exemplu, pentru

polimeri, multe materiale de greutate moleculara scazuta "care pot fi dizolvate prezinta un anumit nivel de activitate fiziologica si toxicitate a celulei. Este firesc sa se spuna ca un

biomaterial nu trebuie sa elimine nimic decat daca este special proiectat pentru asa ceva.

Toxicologia se refera de asemenea la metodele de evaluare a modului in care acest criteriu de

proiectare este indeplinit atunci cand un biomaterial este in faza de dezvoltare. Capitolul 5.2

ofera o prezentare de ansamblu a metodelor din toxicologia biomaterialelor. Implicatiile

toxicologiei sunt tratate in capitolele 4.2 si 4.4.

Biocompatibilitatea

Intelegerea si masurarea biocompatibilitatii este unica in stiinta biomaterialelor. Din

nefericire, nu avem definitii clare sau masuratori precise ale biocompatibilitatii. Cel mai

adesea este definita in raport cu performanta sau succesul unui scop precis. Astfel, pentru un

pacient care este viu si se simte bine, cu o proteza vasculara care nu prezinta ocluzii, foarte

putini ar putea sustine ca aceasta proteza nu este, in acest caz "biocompatibila". Cu toate

acestea, aceasta definitie operationala ne ofera foarte putin in ceea ce privese proiectarea de

proteze noi sau imbunatatite. Este probabil ca biocompatibiltatea sa fie definita in mod

specific pentru tesutuile moi, pentru tesuturile dure si pentru sistemul cardiovascular

(compatibilitatea sangelui). De fapt, poate ca este nevoie ca biocompatibilitatea sa fie definita

in mod unic pentru fiecare aplicatie in parte. Problemele si intelesurile biocompatibilitatii vor

fi explorare si detaliate in acest manual, in particular in capitolele 4 si 5.

Vindecarea

Procese speciale sunt evocate atunci cand un material sau aparat (se) vindeca in

interiorul organismului. Afectarea si ranirea tesuturilor vor stimula reactia inflamatorie bine

definita care conduce la vindecare. Cand un corp strain (de exemplu implantul) este implicat,

reactia consecutiva se va denumi "reactie la corp strain" (capitolul 4.2). Raspunsul normal al

organismului va fi modulat datorita implantului solid. Mai mult, aceasta reactie va fi diferita

ca intensitate si durata si va depinde de zona anatomica implicata. Pentru un om de stiinta din

domeniul biomaterialelor este importanta intelegerea felului in care obiectul strain

influenteaza reactia normala inflamatorie.

Zone anatomice unice

Considerarea zonei anatomice a implantului este esentiala. O lentila intraoculara

poate intra in capsula lentilei sau in camera anterioara. O articulatie de sold va fi implantata

10

in osul ce traverseaza spatiul articulatiei. O valva cardiaca va fi suturata in muschiul cardiac.

Un cateter poate fi asezat intr-o vena. Fiecare din aceste zone ridica probleme proiectantului

de aparat biomedical legate de cerintele de geometrie, marime, proprietati mecanice si

bioreactie. Capitolul 4 introduce aceste idei.

Cerintele mecanice si de performanta

Fiecare biomaterial si aparat are impuse asupra sa cerinte mecanice si de performanta

care rezulta din proprietiile fizice ale materialului. Aceste cerinte pot fi impartite in trei

categorii: performanta mecanica, durabilitatea mecanica si proprietatile fizice. In primul rand,

sa consideram performanta mecanica. O proteza de sold trebuie sa fie puternica si flexibila. O

valva cardiaca trebuie sa fie flexbila si tenace. O membrana de dializa trebuie sa fie puternica

si flexibila, dar nu elastica. Un substitut de cartilagiu articular trebuie sa fie moale si elastic.

Apoi, trebuie tratata problema durabilitatii mecanice. Un cateter poate fi nevoit sa

functioneze doar trei zile. O placa de os trebuie sa-si indeplineasca functia timp de 6 luni sau

mai mult. O folie a unei valve cardiace trebuie sa flexeze de 60 de ori pe minut fara sa se

rupa de-a lungul intregii vieti a pacienului (se spera 10 ani sau mai mult). O articulatie de

sold trebuie sa nu cedeze sub greutate o perioada de mai mult de 10 ani. In cele din urma,

proprietatile fizice vor determina performanta. Membrana de dializa are permeabilitate

specificata, cupa articulara a articulatiei soldului are lubricitate si lentila intraoculara prezinta

claritate si capacitate de refractie. Pentru a indeplini aceste cerinte, principiile de proiectare

vor fi preluate din ingineria mecanica, ingineria chimica si stiinta materialelor.

Implicarea industriala

In timp ce se face un efort semnificativ de catre cercetatori pentru a intelege cum

functioneaza biomaterialele si cum trebuie sa fie optimizate, companiile produc milioane de

implaturi si castiga miliarde de dolari din vanzarea aparaturii medicale. Astfel, desi acum de

abia se invata despre bazele biointeractiunii, se fabrica si se implanteaza materiale si aparate.

Cum poate fi explicata aceasa dihtomie? In mare parte, ca rezultat al unei experiente

considerabile, al incercariilor si al greselilor, al previziunilor inspirate sau doar al simplului

noroc, avem astazi un set de materiale care se comporta satisfactor in corp. Medicul

practicant poate sa le foloseasca cu incredere suficienta si performanta in cazul pacientului

este in mare masura acceptata. In esenta, complicatiile date de aceasta aparatura sunt mai

mici decat complicatiile bolilor initiale. Companiile realizeaza profituri impresionate din

aceste aparate. Totusi, in anumite privinte, pacientul schimba o boala cu alta, si sunt

suficiente dovezi ca pot fi obtinute materiale si aparatura mai bune prin explorare pur

stiintifia si inginereasca. Deci, in domeniul biomaterialelor vedem doua fete ale monedei -

stiinta pura si efortul ingineresc, pe de o parte si sectorul comercial, pe de alta parte.

Echilibrul dintre dorinta de a reduce pierderea de vieti si suferinta si imperativul

corporatilor de a crea profit ne forteaza sa privim mai departe in acest domeniu si sa gasim

sprijin. Evident, problemele etice intra si ele in discutie. Companiile au investit mult in

productie, controlul calitatii, testarea clinica, procedurile de reglementare si distributia de

aparatura medicala. Ce avantaj se va realiza cand se introduce un aparat imbunatatit? Acest

aparat poate intr-adevar sa functioneze mai bine pentru pacient. Cu toate acestea, compania

va contracta costuri mai mari care, pe termen scurt pot fi vazute de catre actionari ca o

reducere de profit. Mai mult, problemele de raspundere pentru un produs reprezinta o

preocupare majora a producatorilor. Cand se priveste latura industriala a domeniului

biomaterialelor, apar intrebari legate de etica retinerii de pe piata, in defavoarea pacientilor, a

11

unui aparat imbunatatit, avantajele pietei de a avea un produs mai bun si costurile uriase

(posibil irecuperabile) ale introduceii unui nou produs pe piata de aparatura medicala. Daca

companiile nu ar avea stimulentul profitului, ar mai exista aparatura medicala disponibila

pentru aplicatiile medicale?

Cand se examineaza segmentul indistrial al domeniului biomaterialelor, se pot

observa si contributii pozitive in acest domeniu. Industria reuseste se faca fata cu bine

problemelor de impachetare, sterilizare, control al calitatii si analiza. Aceste probleme

necesita o baza tehnologica puternica si au generat intrebari ce stimuleaza cercetarea. De

asemenea, multe companii sprijina laboratoarele de cercetare interne si contribuie in

modalitati importante la studiul fudamental al stiintei biomaterialelor.

Etica

Exista o gama larga de alte consideratii etice in stiinta biomaterialelor. Unele

intrebari etice cheie in stiinta bomaterialelor sunt prezentate in tabelul 3. Ca si multe alte

probleme etice, raspunsul absolut poate fi greu de dat. Unele articole au tratat problemele

etice si au dezbatut puncte de vedere importante (Saha si Saha 1987, Schiedermayer si

Shapiro 1989).

Tabel 3 Anumite probleme etice relevante in stiinta biomaterialelor

Este justificata folosirea modelelor animale? In mod particular, experimentul este bine

proiectat si important incat datele obtinute sa justifice suferinta si sacrificiul vietii unei fiinte?

Cum ar trebuie sa fi condusa proiectarea ce foloseste fiinte umane pentru a minimiza riscul

pentru pacient si pentru a oferi un raport rezonabil risc/beneficiu?

Companiile ofera fonduri pentru cercetarea biomaterialelor si au drept de posesie asupra

biomaterialelor. Cum pot fi cel mai bine echilibrate cerintele pacientului cu scopurile

finaciare ale companiei? Luati in considerare ca cineva trebuie sa produca aparatura - acestea

nu ar putea fi disponibile daca o anumita companie nu le-ar produce.

Deoarece cercetatorii adesea beneficiaza finaciar de un aparat biomedial de succes si uneori

aparatul le poara chiar numele, cum poate fi rezolvata problema cercetatoriilor in cercetarea

biomaterialelor?

Pentru aparatele care sustin viata, are este pretul dintre sustinerea unei vieti si calitatea vietii

cu acest aparat? Ar trebui sa i se permita pacientului "sa scoata din priza aparatul' daca

calitatea vietii nu este satisfacatoare?

Cu atat de multe intrebari neraspunse in stiinta biomaterialelor, au agentiile guvernamentale

suficiente informatii pentru a defini teste adecvate pentru materiale si aparatura si pentru a

reglementa corespunzator biomaterialele?

Reglementari

Consumatorul (pacientul) are nevoie de apatura medicala sigura. Pentru a preveni

aparitia pe piata a aparaturii si materialelor testate necorespunzator si pentru a exclude clar

pesoanele necalifiate pentru a produce biomateriale, Guvernul Statelor Unite a infiintat un

sistem de reglementare complex si national prin intermediul Administratiei de Alimente si

Medicamente (FDA). Prin intermediul ISO, s-au dezvoltat standarde de reglementare pentru

12

comunitatea mondiala. Evident, au fost incoporate cunostinte substantiale legate de

biomateriale in aceste standarde. Costurile pentru indeplinirea acestor standarde si pentru a

demonstra conforitatea cu testarile clinice, biologice si de material sunt enorme. Introducerea

unui nou aparat biomedical pe piata necesita o investitie regulatorie de multe milioane de

dolari. Oare acest reglementari si standarde trateaza cu adevarat problemele de siguranta?

Costul reglementariilor are un efect inflationist asupra costului sanatatii in general, si in acest

fel impiedica aparatura imbunatatita sa ajunga la cei care au nevoie de ea? In cadrul acestui

subiect, legat de reglementari, putem vedea intersectia dintre toti participantii din

comunitatea biomaterialelor: guvern, industrie, etica si stiinta. Raspunsurile nu sunt simple,

dar problemele sunt tratate in fiecare zi. Capitolul 10.2 si 10.3 detaliaza standardele si

problemele de reglementare.

Literatura disponibila in domeniul biomaterialelor

In ultimii 40 de ani, domeniul biomaterialelor s-a dezvoltat de la cercetatorii medicali

inividuali, care incercau "sa rezolve problema" catre disciplina definita pe care o avem astazi.

In paralel cu evolutia acestei discipline, literatura de specialitate a evoluat si ea.

Concluzii

Acest capitol ofera o imagine cuprinzatoare a domeniului biomaterialelor. Are scopul

de a furniza un punct de plecare de la care cititorul poate incepe sa plaseze toate subtemele

(capitolele) din perspectiva unui intreg cuprinzator.

Pentru a reitera un punct cheie, stiinta biomaterialelor poate fi cea mai

interdisciplinara dintre toate stiintele. Ca urmare, cercetatorii de biomateriale trebuie sa

stapaneasca cunostiinte din multe domenii: stiinta, tehnologie, inginerie si medicina pentru a

fi competenti in acest domeniu. Rasplata pentru aceasta cunoastere este implicarea intr-o

aspiratie intelectuala care stimuleaza si avanseaza in intelegerea stiintelor de baza si

contribuie de asemenea la reducerea suferintei umane.

13

Proprietatiile Materialelor

1.1 INTRODUCERE

S-a dovedit ca proprietatiile generale si proprietatiile de suprafaa ale metalelor care au fost utilizate pentru implanturi influenteaza direct, iar in unele cazuri, chiar

controleaz dinamica de la interfaa esuturilor din momentul plasrii iniiale pe viu pana la eliminarea finala. Se admite ca, compatibilitatea este un proces in doua sensuri intre

biomaterialele incorporate in aparatura si mediul gazda de implant. Este foarte important sa se recunoasc ca materialele sintetice au caracteristici generale si de suprafaa specifice care depind de proprietatiile lor. Aceste caracteristici trebuie cunoscute nainte de orice aplicaie medicala, dar acestea trebuie de asemenea cunoscute si in raport cu schimbrile care pot avea loc in timp in organism. Cu alte cuvinte, orice schimbare in timp a proprietatiilor trebuie sa fie anticipata din

pornire si motivata prin alegerea biomaterialelor si/sau proiectul de aparat.

Informaiile legate de proprietatiile de baza sunt disponibile prin intermediul standardelor naionale si internaionale, din manuale si reviste de specialitate de diverse tipuri. Cu toate acestea, aceste informaii trebuie evaluate in cadrul contextului utilizrii respectivului biomaterial, deoarece att aplicaiile acestuia cat si rspunsurile esuturilor gazda sunt specifice anumitor zone, de exemplu de tip cardiovascular (contact cu sngele in curgere), ortopedic (solicitarea sub aciunea unei sarcini/greutati operatioanle) si dentar (de percutare).

Urmtoarele doua capitole ofer informaii de baza despre proprietatiile generale si de suprafaa ale biomaterialelor bazate pe substane metalice, polimerice si ceramice. Sunt incluse de asemenea detalii despre cum pot fi determinate aceste caracteristici.

Coninutul acestor capitole este general, iar informaiile mai detaliate sunt prezentate in capitolele urmtoare si in bibliografie.

1.2 PROPRIETATIILE GENERALE ALE MATERIALELOR.

INTRODUCERE: STAREA SOLIDA

Solidele se deosebesc de celelalte stri ale materiei (lichida si gazoasa) prin faptul ca atomii constitueni se afla sub influenta unor forte interatomice puternice (Pauling, 1960). Structurile electronice si atomice si aproape toate proprietatiile fizice depind de

natura si rezistenta legturilor interatomice. Sunt cunoscute trei tipuri de legturi interatomice puternice sau principale: ionica, covalenta si metalica.

Legtura ionica

In legtura ionica, atomi donori de electroni (metalici) transfera unul sau mai muli electroni ctre un atom acceptor de electroni (nemetalic). Cei doi atomi devin astfel cation (metalul) si anion (nemetalul) care sunt puternic atrai prin efectul electrostatic. Aceasta atracie a cationilor si anionilor constituie legtura ionica (John, 1983). In corpurile solide compuse din mai muli ioni, acetia sunt aranjai astfel nct fiecare cation este nconjurat de cat mai muli anioni posibil pentru a reduce fortele de

14

respingere reciproca dintre cationi. Aceasta ordonare reduce mai mult energia totala a

ansamblului si conduce la formarea unui aranjament foarte ordonat numit structura

cristalina. Electronii legai mai slab sunt acum atrai puternic in vecintatea legturii ionice. Astfel, structura elctronica a atomului este schimbata prin crearea legturii ionice. In plus, electronii de legtura nu sunt disponibili pentru a servi drept purttori de sarcina si de aceea corpurile solide ionice sunt slabe conductoare de electricitate. Ca o ultima

remarca, energia totala sczuta a acestor substane le confer si o reactivitate chimica relativ sczuta. Fluorura de sodiu (NaF) si clorura de magneziu (MgCl2) sunt exemple de substane solide ionice.

Legtura covalenta

Elementele care se afla la limita dintre metale si nemetale, cum ar fi carbonul si

siliciul, poseda atomi cu patru electroni de valena si tendine egale de a dona si accepta electroni. Din acest motiv, ele nu formeaz legturi ionice puternice. De fapt, se vor forma structuri electronice stabile prin punerea in comun a electronilor de valena. De exemplu, doi atomi de carbon pot fiecare sa contribuie cu un electron la o pereche.

Aceasta pereche de electroni pusa in comun constituie legtura covalenta (Morson et al, 1983).

Daca un atom de carbon central participa in patru astfel de legturi covalente (doi electroni la fiecare legtura), s-a obinut un strat exterior stabil de 8 electroni de valena. Mai muli atomi de carbon pot sa fie adaugati pentru a duce la creterea acestei formaiuni, astfel nct fiecare atom are 4 vecini de cea mai mare apropiere cu care are o legtura. Astfel, intr-o grupare mai mare, fiecare atom are o structura electronica stabila si patru vecini apropiai. Aceti vecini formeaz adesea un tetraedru, iar tetraedrele la rndul lor sunt aezate intr-un model ordonat ce se repeta (cristal). Aceasta este structura att a diamantului, cat si a siliciului. Diamantul este cel mai dur dintre toate materialele, ceea ce arata ca legtura covalenta poate fi foarte puternica. Maerita inca odat subliniat, legtura determina o structura electronica deosebita (toi electronii pereche sunt asezati in legturi covalente) si un aranjament atomic particular sau o structura cristalina. Ca si in cazul substanelor ionice, poziionarea electronilor de valena in legturi covalente face ca aceste substane sa fie slab conductoare de electricitate.

Legtura metalica

Cea de a treia si cea mai puin inteleasa dintre legturile puternice este legtura metalica. Atomii de metale, fiind puternici donori de electroni, nu se leag nici prin legturi ionice, nici covalente. Cu toate acestea, multe metale sunt foarte puternice (cobaltul) si au puncte de topire foarte ridicate (wolframul) sugernd ca exista legturi interatomice puternice si in aceste cazuri. Modelul care explica aceasta legtura infatiseaza atomii aranjai intr-un model tridimensional ordonat care se repeta, avnd electronii de valena in migrare, sub forma unui gaz, intre toi atomi. Este util de imaginat cristalul metalic format din miezuri ionice pozitive, atomi

fara electroni de valena, in jurul crora circula electronii negativi. In medie, toate sarcinile electrice sunt neutralizate la nivelul cristalului si legtura apare deoarece electronii negativi actioneaza ca un adeziv intre miezurile ionice pozitive. Aceasta

15

construcie este numita modelul cu electroni liberi ai legturii metalice. Evident, rezistenta legturii creste pe msura ce miezurile ionice si "gazul" electronic devin mai apropiate (pana cnd orbitalii electronici interiori ai ionilor ncep sa se suprapun). Aceasta da natere unei stri de energie minima cnd miezurile ionice sunt foarte apropiate si se afla la o distanta minima posibila.

Pentru a concluziona, aceasta legtura conduce la o structura cristalina ordonata, aranjata la nevel atomic si la o configuraie electronica unica. In particular, legturile nelocalizate din interiorul cristalelor metalice permit deformarea plastica (care, strict

vorbind nu apare la oricare dintre nemetale) si gazul electronic explica reactivitatea

chimica si conductivitate electrica si termica ridicata a sistemelor metalice (John, 1983).

Legturile slabe

In plus fata de aceste trei legturi puternice, mai exista cteva legturi secundare slabe care influenteaza semnificativ proprietatiile unor corpuri solide, in special ale

polimerilor. Cele mai importante dintre acestea sunt legtura van der Waals si legtura de hidrogen, care au o rezistenta de 3 pana la 10 % din cea a legturii covalente principale C-C.

Structura atomica

Aranjamentul tridimensional al atomilor sau ionilor intr-un corp solid reprezint una din cele mai importante caracteristici structurale care deriva din natura legturii in stare solida. In majoritatea corpurilor solide, acest aranjament este constituit intr-un

cristal. Un cristal este un corp solid ai crui atomi sau ioni sunt aranjai intr-un model tridimensional ordonat ce se repeta in cele trei direcii spatiale. Aceste modele permit atomilor sa fie strns impachetati/ordonati (sa aib numrul maxim de vecini apropiai (in contact)) astfel nct numrul de legturi principale sa fie maxim si energia acestui agregat sa fie minima.

Structurile cristaline sunt adesea reprezentate prin elemente sau subdiviziuni ale

cristalului care se repeta si care sunt numite celule elementare. Celule elementare prezint toate proprietatiile geometrice ale cristalului ntreg (Fig. 1). Modelul ntregului cristal se poate obine prin simpla repetare a celulelor elementare sub forma de blocuri sau placi hexagonale. Observai ca reprezentrile celulelor elementare din Fig. 1 sunt idealizate, in sensul ca atomi sunt reprezentai sub forma unor mici cercuri aezate in jurul centrelor atomice. Aceasta s-a fcut pentru intelegerea structurii in sine. Materialele tehnice folosite pentru construirea majoritatii structurilor sunt

impartite in trei clase: metalele, ceramicele (incluznd sticlele) si polimerii. Aceste clase pot fi identificate doar la prima vedere cu cele trei tipuri de legturi interatomice.

Metalele

Materialele care prezint legtura metalica in stare solida sunt metale. Amestecurile sau soluiile de diverse metale sunt denumite aliaje. Aproximativ 85% din toate metalele prezint una dintre structurile cristaline artate in Fig 1. In cazul structurilor cu fete centrate si hexagonal compacte, fiecare atom

16

sau ion este nconjurat de 12 vecini aflai in contact, ceea ce reprezint cea mai compacta aranjare pentru sferele de mrime uniforma. In oricare aranjament cu sferele aranjate compact, 74% din volum va fi ocupat de ctre sfere. In cazul structurilor cu volum centrat, fiecare atom sau ion are opt vecini apropiai sau o coordinatie 8. In mod surprinztor, densitatea de mpachetare se reduce doar la 68%, astfel nct structura cu volum centrat este aproape la fel de compacta ca structurile cu fete centrate si cele

hexagonale (John, 1983).

Ceramicele

Materialele ceramice sunt de obicei compui solizii anorganici cu diverse combinaii de legturi ionice sau covalente. Ele prezint de asemenea structuri compacte, dar au anumite condiii impuse legturii, cum ar fi coordinatia 4 pentru corpurile solide covalente si neutralitatea sarcinii pentru corpurile solide ionice (adic fiecare celula elementara trebuie sa fie neutra din punct de vedere electric). Aa cum poate fi de ateptat, aceste cerine suplimentare conduc la structuri cristaline mai deschise si mai complexe.

Carbonul este adesea inclus in materialele ceramice datorita proprietatiilor sale

ceramice specific, dei nu este un compus si in forma sa de grafit este conducator de electroni. Carbonul este un material interesant deoarece exista sub doua forme cristaline

diferite. In diamant, cei patru electroni de valena sunt legai de cei 4 vecini foarte apropiai in coordinatie tetraedrica. Aceasta da natere structurii de diamant de tip cubic (Fig. 2A). O varianta interesanta a structurii apare cnd aranjamentul tetraedric este distorsionat sub forma unui plan aproape neted. Atomii de carbon din plan prezint aranjament hexagonal, si mpachetarea planelor (Fig.2B) da natere formei de grafit a carbonului. Legtura (covalenta) din interiorul planelor este mult mai puternica dect legtura dintre plane. Existenta unui element cu doua structuri cristaline diferite ofer o ocazie foarte buna de a vedea cum proprietatiile fizice depind de structura atomica si electronica

(Tabelul 1) (Reed-Hill,1992).

17

Fig.1 Structuri cristaline metalice tipice (celule elementare). (A) Cub cu fete centrate.

(B) Atomi de dimensiune normala in structura cu fete centrate. (C) Hexagonal compact.

(D) Cub cu volum centrat.

Sticlele anorganice

Unele materiale ceramice pot fi topite, iar la rcire ele nu vor mai prezenta structura cristalina. Atomii individuali au aproape numrul ideal de vecini de maxima apropiere, dar aranjamentul ordonat repetat nu mai este meninut la distante mai mari de-a lungul agregatelor tridimensionale de atomi. Asemenea non-cristale sunt numite sticle,

18

sau, mai corect, sticle anorganice si se considera a se afla in stare amorfa. Silicaii si fosfaii, cei mai comuni generatori de sticle, prezint structuri tridimensionale aleatorii.

Fig.2 Structurile cristaline ale carbonului.(A) Diamant (cubic).(B) Grafit (hexagonal)

Polimerii

Cea de a treia categorie de materiale solide include toi polimerii. Atomii constitueni ai polimerilor clasici sunt de obicei carbonul si sunt legai prin legturi covalente intr-o structura lineara sub forma de lan. Legtura din interiorul lanului necesita 2 electroni de valena de la fiecare atom, lsnd celelalte doua legturi disponibile pentru adugarea unei mari varietati de atomi (de exemplu, hidrogen), molecule, grupuri functionale,etc.

Tabelul 1 Proprietatiile fizice ale diamantului si grafitului

Proprietate Diamant Grafit

Duritate Cea mai ridicata Foarte sczuta Culoare Lipsit de culoare Negru

Conductivitate electrica Sczuta Ridicata Densitate (g/cm

3) 3,51 2,25

Cldura specifica (cal/gmatm/0C) 1,44 1,98

Pornind de la organizarea acestor lanuri, exista doua clase de polimeri. In primul caz, lanurile principale prezint puine ramificaii sau deloc. Asemenea polimeri in

19

lanuri "drepte" pot fi topii si retopii fara sa existe o schimbare de baza in structura (un avantaj pentru procesul de fabricare) si sunt numii polimeri termoplastici. Daca apar si lanuri laterale si se formeaz chiar legturi (covalente) intre lanuri, atunci apare o structura de reea tridimensionala. Asemenea structuri sunt adesea puternice, dar odata formate la incalzire, la renclzire nu se vor topi uniform. Acetia se numesc polimeri termostabili.

De obicei att polimeri termoplastici, cat si cei termostabili au lanuri incrucisate astfel nct structurile rezultate sunt adesea aleatorii si se considera de asemenea a fi amorfi, ca si sticlele, dei doar polimeri termostabili au legturi incrucisate suficiente pentru a forma o reea tridimensionala cu legaturi covalente. In cazul polimerilor termoplastici amorfi, muli atomi dintr-un lan sunt in vecinatateta atomilor lanurilor adiacente si atunci lanurile sunt legate prin intermediul forelor van der Waals sau de hidrogen. Aceste legturi intre lanuri sunt cele care determina caracterul de material solid al substanei. Deoarece aceste legturi sunt slabe, si corpul solid rezultat este destul de slab. Polimerii termoplastici au in general rezistente si puncte de topire mai sczute dect polimerii termostabili (John, 1983; Budinski, 1983).

Microstructura

Structura in corpurile solide este ierarhizata in funcie de mrime. Structurile

interne si electronice ale atomilor apar la scara cea mai mica, la mai puin de 10-4m (si nu pot fi detectate nici la capacitatile de rezoluie ale celor mai puternice tehnici de observaie directe) si sunt responsabile pentru legturile interatomice. La urmatorul nivel

de marime, in jur de 10-4

m (care este detectabil prin difractia cu raze X, microscopia scanning, etc), se poate observa aranjamentul tridimensional pe distante mari ale atomilor

in cristale si de asemenea pot fi observate sticlele.

La dimensiuni si mai mari, 10-3

-102 m (detectabile la microscopul optic si cel

electronic), exista un alt tip important de organizare stucturala. Cand atomii unei probe

topite sunt incorporati in cristale in timpul solidificrii, multe cristale mici se formeaz iniial si apoi cresc pana cnd se ating unul pe altul si tot lichidul este consumat. In acest moment proba este complet solida. Astfel, majoritatea corpurilor solide cristaline (metale

si ceramice) sunt compuse din multe cristale mici sau cristalite, numiti graunti care sunt

strns impachetati si legai puternic intre ei. Aceasta este microstructura materialului care

poate fi observata la mriri la care rezoluia este intre 1 si 100 m. In materialele elementare pure, toate cristalele au aceasi structura si difera unul de

altul doar prin orientare. In general, aceste cristalite sau graunti sunt prea mici sa fie

vazuti liber, se pot observa doar cu microscopul optic. Majoritatea corpurilor solide sunt

opace, deci nu se poate folosi microscopul prin transmisie comun (biologic). In locul

acestuia, se foloseste microscopul metalografic sau ceramografic prin reflectie. Lumina

incidenta este reflectata de suprafata lustruita a suprafetei metalice sau ceramice.

Structura de graunti este relevata prin atacul suprafetei cu un mediu usor coroziv care

ataca preferential limitele de graunte. Cand aceasta suprafata este privita prin microscop,

se poate observa dimensiunea si marimea grauntilor, adica microstructura.

Marimea de graunte este una dintre cele mai importante caracteristici care poate fi

evaluata prin aceasta tehnica deoarece probele cu grauntii fini sunt in general mai

20

puternic conturate decat probele cu graunti mai grosolani din acelasi material. O alta

caracteristica importanta care poate fi identificata este coexistenta a doua sau mai multe

faze in unele materiale solide. Grauntii unei faze date vor avea aceasi compozitie chimica

si structura cristalina, dar grauntii celei de a doua faze, vor diferi din aceste doua puncte

de vedere. Acest lucru nu se intampla niciodata in probele de elemente pure, dar apare in

amestecurile de diverse elemente sau compusi in care atomii sau moleculele pot fi

dizolvate unele in altele in stare solida, la fel ca si in solutie lichida sau gazoasa.

De exemplu, unii atomi de crom pot substitui atomii de fier in reeaua cristalina cu fete centrate a fierului, dnd natere otelurilor inoxidabile, ce reprezint o soluie solida-aliaj. Ca si soluiile lichide, soluiile solide prezint limite de solubilitate; cnd aceasta limita este depasita, cea de a doua faza precipita. De exemplu, daca sunt introdui intr-un otel inoxidabil mai muli atomi de crom dect poate sa primeasc reteua de fier cu fete centrate, atunci va precipita cea de a doua faza bogata in crom. Multe materiale

biologice si de implant importante reprezint materiale plurifazice (Reed-Hill, 1992). Acestea includ aliajele de implant ortopedice bazate pe cobalt si pe titan si aliajele

dentare pe baza de mercur (amalgamele).

PROPRIETATILE MECANICE ALE MATERIALELOR.

Materialele solide poseda multe tipuri de proprietati (mecanice, chimice, termice,

acustice, optice, electrice, magnetice). Pentru majoritatea (dar nu toate) aplicaiile biomedicale, proprietatile de cea mai mare importanta sunt rezistenta mecanica si

reactivitatea chimica. Reactivitatea chimica a biomaterialelor va fi discutata ulterior.

Partea rmasa din aceasta seciune va fi astfel dedicata proprietatilor mecanice, msurrii lor si dependentei lor de structura. Este bine de observat ca dependenta proprietatiilor

mecanice de microstructura este att de puternica nct unul din obiectivele fundamentale ale stiintei materialelor l constituie controlul proprietatilor mecanice prin modificarea microstructurii.

Comportamentul elastic

Experimentul de baza pentru determinarea proprietatiilor mecanice l reprezint msurarea tensiunii. In 1678, Robert Hooke a artat ca un corp solid supus unei tensiuni de ntindere se va alungi in direcia traciunii printr-o mrime care este proporionala cu sarcina (Fig. 3). Aceasta este cunoscuta ca legea lui Hooke si exprima in mod simplu

faptul ca majoritatea solidelor se comporta intr-o maniera elastica (ca un resort) daca

sarcinile aplicate nu sunt prea mari.

21

Fig 3. Alungirea este proporionala cu sarcina aplicata in conformitate cu legea lui

Hooke.

Tensiunea si deformaia

Alungirea pentru o sarcina data variaz cu geometria probei, cat si cu compoziia sa. Astfel, este dificil sa comparam relativa rigiditate a diferitelor materiale sau sa

prezicem capacitatea de ncrcare cu sarcini a structurilor de forme complexe. Pentru a rezolva aceasta confuzie, sarcina si deformarea pot fi normalizate. Pentru a face acest

lucru, sarcina aplicata este raportata la aria transversala capabila sa suporte sarcina, iar

alungirea este raportata la lungimea iniiala a probei. Sarcina aplicata poate fi apoi raportata la unitatea de seciune transversala si deformaia poate fi exprimata ca alungirea pe unitatea de lungime iniiala asupra creia s-a aplicat sarcina. In acest fel, efectele geometriei probei pot fi normalizate.

Sarcina normalizata (forta/suprafata) reprezint tensiunea () si deformarea

normalizata (modificarea de lungime / lungimea iniiala) reprezint deformaia (). (Fig 4).

22

Fig. 4. Tensiunea de ntindere si deformaia de ntindere

ntinderea si compresiunea

In cazul ntinderii/tractiunii si compresiunii, suprafaa asupra creia este aplicata sarcina este perpendiculara pe direcia de aplicare a sarcinii (tensiune de ntindere) si modificarea lungimii se face paralel cu lungimea iniiala (deformaie de ntindere). Daca se folosesc greutati pentru a produce sarcina aplicata, tensiunea este

calculata prin insumarea numrului total de kg/pound-forta sau newtoni (N) si impartirea la suprafaa transversala perpendiculara. Pentru geometri regulate ale probelor, cum ar fi baghetele cilindrice sau barele paralelipipedice, se folosete pentru determinarea dimensiunilor un instrument de msurare, cum ar fi micrometrul. Unitatiile de tensiune sunt pound per inch (Psi) sau newtoni pe metru ptrat (N/m2). Unitatea N/m2 este de asemenea cunoscuta si ca pascal (Pa).

Msurarea deformaiei se face, in cel mai simplu caz, prin aplicarea semnelor de referina pe proba si msurarea distantelor. Aceasta este lungimea iniiala l0. Este aplicata apoi o sarcina si distanta dintre semne se msoar din nou pentru a determina lungimea finala ln.

Aceasta reprezint tehnica folosita pentru materialele flexibile, cum ar fi cauciucurile, polimerii si esuturile moi. Pentru materialele rigide, cum ar fi metalele, ceramicele si partiile osoase, abaterile sunt prea mici si este necesara o metoda mai

sensibila (de exemplu, dispozitivul de msurare a deformatiei prin intermediul rezistivitatii electrice).

Forfecarea

In cazul forfecarii, sarcina aplicata este paralela cu suprafaa pe care se aplica

(tensiune de forfecare,) si modificarea dimensionala este perpendiculara pe dimensiunea de referina (deformaia prin forfecare, )(Fig.5).

23

Fig.5 Tensiunea si deformaia de forfecare.

Constantele elastice

Prin folosirea acestor definiii ale tensiunii si deformaiei, legea lui Hooke poate fi exprimata in termeni cantitativi:

=E , intindere sau compresiune (2a) =G , forfecare (2b)

E si G sunt constante de proporionalitate care pot fi asimilate constantelor resortului. Constanta de ntindere E este modulul de ntindere (sau modulul lui Young) si G este modulul de forfecare. Aceste module reprezinta de asemenea pantele portiuniii

elastice ale curbelor tensiunii in funcie de deformaie (Fig. 6). Deoarece au fost ndeprtate toate influentele geometrice, E si G reprezint proprietatiile inerente ale materialului. Aceste doua module sunt manifestri macroscopice directe ale rezistentei legturilor interatomice. Deformaia elastica este realizata prin creterea distantelor interatomice din cristal (ntinderea legturilor). Pentru materialele cu legturi puternice (diamantul, Al2O3, wolframul) aceste module au valori mai ridicate si o sarcina data va

produce doar a deformaie mica. Pentru materialele cu legturi mai slabe (polimerii si aurul), module au valori mai sczute (John,1983). Modulele elastice de ntindere pentru cteva biomateriale importante sunt date in Tabelul 2.

24

Tabel 2. Proprietatiile mecanice ale catorva materiale si esuturi de implant

Modulul de Limita de Rezistenta la Alungirea la

elasticitate(Gpa) curgere(Mpa) tractiune (Mpa) rupere(%)

Al2O3 350 - 1000-10 000 0

Aliaj CoCra 225 525 735 10

316 o.inoxb 210 240(800) 600(1000)

c 55(20)

c

Ti6 Al-4v 120 830 900 18

Os(cortical) 15-30 30-70 70-150 0-8

PMMA 30 - 35-50 0.5

Polietilena 0,4 - 30 15-100

Cartilagiu d - 7-15 20

a 28%Cr, 2%Ni, 7% Mo, 0.3%c , restul Co

b otel inoxidabil 18%Cr, 14%Ni, 2-4% Mo, 0,03 %C (max), restul Fe

cvaloriile din paranteza sunt pentru starea de deformare la rece

dputernic viscoleastic

Izotropia

Cele doua constante E si G sunt suficiente pentru a caracteriza rigiditatea unui

material izotropic (un material ale crui proprietati sunt aceleai in toate direciile). Cristalele singulare sunt anizotrope (nu sunt izotrope) deoarece rigiditatea variaz atunci cnd orientarea forei aplicate se modifica relativ la direciile legturii interatomice din cristal. In materialele policristaline (majoritatea probelor metalice si ceramice), o

mare varietate de graunti (cristalite) sunt asezati in orientri multiplu distribuite. In medie, aceste agregate prezint comportament izotropic la nivel macroscopic si valorile pentru E si G sunt aproximativ aceleai pentru un metal, aliaj sau material ceramic dat.

Pe de alta pare, multe materiale polimerice si majoritatea probelor de esuturi sunt anizotrope (proprietatile nu sunt aceleai in toate direciile, chiar si la nivel macroscopic) Oasele, ligamentele si suturile sunt toate mai rezistente si mai rigide in fibra

(longitudinal) dect in direcie transversala. Pentru astfel de materiale, sunt necesare mai mult de doua constante elastice pentru a face legtura intre proprietatiile de tensiune si deformaie.

25

Fig. 6 Tensiunea in funcie de deformaie pentru corpurile solide elastice

Pentru a efectua teste controlate sarcina-alungire (tensiune-deformaie), este folosit un cadru de sarcini care este mult mai rigid si mai rezistent dect proba care urmeaz a fi testata (Fig.7). O bara transversala este micata in sus si in jos prin intermediul unui urub sau a unui piston hidraulic. Flcile care asigura prinderea probei sunt conectate de cadru si de bara transversala mobila. In plus, o celula de sarcina care sa

monitorizeze forele ce se aplica este aezata in serie cu proba. Celula de sarcina functioneaza ca o scala de resort rigida pentru msurarea sarcinilor aplicate. Probele de traciune au de obicei o seciune redusa pe care sunt msurate deformaiile. Pentru determinarea corespunztoare a proprietatilor de rupere, ruperea trebuie sa apar de asemenea in aceasta seciune redusa si nu in punctele de prindere. Pentru testele de compresiune, directa miscarii barei transversale este inversata, iar

probele cilindrice sau prismatice sunt presate intre doua ciocane netede. Trebuie folosite

probe standardizate pentru toate testrile mecanice pentru a asigura reproductibilitatea rezultatelor.

Alt test folositor care poate fi efectuat pe o maina de testare mecanica este testul de incovoiere. In testul de ncovoiere, partea exterioara a probei este supusa la traciune iar cea interioara la compresiune. Tensiunile din fibra exterioara pot fi calculate din

valoarea sarcinii(fortei) si din geometria probei. Testele de ncovoiere sunt folositoare pentru ca nu sunt necesare probe de forme speciale si de asemenea nu sunt necesare

modalitati de fixare speciale. Pot fi de asemenea folosite si instrumentele de msurare a deformaiei pentru a determina deformaiile in fibra exterioara. Formulele de calcul ale strii de tensiuni sunt valabile doar pentru comportamentul elastic. Astfel, ele nu pot fi folosite pentru a descrie un comportament de deformaie ne-elastic. Anumite maini de testare mecanice sunt de asemenea echipate pentru a aplica sarcini torsionale (rotationale) in care momentul de rotaie in funcie de deformaia unghiulara poate fi determinat si folosit pentru a calcula proprietatile torsionale ale

26

materialelor. Aceasta reprezint o consideraie importanta atunci cnd se lucreaz cu materiale biologice, in special in condiii de solicitare la forfecare (John,1983).

Fig.7. Maina de testare mecanica

Elasticitatea

Modulul de elasticitate de intindere/tractiune, E (pentru un material izotropic)

poate fi determinat prin folosirea instrumentelor de msurare a deformaiei, a unei celule precise de ncrcare cu sarcina si a unei testarai ciclice intr-o maina de testare mecanica standard. Pentru acest lucru, legea lui Hooke este rearanjata astfel:

E= / (3)

27

Ruperea fragila

In materialele reale, comportamentul elastic nu persista permanent. Daca nu

intervine nimic altceva, defectele microscopice, care sunt prezente in toate materialele

reale, vor ncepe in cele din urma sa creasc rapid sub influenta tensiunilor de ntindere sau de forfecare aplicate si proba va ceda in cele in urma brusc printr-o rupere fragila.

Pana in momentul in care apare ruperea fragila, diagrama tensiune-deformaie nu deviaz de la linia dreapta, iar tensiunea la care ruperea apare este denumita tensiune de rupere

(Fig.6). Acest comportament este tipic pentru multe materiale, inclusiv sticlele,

ceramicele, grafitul, aliajele foarte dure (cuite de cojire) si unii polimeri cum ar fi polimetimetacrilatul (cimentul de os) si clorura de polivinil nemodificata (PVC).

Numrul si mrimea defectelor, in mod deosebit porii, reprezint caracteristica microstructurala care afecteaz cel mai mult rezistenta materialelor fragile.

Deformarea plastica

Pentru unele materiale, ndeosebi metalele si aliajele, procesul de deformare plastica apare dup ce se atinge un anumit nivel al tensiunilor, dar nainte de apariia ruperii. In timpul unui test de tractiune, tensiunea la care apare 0,2% deformaie plastica se numete limita de curgere 0,2%. Odat deformarea plastica nceputa, deformaiile produse sunt mult mai mari dect cele din timpul deformrii elastice (fig.8), nu mai sunt proporionale cu tensiunea si nu se mai revine la starea iniiala atunci cnd tensiunea este ndeprtata. Aceasta se ntmpla pentru ca iruri ntregi de atomi sunt fortati sa se deplaseze sub influenta tensiunii aplicate, ireversibil, in noi locuri ale structurii cristaline.

In timpul deformrii elastice, pe de alta parte, atomii sunt deplasai doar puin prin ntinderi reversibile ale legturilor interatomice. Deplasarea pe distante mari a atomilor fara ruperea completa a materialului, adica

deformarea plastica, este posibila doar in prezenta legturii metalice, deci doar metalele si aliajele se pot deforma plastic. Deoarece rearanjarea pe distante mari a atomilor sub

influenta tensiunii aplicate nu poate sa apar in cazul legturii ionice sau covalente, ceramicele si muli polimeri prezint doar comportament fragil. Deformarea plastica este foarte folositoare pentru modelarea metalelor si aliajelor

si este numita ductilitate si maleabilitate. Deformaia totala permanenta (plastica) prezentata pana la rupere de ctre un material este o msura cantitativa a ductilitatii sale (Fig.8). Rezistenta, in mod deosebit limita de curgere 0,2% poate fi crescuta semnificativ

prin reducerea mrimii de grunte, cat si prin aplicarea unei deformri plastice sau deformri la rece anterioare. Introducerea elementelor de aliere si a microstructurilor plurifazice reprezint de asemenea mecanisme puternice de cretere a rezistentei. Alte proprietati pot fi derivate din aceasta curba tensiune de ntindere-deformaie. Rezistenta la tractiune sau tensiunea la tractiune maxima reprezint tensiunea care este calculata din sarcina maxima aplicata in timpul testului de ntindere (Fig.8). Suprafaa de sub curba de ntindere este proporionala cu lucrul mecanic necesar pentru a deforma o proba pana la rupere. Suprafaa de sub ntreaga curba este proporionala cu produsul dintre tensiune si deformaie si are ca unitate de msura energia (lucrul mecanic) pe unitatea de volum a probei. Lucrul mecanic pana la

producerea ruperii este o msura a tenacitatii si reflecta rezistenta materialului la

28

propagarea fisurilor (Fig.8). Proprietatile mecanice importante derivate din testul de

tractiune sunt date in tabelul 3.

Tabel 3 Proprietatile mecanice derivabile dintr-un test de tractiune

Unitati de masura

Proprietatea Internaionale Engleze

1.Modulul de elasticitate F / A N/m2

2. Limita de curgere F / A N/m2

3. Rezistenta la traciune finala F / A N/m2 4.Ductilitatea % %

5.Tenacitatea (lucrul mecanic pana la F x l / V I / m2

producerea ruperii pe unitatea de volum)

Fig. 8. Tensiunea funcie de deformaie pentru un material ductil

29

Fig.9.(A) Alungirea in funcie de timp pentru o sarcina/ forta constanta exercitata asupra ligamentului (fluaj)

(B) Sarcina/forta in funcie de timp la alungire constanta (relaxarea tensiunii) pentru ligament

Fluajul si curgerea viscoasa

Pentru toate comportamentele mecanice considerate pana in acest punct, s-a

presupus in mod tacit ca atunci cnd o tensiune este aplicata, rspunsul deformatei este instantaneu. Pentru multe biomateriale importante, inclusiv polimerii si esuturile, aceasta nu este o presupunere corecta. Daca o greutate este suspendata pe o proba dintr-un

ligament, ligamentul continua sa se alungeasc o perioada de timp considerabila dei sarcina aplicata este constanta (Fig 9a). Aceasta alungire continua, dependenta de timp

sub o sarcina aplicata se numete fluaj. Similar, daca ligamentul este intins intr-o maina de traciune pana la o alungire fixata si sarcina este controlata, sarcina aplicata scade continuu in timp (Fig 9B).

Scderea continua a sarcinii la alungire constanta se numete relaxarea tensiuni. Amndou aceste rspunsuri sunt rezultatul curgerii viscoase a materialului. Analogul mecanic al curgerii viscoase l reprezint un cilindru cu un piston (Fig.10A). Orice fora mica este suficienta pentru a menine pistonul in micare. Daca sarcina creste, viteza de deplasare va creste.

In ciuda acestui comportament similar lichidelor, aceste materiale functioneaza ca

si solidele. Pentru a produce un astfel de efect combinat, ele se comporta ca si cum ar fi

compuse dintr-un resort (element elastic) in serie cu un piston (element viscos) (Fig.10B)

Astfel, in testele de fluaj, cnd greutatea este aplicata pentru prima data se produce o deformaie instantanee (Fig.9A). Aceasta este echivalenta cu ntinderea resortului pana la lungimea sa de echilibru (pentru acea sarcina). Dup aceea, deformaia adiionala dependenta de timp este modelata de micarea pistonului. Aranjamente complexe de resorturi si pistoane sunt adesea necesare pentru a modela in mod adecvat

comportamentul real.

Materialele care se comporta aproximativ ca un sitem resort-piston sunt

viscoelasice. O consecina a comportamentului viscoleastic poate fi vzut in tesarea la traciune atunci cnd sarcina este aplicata la o viteza finita. In timpul aplicrii sarcinii, este timp pentru ca, curgerea viscoasa sa aib loc simultan cu deformaia elastica. Astfel, deformaia totala va fi mai mare dect cea datorata doar rspunsului elastic. Daca aceasta

deformaie totala este folosita pentru a estima modulul Young al materialului (E= /), estimarea va fi sczuta. Daca testarea se efectueaz la o viteza mai mare, va fi mai puin

30

timp pentru o curgere viscoasa in timpul testrii si modulul aparent va creste. Daca se efectueaz o serie de astfel de teste la viteze de solicitare si mai mari, in cele din urma se va putea atinge o viteza la care nu se va mai produce curgerea viscoasa si modulul

determinat la aceasta viteza critica va si modulul elastic adevrat, adic constanta resortului componentului elastic. Teste efectuate la viteze si mai mari nu vor mai

determina creteri suplimentare ale modulului. Pentru toate materialele viscoelastice, modulele determinate la viteze mai mici dect viteza critica sunt module "aparente" si trebuie sa fie asociate cu viteza folosita de aplicare a deformaiei. Nerespectarea acestei condiii reprezint unul din motivele pentru care valorile modulelor pentru esuturi date in literatura pot varia intr-un interval larg.

In cele din urma, trebuie observat ca poate fi dificil sa se fac distincia intre fluaj si deformaia plastica in testele de traciune normale ale materialelor puternic viscoelastice (esuturi). Din acest motiv, deformaia neelastica totala a esuturilor sau polimerilor poate fi din cnd in cnd numita, in termeni largi, deformaie plastica dei poate fi implicat si un proces de curgere viscoasa.

Fig.10. (A) Modelul de cilidru sau piston pentru curgerea viscoasa (B) Modelul de

piston - resort pentru un material viscoelastic.

ALTE PROPRIETATI IMPORTANTE ALE MATERIALELOR

Oboseala

Nu reprezint un fapt ieit din comun ca materialele, inclusiv cele tenace si ductile cum ar fi otelul inoxidabil 316L, sa se rup nainte chiar daca tensiunile din funcionare sunt cu mult sub limita de curgere. Acest lucru se ntmpla cnd sarcinile sunt aplicate si ndeprtate pentru un numr mare de cicluri, aa cum se ntmpla in cazul protezelor de valve cardiace si proteze de ncheieturi. Astfel de solicitri repetate pot produce fisuri microscopice, care apoi se propaga in pai mici in decursul fiecrui ciclu de solicitare. Tensiunile in vrful fisurii sau chiar intr-un colt ascuit sunt crescute local de ctre efectul de cretere al tensiunilor. n cayul unei solicitari repetate, aceste tensiuni locale ridicate (sau deformaii) depasesc practic rezistenta materialului intr-o regiune mica. Acest fenomen determina propagarea in pai a fisurilor. In cele din urma, seciunea transversala care suporta solicitarea devine aa de mica nct piesa cedeaz total. Oboseala este deci un proces prin care structurile cedeaz ca rezultat al tensiunilor ciclice ce pot fi mult mai mici dect tensiunea de rupere. Ruperea prin oboseala afecteaz

31

multe structuri ncrcate dinamic, de la avioane si pana la sistemul osos si la pacemakerurile cardiace.

Susceptibilitatea la oboseala a materialelor este determinata prin testarea unui

grup de probe identice supuse unor tensiuni ciclice sau de ncovoiere (Fig.11 A) la diferite tensiuni maxime. Numrul de cicluri pana la rupere este apoi aezat pe un grafic in funcie de tensiunea maxima aplicata (Fig. 11B). Deoarece numrul de cicluri pana la rupere este variabil pentru un nivel de tensiune dat, predicia pentru durata de existenta este o problema de probabilitate. In proiectare, tensiunea care ar determina o probabilitate

sczuta de rupere dup 106-107 cicluri este adesea adoptata ca rezistenta la oboseala sau limita de anduranta a materialului. Acesta poate fi mai puin chiar dect o treime sau o ptrime din limita de curgere a unui singur ciclu. Rezistenta la oboseala este determinata si de mediu, temperatura, coroziune, deprecierea (probelor de esuturi) si viteza ciclurilor (in special pentru materialele viscoelastice). O atenie deosebita pentru detalii este necesara daca se dorete ca rezultatele de laborator ale testelor de oboseala sa fie transferate cu succes aplicaiilor biomedicale (John,1983).

Fig. 11 (A) Tensiunea in funcie de timp pentru un test de oboseala. (B) Curba de oboseala: tensiunea de oboseala in funcit de ciclurile pana la rupere

Tenacitatea

Capacitatea unui material de a se deforma plastic sub influenta unui cmp de tensiuni complex care exista in vrful unei fisuri este o msura a tenacitatii sale. Daca deformarea plastica chiar apare, ea conduce la netezirea fisurii si descrete tensiunile locale crescute, mpiedicnd astfel propagarea fisurilor. Pentru a proiecta structure "sigura la rupere in cazul materialelor fragile, este necesar sa se dezvolte un ntreg sistem nou pentru evaluarea funcionarii optime. Acest sistem este testarea tenacitatii la rupere si necesita testarea probelor cu crestaturi ascuite. Parametrul de tenacitate la rupere rezultat este funcie de tesiunea aparenta de propagare a fisurii si de adncimea si forma fisurii. Se numete factor critic de intensitate al tensiunii (Klc) si are ca unitati de msura Nm3/2. Deoarece tenacitatea la rupere depinde att de rezistenta materialului si de ductilitatea sa (capacitatea de a rotunji fisurile), exista o corespondenta empirica intre Klc

si suprafaa de sub curba tensiune-deformaie pentru unele materiale si condiii. Energia

32

absorbita de ruperea prin impact este de asemenea o msura a tenacitatii, dar la viteze de ncrcare mai ridicate (Brick, 1977).

Efectul tehnologiei de obinere asupra rezistentei

Un concept general de reinut atunci cnd se considera rezistenta materialelor este acela ca procesul prin care materialul este realizat are un efect major asupra structurii sale

si astfel asupra proprietatilor (John, 1983). De exemplu, deformaia plastica a majoritatii metalelor la temperatura camerei turtete grauntii si produce a ecruisare odat cu reducerea ductilitatii. Tratamentul ulterior la temperatura nalta (recoacerea) poate sa anuleze acest efect. Polimeri trai din fibre sunt mult mai rezistenti in direcia de tragere dect probele netrase din acelai material. Datorita faptului ca proprietatile de rezistenta depind de tehnologia de fabricare,

este important sa se inteleaga ca nu exista un set unic de proprietati de rezistenta pentru

fiecare material generic (de exemplu 316L otel inoxidabil, PET, Al2O3). Mai mult, exista

un interval de proprietati care depind de tehnologia de fabricare si de microstructura

obinuta.

CONCLUZIE

Determinarea proprietatilor mecanice nu reprezint numai un exerciiu in stiinta materialelor, dar este in acelai timp indispensabila pentru proiectarea practica si intelegerea structurilor supuse solicitrilor. Proiectanii trebuie sa determine tensiunile in funcionare pentru toi constituentii structurali si sa fie siguri ca in fiecare punct aceste tensiuni sunt sub limita de curgere a materialului. Daca sunt implicate solicitri ciclice (proteze pentru membrele inferioare, dini, valve cardiace) aceste tensiuni in regim de funcionare trebuie sa fi mentinute sub rezistenta la oboseala. In capitolele urmtoare, unde proprietatile si comportamentul materialelor vor fi discutat in detaliu, este bine sa se aib in vedere ca aceste informaii sunt indispensabile in intelegerea performantelor mecanice (funcionarea) structurilor biologice si a celor create de om.

33

1.3. PROPRIETATILE DE SUPRAFATA ALE MATERIALELOR

CARACTERIZAREA SUPRAFETEI MATERIALELOR

Cnd se are in vedere dezvoltarea aparatelor si materialelor biomedicale de implant suntem interesai de funcionarea, durabilitatea si biocompatibiliatea acestora. Intelegerea funcionarii (rezistenta mecanica, permeabilitatea, elasticitatea) este relativ directa, iar instrumentele inginerilor si cercetatoriilor de materiale sunt corespunztoare pentru tratarea acestei probleme. Durabilitatea, in mod deosebit a mediilor biologice, este

mai puin inteleasa. Cu toate acestea, testele necesare pentru evaluarea durabilitatii sunt clare. Biocompatibiliatea reprezint o frontiera a cunoaterii din acest domeniu si pentru studiul acesteia sunt desemnati biochimistii, biologii si doctorii. Totusi, problema

importanta ce se ridica in biocompatibilitate este cum un aparat sau un material isi

"converteste" imaginea sa structurala pentru a directiona sau influenta rspunsul proteinelor, celulelor si al organismului. In cazul materialelor si aparatelor care nu

dizolva substanele duntoare in cantitati suficiente pentru a influenta celulele si esuturile (adic cele care au trecut testele toxicologice de rutina, vezi capitolul 5.2) aceasta conversie apare prin structura de suprafaa: corpul uman "citete structura de suprafaa a implantului si rspunde. Din acest motiv, trebuie sa intelegem structura de suprafaa a biomaterialelor. Cteva idei generale despre suprafee sunt necesare in acest moment. In primul rnd, regiunea de suprafaa a materialului este cunoscuta prin reactivitatea sa unica (Fig. 1). Cataliza si microelectronica se bazeaz pe reactivitatea de suprafaa si ar fi un punct de vedere naiv sa ne ateptam ca biologia sa nu reacioneze si ea la acest concept. In cel de al doilea rnd, suprafaa materialului este inevitabil diferita de cea a ntregului. Astfel, tehnicile tradiionale folosite pentru analizarea structurii generale a materialelor nu sunt potrivite pentru determinrile de suprafaa. In cel de al treilea rnd, suprafeele se contamineaz cu usurinta. Aceasta contaminare poate fi ntrziata in condiii de vid avansat. Cu toate acestea, in condiiile de presiune atmosferica in care sunt utilizate aceste aparate biomedicale, trebuie sa invatam sa ne adaptam acestei contaminri. Problemele cheie aici sunt daca se pot face aparate care sa aib nivele controlate si constante de contaminare si sa se evite contaminariile nedorite. Aceasta este o problema

foarte importanta si experimentele de laborator pe un biomaterial trebuie astfel conduse

incat sa genereze aceleai rezultate cnd se repeta dup o zi, o saptamana sau un an si astfel aparatul biomedical sa se comporte, pentru un doctor, intr-o maniera constanta pe

un segment de viata suficient de lung. In cele din urma, structura de suprafaa a materialului este adesea mobila. Micarea atomilor si a moleculelor in apropierea suprafeei ca rspuns la mediul exterior este adesea deosebit de semnificativa. Ca rspuns la un mediu hidrofob, (de exemplu aerul) componentele mai hidrofobe pot migra ctre suprafaa materialului. Ca rspuns la un mediu apos, suprafaa poate sa-si transforme structura si sa ndrepte gruparile polare catre exterior pentru a interaciona cu moleculele polare de apa. Un astfel de exemplu este ilustrat schematic in Fig 2.

Natura suprafeelor este un subiect complex in sine si sursa multor investigaii independente.Cititorul poate sa consulte multe monografii excelente legate de acest

subiect pentru o introducere completa si riguroasa (Somorjai, 1981; Adamson,1990;

Andrade 1985).

34

Parametrii care trebuie masurati

Exista muli parametrii ce descriu o suprafaa, aa cum este indicat si in Fig.3.Cu cat se msoar mai muli parametrii, cu att putem oferi o descriere mai completa a suprafeei. O descriere completa necesita folosirea mai multor tehnici pentru a compila toata informaia de care este nevoie. Din nefericire, nu putem inca specifica care parametrii sunt cei mai importani pentru intelegerea rspunsurilor biologice ale suprafeelor. S-au publicat studii despre importanta rugozitatii, capacitatii de umectare, mobilitatii suprafeei, compoziiei chimice, cristalinitatii si heterogenitatii reaciilor biologice. Deoarece nu putem fi siguri care dintre factorii de suprafaa sunt predominani in fiecare situaie, variabilele sau variabila de control trebuie stabilite independent.

Fig.1 O reea cristalina bidimensionala care ilustreaz orbitalii de legtura (poriuni ovale gri sau negre). Pentru atomii din centrul cristalului (portiunile ovale negre), toate

zonele de legtura sunt asociate. Pentru suprafeele planare exterioare, una din zonele de legtura nu este realizata (poriunea ovala gri).La colturi, doua zone de legtura nu sunt realizate. Atomul singur din vrful cristalului are trei valene care nu sunt realizate/indeplinite. Energia este minimizata in locul in care pot interaciona mai multe din aceste valene nerealizate.

35

Fig.2 Multe materiale pot suferi o schimbare a structurii suprafeei cnd sunt transferate din aer intr-un mediu apos. In aceasta ilustrare schematica, un polimer hidroxilat

prezint o suprafaa bogata in grupuri metil (de la osul posterior de legtura din material polimeric) in aer, si o suprafaa bogata in grupuri hidroxil in apa. Acest lucru s-a observat experimental (vezi Ratner)

TEHICI DE MASURARE

Principii generale

Un anumit numr de idei generale pot fi aplicate tuturor analizelor de suprafaa. Acestea pot fi impartite in urmtoarele categorii de pregtire si de analiza a probelor, ce vor fi descrise in paragrafele urmtoare.

Pregtirea probei

In cadrul operaiilor de pregtire a probei, proba trebuie sa se asemene cat mai ndeaproape posibil cu materialul sau aparatul care este supus testrii biologice sau implantului. Nu mai este nevoie sa spunem ca amprentele pe suprafaa probei vor acoperi tot ceea ce poate fi de interes. Daca proba este aezata intr-un container de depozitare sau expediere, este foarte important de tiut daca materialul de mpachetare poate induce contaminarea de suprafaa. Hrtia normala in contact cu aproape toate probele va transfera material (adesea ioni metalici) ctre suprafaa materialului. Materialele plastice sunt procesate cu uleiuri siliconice si ali aditivi care pot fi transferai probelor. Materialul de mpachetare folosit trebuie sa fie examinat prin metode de analiza a suprafeei pentru a i se stabili puritatea. Probele pot fi analizate nainte si dup depozitarea sau expedierea in containere pentru a se asigura ca, compoziia suprafeei msurata nu este afectata de compoziia containerelor. Ca o regula generala, pungile de polietilena care se nchid prin presare, folosite in microscopia electronica si in creterea celulelor din materiale plastice sunt considerate containere de depozitare curate. Cu toate acestea, trebuie sa se evite

contactul abraziv si fiecare serie de probe trebuie evaluata astfel nct pregtirea meticuloasa a probelor sa nu fie pusa in pericol de contaminare.

Analiza probelor

36

Doua principii generale vor ghida analiza probelor. In primul rnd, toate metodele folosite pentru analizarea suprafeei au de asemenea potenialul de a altera suprafaa. Este esenial ca persoana care analizeaz sa fie contienta de potenialul de distrugere al metodei folosite. In al doilea rnd, datorita potenialului artefactelor/resturilor si al necesitaii mai multor informaii pentru construirea unei imagini complete a suprafeei (Fig. 3), trebuie sa se foloseasc mai mult de o metoda, ori de cate ori se poate. Datele derivate din doua sau mai multe metode ar trebui ntotdeauna sa fi coroborate. Cnd datele sunt contradictorii, suspiciunile trebuie sa apara si sa ne ntrebam de ce. O a treia sau a patra metoda poate fi atunci necesara pentru a trage concluzii corecte despre natura

suprafeei. Aceste principii generale sunt aplicabile tuturor materialelor. Exista proprietati

(doar cteva vor fi prezentate aici) care sunt specifice anumitor clase de materiale. In comparaie cu metalele, ceramicele, sticlele si carbonul, materialele organice si polimerice pot fi mult mai uor deteriorate prin metodele de analiza ale suprafeei. Sistemele polimerice, de asemenea, prezint si o mobilitatea moleculara a suprafeei mai ridicata dect sistemele anorganice. Suprafeele materialelor anorganice sunt contaminate mult mai rapid dect materialele polimerice datorita energiei mai ridicate a suprafeei. Materialele conductoare electric si carbonul se vor putea caracteriza mai uor folosind metodele electronice, cele de radiatie X si de interaciune ionica. Izolatorii acumuleaz o sarcina electrica a suprafeei care necesita aplicarea anumitor metode speciale (fascicul electronic de energie sczuta). Pentru a afla si alte aspecte legate de analiza suprafeelor, care sunt specifice anumitor clase de materiale, lucrrile publicate se dovedesc o sursa valoroasa pentru intelgerea problemelor care pot conduce la rezultate greite si la apariia artefacturilor/resturilor.

Tabelul 1 prezint caracteristicile mai multor metode uzuale de analiza a suprafaei, incluznd adncimea analizei si rezolutia spaiala (mrimea spotului analizat). In seciunea urmtoare sunt descrise cteva din cele mai frecvente tehnici folosite. Cu toate acestea, limitarea spaiului in acest volum mpiedica o discuie mai larga asupra acestor metode. Cititorului i se recomanda multe carti despre subiectul general al analizei

suprafeelor si despre fiecare din metodele principale (Andrade, 1985; Bigs si Seah, 1983;Feldman si Mayer, 1986).

37

Fig.3 Diverse variante de structura a suprafeei. (A) Suprafeele pot fi rugoase, netezi sau in trepte. (B) Suprafeele pot fi compuse din diverse tipuri chimice (atomi, molecule). (C) Su