Βιολογικά υλικά και σύνθετα Βιοϋλικά

Transcript

1 Βιολογικά υλικά και σύνθετα Βιοϋλικά κωδικός μαθήματος: ETY-491 Εαρινό εξάμηνο 2015 Μαρία Χατζηνικολαΐδου

2 Επιστήμη Βιοϋλικών: Μια πολυεπιστημονική (multidisciplinary) προσπάθεια Επιστήμη Βιοϋλικών (Biomaterials science) Φυσική και βιολογική μελέτη των υλικών και των αλληλεπιδράσεων τους με το βιολογικό περιβάλλον

3 Επιστήμη Βιοϋλικών Βιβλιογραφία

6 Επιστήμη Βιοϋλικών Βιβλιογραφία Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science Authors: Johnna S. Temenoff, Antonios G. Mikos, J. S. Temenoff Pages: 504, hard cover Edition: Prentice Hall; 1st edition(2008) Language: English ISBN-10: ISBN-13:

7 Σύγχρονη εποχή: Μοντέρνα Βιολογία και μοντέρνα Βιοϋλικά Σχεδιασμός υλικών που ελέγχουν ειδικές βιολογικές αντιδράσεις Νέες ιδέες και αρχές της μοντέρνας Βιολογίας Υποδοχείς κυττάρων-επιφάνειας Αυξητικοί παράγοντες (growth factors) Γονιδιακή διανομή (gene delivery) Βιοϋλικά Πρωτεΐνες για προσκόλληση κυττάρων Πυρηνικός έλεγχος πρωτεϊνικής έκφρασης και φαινότυπος

8 Σύγχρονη εποχή: Μοντέρνα Βιολογία και μοντέρνα Βιοϋλικά Νέες ιδέες και αρχές της Επιστήμης Υλικών Διαχωρισμός φάσης Ηλεκτρολυτική οξείδωση (anodization) Αυτοοργάνωση (self-assembly) Μετατροπή επιφάνειας (surface modification) Aνάλυση επιφάνειας Βιοϋλικά

9 Σύγχρονη εποχή: Μοντέρνα Βιολογία και μοντέρνα Βιοϋλικά Σημαντικά θέματα της Επιστήμης Βιοϋλικών Απορρόφηση και προσκόλληση πρωτεϊνών Καθαρά υλικά Βιοειδικά βιοϋλικά Θεραπεία και αντίδραση ξένου σώματος Ελεγχόμενη απελευθέρωση Τεχνολογία ιστών Ιατρική αποκατάστασης

10 Σημαντικοί ορισμοί στην Επιστήμη Βιοϋλικών Βιοϋλικό Biomaterial According to a consensus decision by a panel of experts A material intended to interface with biological systems to evaluate, treat, augment or replace any tissue, organ or function of the body

11 Επιστήμη Βιοϋλικών: πολυεπιστημονική (multidisciplinary) διεπιστημονική (interdisciplinary) Biomaterials science is the study of biomaterials and their interactions with the biological environment

12 Βιοσυμβατότητα Biocompatibility The ability of a material to perform with an appropriate host response in a specific application

13 Επιστήμη Βιοϋλικών: πολυεπιστημονική (multidisciplinary) διεπιστημονική (interdisciplinary) Ιδέα (ταυτοποίηση μιας ανάγκης) υ Σχεδιασμός διάταξης λ Σύνθεση υλικού ο π Έλεγχος υλικού Κατασκευή, δομή ο ί Αποστείρωση & συσκευασία η σ Έλεγχος εμφυτεύματος η Ρυθμιστικά Κλινική χρήση Ανάλυση ασθενής

14 Επιστήμη Βιοϋλικών: πολυεπιστημονική (multidisciplinary) διεπιστημονική (interdisciplinary) Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

15 Παραδείγματα χρήσης βιοϋλικών Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

16 Τα βιοϋλικά και η αγορά Γεγονότα και αριθμοί στις ΗΠΑ Συνολική ετήσια δαπάνη για έρευνα και τεχνολογία στον τομέα της υγείας (2001) Καταχωρημένες εταιρείες παραγωγής ιατρικών συσκευών $ Καρδιοαγγειακά υλικά (2002) $ Ορθοπαιδικά-Μυοσκελετική χειρουργική (1998) $ Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

17 Ετήσιος αριθμός πωλήσεων βιοϋλικών στην αγορά των ΗΠΑ Φακοί επαφής (2000) Ενδοφθάλμιοι φακοί (2003) Αγγειακά εμφυτεύματα Βαλβίδες καρδιάς Προθέσεις μαστού Καθετήρες Αγγειακά stents Προθέσεις ισχίου (2002) Προθέσεις γονάτου (2002) Οδοντικά εμφυτεύματα (2000) Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

18 Ιστορική αναδρομή Προϊστορικά Βιοϋλικά Πριν χρόνια τα πρώτα νήματα χειρουργικού ράμματος Νήματα ράμματος από ίνες λιναριού στους αρχαίους Αιγύπτιους Μεταλλικά νήματα ράμματος αναφέρονται για πρώτη φορά στην ελληνική λογοτεχνία Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

19 Ιστορική αναδρομή Προϊστορικά Βιοϋλικά 130 μ.χ. Γαληνός της Περγάμου περιγράφει επίδεσμο από σύρμα χρυσού 200 μ.χ. Ευρώπη, οδοντικό εμφύτευμα από σίδηρο 600 μ.χ. Μάγια μαργαριταρένιο δόντι από θαλάσσια όστρακα Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

20 Ιστορική αναδρομή στα Βιοϋλικά Εφευρέτες και πρωτοπόροι Sir Harold Ridley ( ) Ενδοφθάλμιος φακός Sir John Charnley ( ) Κυπέλλιο για προσθετική ισχίου Willem Kolff (1912-σήμερα) Τεχνητή καρδιά Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

21 Ιστορική αναδρομή στα Βιοϋλικά Διακεκριμμένα επιτεύγματα σχετικά με τα εμφυτεύματα Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

22 Ιστορική αναδρομή στα Βιοϋλικά Εφευρέτες βιοϋλικών μετά το 2ο ΠΠ Οδοντικά εμφυτεύματα 1809: Magiollo, χρυσό εμφύτευμα, παρόμοιο με τα σημερινά! 1953: Eduard Habush, fast-setting οδοντικό ακρυλικό 1937: Venable, χειρουργικό κράμα Co-Cr-Mo 1937: Strock, εμφύτευμα-βίδα από Co-Cr-Mo 1952: Branemark, πλαίσιο τιτανίου, osseointegration (1964) Προσθετική στήθους 1950: Πολυ (βινυλική αλκοόλη) 1960: Σιλικόνη για αυξητική στήθους 1960: Τ. Cronin and F. Gerow, πρώτο μόσχευμα στήθους περίβλημα σιλικόνης με γέλη Αργότερα: αφρός πολυουρεθάνης Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

23 Ιστορική αναδρομή στα Βιοϋλικά Εφευρέτες βιοϋλικών μετά το 2ο ΠΠ Ανεπιτυχή τα εμφυτεύματα πριν το 1950 λόγω ελλιπούς κατανόησης της βιοσυμβατότητας και της αποστείρωσης Ενδοφθάλμιοι φακοί 1949: Πρώτη εμφύτευση στον άνθρωπο Προσθετική ισχίου και γονάτου 1891: Theodore Gluck, Αντικατάσταση ισχίου, τσιμεντοποίηση ελεφαντόδοντου 1925: Smith-Petersen, γυάλινο ημισφαίριο 1938: Αδελφοί Judet, ακρυλική επιφάνεια, φθορά και αποσύνδεση 1956: Mc Kee and Watson-Farrar, total hip, τσιμεντοποίηση 1958: John Charnley, κυπέλλιο Teflon 1961: John Charnley, κυπέλλιο πολυαιθυλενίου HMW 1961: Dennis Smith, Poly (methyl methacrylate) : F. Gunston and J. Insall, ολική αντικατάσταση γονάτου Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

24 Παραδείγματα βιοϋλικών σε όργανα Όργανο Καρδιά Πνεύμονας Μάτι Παράδειγμα Βηματοδότης, τεχνητή βαλβίδα, ολική τεχνητή καρδιά Οξυγονωτής Φακοί επαφής, ενδοφθάλμιοι φακοί Αυτί Τεχνητός αναβολέας, Οστά Νεφροί Κύστη εμφύτευμα κοχλία Πλάκες, βίδες, ράβδοι Αιμοδιάλυση Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή Καθετήρες και stents

25 Παραδείγματα βιοϋλικών στα συστήματα του οργανισμού Σύστημα Σκελετικό Μυϊκό Κυκλοφορικό Αναπνευστικό Δέρμα Ουροποιητικό Νευρικό Ενδοκρινικό Αναπαραγωγικό Παράδειγμα Πλάκες οστών, ολική αντικατάσταση ισχίου Νήματα, νευρομυϊκή μηχανική διέγερση Τεχνητές βαλβίδες καρδιάς, αγγεία Ενδοφλέβιος οξυγονωτής μεμβράνης ΙΟΜ Νήματα, επικαλύψεις εγκαυμάτων, τεχνητό δέρμα Καθετήρες, stents, συσκευή αιμοδιάλυσης Βηματοδότης, νευρομυϊκή διέγερση Κάψουλες παγκρεατικών κυττάρων Προσθετική στήθους, αισθητική Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

26 Παραδείγματα βιοϋλικών σε όργανα Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των πολυμερών, μετάλλων, κεραμικών και σύνθετων υλικών Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

27 Παράδειγμα: Προσθετική ισχίου Οστό λεκάνης Μηριαίο οστό Ανατομία του ισχίου κυπέλλιο από πολυαιθυλένιο και μεταλλικό κέλυφος που εφαρμόζει στην κοτύλη μεταλλικό στέλεχος (στειλεός) που εφαρμόζει στο μηριαίο και έχει στην άκρη του μια μεταλλική κεφαλή Επιστήμη Βιοϋλικών: Εισαγωγή

28 Διάρθρωση της ύλης του μαθήματος σε 3 κύριες υποενότητες 1η: Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών 2η: 3η: Πρακτικά θέματα των Βιοϋλικών

29 Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών Ιδιότητες των υλικών Κατηγορίες των υλικών που χρησιμοποιούνται στην Ιατρική Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

30 Ιδιότητες των υλικών Ιδιότητες μάζας σώματος (bulk) Ιδιότητες επιφάνειας (surface) και χαρακτηρισμός Ο ρόλος του νερού στα βιοϋλικά Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

31 Ιδιότητες των υλικών Ιδιότητες μάζας σώματος (bulk): Σημαντικές γιατί έχουν άμεση επίδραση στη διεπιφάνεια ή μεσόφαση (interface) ιστού-εμφυτεύματος και σε ορισμένες περιπτώσεις ελέγχουν τις δυναμικές αλληλεπιδράσεις. «Συμβατότητα» Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

32 Ιδιότητες των υλικών Στερεά κατάσταση (solid state) Διαφοροποίηση από τα υγρά και αέρια: Ισχυρές δυνάμεις μεταξύ των ατόμων (L. Pauling, 1960 Nobel Χημείας 1954) Οι ηλεκτρονικές και ατομικές δομές και οι φυσικές ιδιότητες εξαρτώνται από τη φύση και την ισχύ των δεσμών μεταξύ των ατόμων. Μοντέρνα θεωρία της κβαντομηχανικής Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

33 Ιδιότητες των υλικών 3 είδη ισχυρών διατομικών δεσμών σύμφωνα με την κλασική θεωρία: Ετεροπολικός δεσμός (ionic bonding) Ομοιοπολικός δεσμός (covalent) Μεταλλικός δεσμός (metallic) Ασθενείς δεσμοί (weak bonds): Van der Waals Δεσμοί υδρογόνου Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

34 Ιδιότητες των υλικών Ετεροπολικός ή ιοντικός δεσμός (ionic bonding) Άτομα (μεταλλικά), δότες ηλεκτρονίων (e - ) μεταφέρουν e - σε άτομα αποδέκτες e - (αμέταλλα). Κατιόν και Ανιόν έλκονται ισχυρά με ηλεκτροστατικές δυνάμεις ή δυνάμεις Coulomb. Κάθε κατιόν περιβάλλεται από όσο το δυνατό περισσότερα ανιόντα, ώστε να μειωθεί η άπωση μεταξύ κατιόντων. Αυτή η διάταξη ατόμων μειώνει τη συνολική ενέργεια και οδηγεί σε μια υψηλά διατεταγμένη δομή, την κρυσταλλική δομή. Σ' ένα κρύσταλλο NaCl, ο ιοντικός δεσμός μεταξύ Νa + και Cl - μπορεί να περιγραφεί ως το αποτέλεσμα της ανταλλαγής ενός ηλεκτρονίου μεταξύ μετάλλου και αμετάλλου. Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

35 Ιδιότητες των υλικών Ετεροπολικός ή ιοντικός δεσμός Στην κρυσταλλική δομή δεν υπάρχουν ξεχωριστά μόρια, αλλά ένα τακτικό σύνολο κατιόντων και ανιόντων. Τα ελεύθερα e - των ατόμων συγκρατώνται στην περιοχή του δεσμού και έτσι δεν είναι διαθέσιμα να λειτουργήσουν ως φορείς φορτίων. Στερεά Κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Η συνολική χαμηλή ενέργεια τους προσδίδει χαμηλή χημική αντιδραστικότητα. Παραδείγματα: NaCl, MgO Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

36 Ιδιότητες των υλικών Ομοιοπολικός δεσμός (covalent bond) Δύο άτομα μοιράζονται ηλεκτρόνια στις εξωτερικές τους στιβάδες. Ύπαρξη δηλαδή κοινών ζευγών ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, τα άτομα του αερίου χλωρίου (Cl 2 ) είναι πάντα συνδεδεμένα σε διατομικά μόρια. Κάθε άτομο χλωρίου έχει επτά ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στιβάδα και για να φθάσει στη σταθερή διαμόρφωση των οκτώ ηλεκτρονίων μοιράζεται ένα ηλεκτρόνιο με ένα άλλο άτομο, έχουμε, δηλαδή, κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων. Άτομα με 4 ηλεκτρόνια σθένους: ίδια τάση ως δότες και δέκτες Σταθερές δομές με κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων. Ορυκτά με ομοιοπολικό δεσμό χαρακτηρίζονται: Από μεγάλη σταθερότητα. Πολύ ψηλά σημεία τήξεως και ζέσεως. Είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

37 Ιδιότητες των υλικών Ομοιοπολικός δεσμός (covalent bond) Άτομα με 4 ηλεκτρόνια σθένους: ίδια τάση ως δότες και δέκτες Σταθερές δομές με κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων Κρυσταλλική δομή του άνθρακα Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

38 Ιδιότητες των υλικών Ομοιοπολικός δεσμός (covalent bond) Διαμάντι (κυβική) Γραφίτης (εξαγωνική) Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

39 Ιδιότητες των υλικών Μεταλλικός δεσμός (metallic bond) Μεταλλικά άτομα, ισχυροί δότες ηλεκτρονίων, συμμετέχουν σε δεσμούς που δεν είναι ούτε ετεροπολικοί ούτε ομοιοπολικοί. Τα άτομα είναι διατεταγμένα σε μια τακτική, επαναλαμβανόμενη, 3-Δ δομή, με τα e- σθένους να «περιπλανώνται» μεταξύ των ατόμων σαν νέφος. Ο μεταλλικός δεσμός ερμηνεύεται με διάφορες θεωρίες επικρατέστερη των οποίων είναι η θεωρία των "ελεύθερων" ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια δεν ανήκουν σε οποιοδήποτε άτομο, αλλά στον κρύσταλλο ως σύνολο, σ' όλη την έκταση του οποίου κινούνται με μορφή ηλεκτρονικού νέφους. Το κρυσταλλικό πλέγμα ενός μετάλλου χαρακτηρίζεται από μια κανονική διάταξη θετικά φορτισμένων ατόμων (προέκυψαν από τα άτομα του μετάλλου μετά την απομάκρυνση των εξωτερικών ηλεκτρονίων) και από αποσπασθέντα ηλεκτρόνια διασκορπισμένα μεταξύ των ατόμων και κινούμενα ελεύθερα. Μεταξύ των θετικά φορτισμένων ατόμων και των ελεύθερα κινουμένων ηλεκτρονίων δημιουργούνται δυνάμεις ηλεκτροστατικής φύσεως. Η κινητικότητα αυτή των ηλεκτρονίων είναι υπεύθυνη για το χρώμα, τη λάμψη και την ψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα του μετάλλου. Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

40 Ιδιότητες των υλικών Βασικές έννοιες της κρυσταλλικής δομής Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

41 Ιδιότητες των υλικών Τα πλείστα των μεταλλικών υλικών κρυσταλλώνονται στους ακόλουθους 3 τύπους κρυσταλλικής δομής: Κυβικό χωροκεντρωμένο σύστημα (BCC Body-Centered Cubic) Κυβικό εδροκεντρωμένο σύστημα (FCC Face-Centered Cubic) Μεταλλικός δεσμός Mέγιστης πυκνότητας εξαγωνικό σύστημα (HCP - Hexagonal Close-packed) A. FCC B. Πλήρες μέγεθος ατόμων στο FCC C. HCP D. BCC Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

42 Ιδιότητες των υλικών Aσθενείς δεσμοί (weak bonds / interactions) Van der Waals Ουδέτερα άτομα και μόρια τα οποία δεν έχουν διαθέσιμα ηλεκτρόνια σθένους προς δημιουργία ιοντικού, ομοιοπολικού ή μεταλλικού δεσμού δείχνουν μια ασθενή έλξη το ένα για το άλλο όταν βρεθούν πολύ κοντά. Η ασθενής αυτή ελκτική δύναμη ονομάζεται δεσμός Van der Waals και οφείλεται σε "στιγμιαίες" μετατοπίσεις των ηλεκτρονίων και των πυρήνων σε αντίθετα άκρα των ατόμων, που έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό διπόλων. Οι δυνάμεις van der Waals συμμετέχουν ελάχιστα στους δεσμούς των ιοντικών και ομοιοπολικών κρυστάλλων αλλά παίζουν σημαντικό ρόλο στις οργανικές ενώσεις. Οι δεσμοί που σχηματίζονται από τις δυνάμεις αυτές είναι πολύ ασθενείς και αυτό φαίνεται από τα χαμηλά σημεία τήξεως και τη μικρή σκληρότητα των ουσιών που τα δομικά τους στοιχεία συνδέονται με δυνάμεις van der Waals. Οταν ο δεσμός van der Waals εμφανίζεται σε ορυκτά, πράγμα που συμβαίνει σχετικά σπάνια, καθορίζει ζώνες σχισμού και μικρής σκληρότητας. Ως παράδειγμα αναφέρεται ο γραφίτης (C), στον οποίο τα άτομα του άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με ομοιοπολικό δεσμό σχηματίζοντας παράλληλα φύλλα. Τα φύλλα αυτά συνδέονται μεταξύ τους με ασθενείς δυνάμεις που δεν είναι τίποτε άλλο παρά δυνάμεις van der Waals. Ο πολύ τέλειος σχισμός και η μαλακότητα του γραφίτη δικαιολογούνται με την ύπαρξη των δυνάμεων αυτών. Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

43 Ιδιότητες των υλικών Aσθενείς δεσμοί (weak bonds / interactions) Δεσμοί υδρογόνου Όταν ένα άτομο υδρογόνου συνδέεται με ένα ισχυρά ηλεκτραρνητικό στοιχείο όπως π.χ. το F, Ν ή το O, το μοναδικό του ηλεκτρόνιο θα περιοριστεί σε μια ηλεκτρονική τροχιά του F ή του O. Το ηλεκτραρνητικό στοιχείο προσελκύει το ηλεκτρονικό νέφος από την περιοχή γύρω από τον πυρήνα του ατόμου υδρογόνου και, εκτρέποντας το νέφος από το κέντρο, αφήνει το άτομο με θετικό μερικό φορτίο. Λόγω του μικρού μεγέθους του υδρογόνου σε σχέση με άλλα άτομα και μόρια, το προκύπτον φορτίο, αν και μόνο μερικό, εν τούτοις αντιπροσωπεύει μια σημαντική πυκνότητα φορτίου. Ένας δεσμός υδρογόνου προκύπτει όταν αυτή η ισχυρή θετική κατανομή φορτίου προσελκύει ένα ασύζευκτο ζεύγος ηλεκτρονίων ενός άλλου ατόμου, που γίνεται ο δέκτης του δεσμού υδρογόνου. Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

44 Ιδιότητες των υλικών Aσθενείς δεσμοί (weak bonds / interactions) Δεσμοί υδρογόνου Ο δεσμός υδρογόνου είναι ένα ιδιαίτερο είδος διαμοριακής δύναμης. Συγκεκριμένα συνδέει μόρια όπως εκείνα του νερού στον πάγο. Τα άτομα του υδρογόνου ενός μορίου νερού που βρίσκονται εκατέρωθεν εκείνου του οξυγόνου έλκονται από άτομα οξυγόνου δύο γειτονικών μορίων με αποτέλεσμα να δημιουργούνται πλέον τρισδιάστατες μοριακές ενώσεις. Αυτή ακριβώς η έλξη είναι εκείνη που κάνει στερεό το νερό, δηλαδή πάγο. Το είδος αυτό του δεσμού είναι συχνό σε ορυκτά που έχουν στη σύστασή τους υδροξύλιο, όπως είναι οι μαρμαρυγίες, και είναι ισχυρότερο του δεσμού van der Waals. Ασθενείς δεσμοί: 3 10 % της ισχύος ενός δεσμού C C Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

45 Κατηγορίες υλικών Τα τεχνικά υλικά που σχηματίζουν τις περισσότερες δομές υποδιαιρούνται σε 3 κατηγορίες: Μέταλλα Κεραμικά και ανόργανα γυαλιά Πολυμερή Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

46 Μηχανικές ιδιότητες των υλικών Τάση και παραμόρφωση Η μηχανική συμπεριφορά ενός σώματος κατά την εφαρμογή ενός φορτίου μπορεί να μετρηθεί. Η άσκηση του φορτίου μπορεί να γίνει με: εφελκυσμό, θλίψη, διάτμηση και στρέψη. Ελαστική συμπεριφορά σ = ε Ε Ελαστικές σταθερές Νόμος του Hooke σ = τάση, ε = παραμόρφωση Ε μέτρο ελαστικότητας ή μέτρο Young Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

47 Μηχανικός έλεγχος Ελαστικότητα Ευθραυστότητα Πλαστική παραμόρφωση Ιξώδης ροή (viscous flow) Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

48 Σημαντικές ιδιότητες των υλικών Κόπωση (fatigue) Διάδοση της ρήξης μετά από επαναλαμβανόμενους κύκλους Ανθεκτικότητα (toughness) Η ιδιότητα ενός υλικού να υποστεί πλαστική παραμόρφωση υπό την επίδραση ενός περίπλοκου πεδίου συμπίεσης στην άκρη μιας ρωγμής Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

49 Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων FEA 1943 Richard Courant - Μέθοδος υπολογιστικής προσομοίωσης που χρησιμοποιείται στη μηχανική ανάλυση. Αριθμητική μέθοδος προσέγγισης «Διακριτοποίηση» Δομική μηχανική: Ν βαθμοί ελευθερίας βασισμένες στην αρχή της συνολικής δυναμικής ενέργειας. Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

50 Ιδιότητες επιφανειών Αντιστροφή επιφανειακής δομής ενός υδροξυλιωμένου πολυμερούς p-ηεμα (hydroxyethyl methacrylate) Στον αέρα Μέσα σε νερό Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

51 Ιδιότητες επιφανειών Πως ορίζεται η δομή της επιφάνειας; Τραχιά Διαβαθμισμένη Επίπεδη Διαφορετική χημεία Άτομα Μόρια Με επικάλυψη Κρυσταλλική Άμορφη Ανομοιογενής σε δομή ή σύνθεση κατά το επίπεδο Ανομοιογενής με βάθος στο δείγμα Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

52 Τεχνικές ανάλυσης επιφανειών Μέθοδοι χαρακτηρισμού επιφάνειας των βιοϋλικών Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

53 Τεχνικές ανάλυσης επιφανειών ESCA or XPS X-ray absorption causes the removal of an electron from one of the innermost orbitals (not the valence shell). The kinetic energy of the emitted electron is then recorded. From the kinetic energy E K the binding energy E b of the ejected electron can be calculated as E b = hv - E k X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) Surface Analysis / ESCA Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA) XPS, also known as ESCA, is the most widely used surface analysis technique because of its relative simplicity in use and data interpretation. The sample is irradiated with mono-energetic x-rays causing photoelectrons to be emitted from the sample surface. An electron energy analyzer determines the binding energy of the photoelectrons. From the binding energy and intensity of a photoelectron peak, the elemental identity, chemical state, and quantity of an element are determined. The information XPS provides about surface layers or thin film structures is of value in many industrial applications including: polymer surface modification, catalysis, corrosion, adhesion, semiconductor and dielectric materials, electronics packaging, magnetic media, and thin film coatings used in a number of industries. Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

54 Τεχνικές ανάλυσης επιφανειών Μέτρηση γωνίας επαφής (contact angle measurement) 4 δυνατές μέθοδοι μέτρησης Μέθοδος επικαθήμενης σταγόνας (sessile drop) γ SV -γ SL -γ LV cosθ=0 Young s equation Μέθοδος «κρατούμενης» φυσαλίδας (captive air bubble) Μέθοδος τριχοειδούς Φαινομένου (capillary rise) Μέθοδος Wilhelmy plate Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

55 Τεχνικές ανάλυσης επιφανειών Μέτρηση γωνίας επαφής (contact angle measurement) Τι συμβαίνει στη μέτρηση γωνίας επαφής Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

56 Ο ρόλος του νερού στα βιοϋλικά Το νερό είναι ενεργός μέτοχος στα βιολογικά συστήματα Ιδιότητες διαλυτότητας του νερού Δεσμοί υδρογόνου Υδρόφοβο φαινόμενο (hydrophobic effect) «Υδρόφιλο φαινόμενο» ( hydrophilic effect ) Βιολογική απόκριση Αλληλεπίδραση πρωτεϊνών, κυττάρων με επιφάνειες βιοϋλικών Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών

57 Ο ρόλος της προσρόφησης των πρωτεϊνών στην απόκριση ιστών στα Βιοϋλικά Αμέσως μετά την εμφύτευση σε ζωντανό σύστημα, παρατηρείται προσρόφηση πρωτεϊνών (σε χρόνο < 1 sec) στις επιφάνειες των βιοϋλικών. Η προσρόφηση μιας πρωτεϊνικής μονοστοιβάδας (protein monolayer) στις περισσότερες επιφάνειες συντελείται μέσα σε δευτερόλεπτα ή λεπτά. Τα κύτταρα «βλέπουν» πρώτα την πρωτεϊνική μονοστοιβάδα και όχι πραγματική επιφάνεια του βιοϋλικού. την Τα κύτταρα που «φτάνουν» στην επιφάνεια του εμφυτεύματος, αλληλεπιδρούν με αυτή διαφοροποίηση, πολλαπλασιασμό, επικοινωνία με άλλους τύπους κυττάρων και οργάνωση σε ιστούς.

58 Αλληλεπίδραση κυττάρων με ξένες επιφάνειες Κύτταρο Στερεό υπόστρωμα Λιπιδική διπλοστοιβάδα Υποδοχείς (receptors): Integrins, Cadherins, Selectins, Mucins, CAMs (other cell adhesion molecules) Διαφορετικές μορφές της ίδιας πρωτεΐνης με διαφορετική βιοενεργότητα

59 Προσκόλληση κυττάρων Κύτταρο Κυτταρική μεμβράνη Ιντεγκρίνες: Κυτταρικοί υποδοχείς για ινονεκτίνη

60 Αλληλεπίδραση κυττάρων-επιφάνειας Κυτταροσκελετός There are 3 general types of cytoskeletal elements: nm in diameter actin microfibrils - 10 nm in diameter intermediate filaments - 25 nm in diameter microtubules They are all protein based structures that can be lengthened or shortened in response to cellular needs. Like the skeleton of the body, they impart shape to the cell and play a large role in cell motility. For example, they allow the extension of finger-like portions of the cell membrane called pseudopodia in response to external stimuli or as the first step in cell locomotion. In addition to their contribution to cell structure, microtubules play a significant role in separation of duplicated DNA before cell division. Intermediate filaments also attach to a number of receptor proteins that project into the extracellular space and are therefore an important means for the cell to translate external signals.

61 Δημιουργία κυτταρικών σχηματισμών για προσκόλληση Extracellular factors and integrin-derived signaling trigger activate actin polymerization at the leading-edge membrane (as an early event) and the formation of focal adhesions (as a later event)

62 Κυτταρική προσκόλληση στα βιοϋλικά Cell behaviour on biomaterial surfaces is modulated by the concentration, composition and conformation of adsorbed ECM proteins. Integrins recognise specific peptide sequences, e.g. Arg Gly Asp (RGD), in ECM proteins, such as fibronectin and vitronectin, which initiates the establishment of focal adhesions. The number, size and distribution of focal adhesions varies between cell types and within cell populations due to the nature of the surface, composition of the culture medium, incubation time after plating and cell density. Following the establishment of focal adhesions, integrins induce reorganisation of the actin cytoskeleton and associated proteins, resulting in the formation of focal adhesion points. The cytoskeleton and associated proteins influence cell functions including growth, motility, apoptosis and differentiation.

63 Στάδια κυτταρικής προσκόλλησης σε επιφάνειες Επέκταση Προσκόλληση

64 Στάδια κυτταρικής προσκόλλησης σε επιφάνειες Μεταφορά από θέση σε θέση Αποκόλληση

65 Προσκόλληση κυττάρων The proposed domain structure and possible post-translational regulation of vinculin. Scheme showing the primary structure of vinculin, annotated with the various binding domains and some secondary and tertiary structural information. Numbers near component boxes indicate the locations of specific binding sites along the polypeptide chain (starting from the N-terminus). Molecular complexity and dynamics of cell-matrix adhesions Eli Zamir and Benjamin Geiger* Department of Molecular Cell Biology, The Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel

66 Προσκόλληση κυττάρων The regulation of vinculin-binding activities by conformational changes. The intramolecular interaction between the head and tail of vinculin leads to a closed conformation and masks many of the binding sites. The interaction of vinculin with PtdIns(4,5)P2 may release this inhibitory head-tail interaction and unmask different binding sites. Molecular complexity and dynamics of cell-matrix adhesions Eli Zamir and Benjamin Geiger* Department of Molecular Cell Biology, The Weizmann Institute of Science, Rehovot 76100, Israel

67 Προσκόλληση κυττάρων A hypothetical model for the effect of vinculin activation on the formation and assembly of focal contacts. Inactive vinculin (left) cannot crosslink the various molecular partners. Upon activation by PtdIns(4,5)P2 (right), vinculin can bind to actin filaments and other focal contact components. Molecular complexity and dynamics of cell-matrix adhesions Eli Zamir and Benjamin Geiger* Department of Molecular Cell Biology, The Weizmann Institute of Science, Rehovot 76100, Israel

68 Vinculin regulation The proposed domain structure and possible post-translational regulation of vinculin. (A) Scheme showing the primary structure of vinculin, annotated with the various binding domains and some secondary and tertiary structural information. Numbers near component boxes indicate the locations of specific binding sites along the polypeptide chain (starting from the N-terminus). (B) The regulation of vinculin-binding activities by conformational changes. The intramolecular interaction between the head and tail of vinculin leads to a closed conformation and masks many of the binding sites. The interaction of vinculin with PtdIns(4,5)P2 may release this inhibitory head-tail interaction and unmask different binding sites. (C) A hypothetical model for the effect of vinculin activation on the formation and assembly of focal contacts. Inactive vinculin (left) cannot crosslink the various molecular partners. Upon activation by PtdIns(4,5)P2 (right), vinculin can bind to actin filaments and other focal contact components. Abbreviations: a, actin; F, FAK; I, integrins, pa, paxillin; r, profilin; t, talin; va, VASP; vi, vinculin. Molecular complexity and dynamics of cell-matrix adhesions Eli Zamir and Benjamin Geiger* Department of Molecular Cell Biology, The Weizmann Institute of Science, Rehovot 76100, Israel

69 Ο ρόλος της προσρόφησης των πρωτεϊνών στην απόκριση ιστών στα Βιοϋλικά Αλλαγή σχήματος στα αιμοπετάλια κατά την πήξη του αίματος

70 Προσκόλληση αιμοπεταλίων Source: Tsai and Horbett (1999) Journal of Biomedical Materials Research

71 Αμινοξέα δομικοί λίθοι των πρωτεϊνών General structure of an amino acid. This structure is common to all but one of the α-amino acids. (Proline, a cyclic amino acid, is the exception.) The R group or side chain (red) attached to the carbon (blue) is different in each amino acid.

72 Αμινοξέα δομικοί λίθοι των πρωτεϊνών The 20 amino acids commonly found as residues in proteins contain an α-carboxyl group, an α-amino group, and a distinctive R group substituted on the α-carbon atom. The α- carbon atom of all amino acids except glycine is asymmetric, and thus amino acids can exist in at least two stereoisomeric forms. Only the L stereoisomers, with a configuration related to the absolute configuration of the reference molecule L-glyceraldehyde, are found in proteins. Other, less common amino acids also occur, either as constituents of proteins (through modification of common amino acid residues after protein synthesis) or as free metabolites. Amino acids are classified into five types on the basis of the polarity and charge (at ph 7) of their R groups. Amino acids vary in their acid-base properties and have characteristic titration curves. Monoamino monocarboxylic amino acids (with nonionizable R groups) are diprotic acids (H3NCH(R)COOH) at low ph and exist in several different ionic forms as the ph is increased. Amino acids with ionizable R groups have additional ionic species, depending on the ph of the medium and the pka of the R group.

73 Αμινοξέα Πεπτιδικός δεσμός Formation of a peptide bond by condensation. The - amino group of one amino acid (with R2 group) acts as a nucleophile to displace the hydroxyl group of another amino acid (with R1 group), forming a peptide bond (shaded in yellow).

74 Αμινοξέα Πεπτιδικός δεσμός

75 Αμινοξέα Πεπτιδικός δεσμός The pentapeptide serylglycyltyrosylalanylleucine, or Ser Gly Tyr Ala Leu. Peptides are named beginning with the aminoterminal residue, which by convention is placed at the left. The peptide bonds are shaded in yellow; the R groups are in red.

76 Αμινοξέα δομικοί λίθοι των πρωτεϊνών Titration of an amino acid. Shown here is the titration curve of 0.1 M glycine at 25 C. The ionic species predominating at key points in the titration are shown above the graph. The shaded boxes, centered at about pk and pk2 9.60, indicate the regions of greatest buffering power.

77 Αμινοξέα Ιδιότητες

78 Αμινοξέα δομικοί λίθοι των πρωτεϊνών The 20 common amino acids of proteins. The structural formulas show the state of ionization that would predominate at ph 7.0. The unshaded portions are those common to all the amino acids; the portions shaded in red are the R groups. Although the R group of histidine is shown uncharged, its pka (see Table 3 1) is such that a small but significant fraction of these groups are positively charged at ph 7.0.

79 Αμινοξέα δομικοί λίθοι των πρωτεϊνών

80 Πρωτεΐνες The Peptide Bond Is Rigid and Planar The carbonyl oxygen has a partial negative charge and the amide nitrogen a partial positive charge, setting up a small electric dipole. Virtually all peptide bonds in proteins occur in this trans configuration

81 Μοριακά στοιχεία ορισμένων πρωτεϊνών

82 Πεπτίδια και πρωτεΐνες Amino acids can be joined covalently through peptide bonds to form peptides and proteins. Cells generally contain thousands of different proteins, each with a different biological activity. Proteins can be very long polypeptide chains of 100 to several thousand amino acid residues. However, some naturally occurring peptides have only a few amino acid residues. Some proteins are composed of several noncovalently associated polypeptide chains, called subunits. Simple proteins yield only amino acids on hydrolysis; conjugated proteins contain in addition some other component, such as a metal or organic prosthetic group. The sequence of amino acids in a protein is characteristic of that protein and is called its primary structure. This is one of four generally recognized levels of protein structure.

83 Δομή πρωτεϊνών Levels of structure in proteins. The primary structure consists of a sequence of amino acids linked together by peptide bonds and includes any disulfide bonds. The resulting polypeptide can be coiled into units of secondary structure, such as an α helix. The helix is a part of the tertiary structure of the folded polypeptide, which is itself one of the subunits that make up the quaternary structure of the multisubunit protein, in this case hemoglobin.

84 Πρωτεΐνες The Peptide Bond Is Rigid and Planar Three bonds separate sequential α carbons in a polypeptide chain. The N-C α and C α -C bonds can rotate, with bond angles designated φ and ψ, respectively. The peptide C-N bond is not free to rotate. Other single bonds in the backbone may also be rotationally hindered, depending on the size and charge of the R groups. In the conformation shown, φ and ψ are 180 (or 180). As one looks out from the α carbon, the φ and ψ angles increase as the carbonyl or amide nitrogens (respectively) rotate clockwise.

85 Δομή πρωτεϊνών - Συνοπτικά Every protein has a three-dimensional structure that reflects its function. Protein structure is stabilized by multiple weak interactions. Hydrophobic interactions are the major contributors to stabilizing the globular form of most soluble proteins; hydrogen bonds and ionic interactions are optimized in the specific structures that are thermodynamically most stable. The nature of the covalent bonds in the polypeptide backbone places constraints on structure. The peptide bond has a partial doublebond character that keeps the entire six-atom peptide group in a rigid planar configuration. The N-C α and C α -C bonds can rotate to assume bond angles of φ and ψ, respectively.

86 α έλικα Two models of the α helix, showing different aspects of its structure. (a) Formation of a right-handed helix. The planes of the rigid peptide bonds are parallel to the long axis of the helix,depicted here as a vertical rod. (b) Ball-and-stick model of a righthanded helix, showing the intrachain hydrogen bonds. The repeat unit is a single turn of the helix, 3.6 residues.

87 α έλικα Helix dipole The electric dipole of a peptide bond (see Fig. 4 2a) is transmitted along an α- helical segment through the intrachain hydrogen bonds, resulting in an overall helix dipole. In this illustration, the amino and carbonyl constituents of each peptide bond are indicated by - and + symbols, respectively. Non-hydrogenbonded amino and carbonyl constituents in the peptide bonds near each end of the - helical region are shown in red.

88 α έλικα Knowing the Right Hand from the Left There is a simple method for determining whether a helical structure is right-handed or left-handed. Make fists of your two hands with thumbs outstretched and pointing straight up. Looking at your right hand, think of a helix spiraling up your right thumb in the direction in which the other four fingers are curled as shown (counterclockwise). The resulting helix is right-handed. Your left hand will demonstrate a lefthanded helix, which rotates in the clockwise direction as it spirals up your thumb.

89 The β Conformation Organizes Polypeptide Chains into Sheets The conformation of polypeptide chains. These top and side views reveal the R groups extending out from the sheet and emphasize the pleated shape described by the planes of the peptide bonds. (An alternative name for this structure is -pleated sheet.) Hydrogen-bond cross-links between adjacent chains are also shown. (a) Antiparallel sheet, in which the amino-terminal to carboxylterminal orientation of adjacent chains (arrows) is inverse. (b) Parallel sheet.

90 β Turns Structures of β turns. (a) Type I and type II β turns are most common; type I turns occur more than twice as frequently as type II. Type II β turns always have Gly as the third residue. Note the hydrogen bond between the peptide groups of the first and fourth residues of the bends. (Individual amino acid residues are framed by large blue circles.)

91 Protein Secondary Structure Secondary structure is the regular arrangement of amino acid residues in a segment of a polypeptide chain, in which each residue is spatially related to its neighbors in the same way. The most common secondary structures are the helix, the conformation, and turns. The secondary structure of a polypeptide segment can be completely defined if the and angles are known for all amino acid residues in that segment.

92 Protein Secondary Structure Stable folding patterns in proteins. (a) Two simple and common motifs that provide two layers of secondary structure. Amino acid side chains at the interface between elements of secondary structure are shielded from water. Note that the strands in the loop tend to twist in a right-handed fashion. (b) Connections between strands in layered sheets. The strands are shown from one end, with no twisting included in the schematic. Thick lines represent connections at the ends nearest the viewer; thin lines are connections at the far ends of the strands. The connections on a given end (e.g., near the viewer) do not cross each other.

93 Protein Secondary Structure (c) Because of the twist in strands, connections between strands are generally right-handed. Lefthanded connections must traverse sharper angles and are harder to form. (d) Two arrangements of strands stabilized by the tendency of the strands to twist. This barrel is a single domain of hemolysin (a pore-forming toxin that kills a cell by creating a hole in its membrane) from the bacterium Staphylococcus aureus (derived from PDB ID 7AHL). The twisted sheet is from a domain of photolyase (a protein that repairs certain types of DNA damage) from E. coli

94 Protein Protein Tertiary and Quaternary Structures The overall three-dimensional arrangement of all atoms in a protein is referred to as the protein s tertiary structure. Whereas the term secondary structure refers to the spatial arrangement of amino acid residues that are adjacent in the primary structure, tertiary structure includes longer-range aspects of amino acid sequence. Some proteins contain two or more separate polypeptide chains, or subunits, which may be identical or different. The arrangement of these protein subunits in three-dimensional complexes constitutes quaternary structure.

95 The world of Biochemistry

96 Αυξητικοί παράγοντες (growth factors) Growth factors (GFs) also known as cytokines are endogenous proteins that act on a wide variety of cells and direct their actions via cell-surface receptor binding and activation. The actions of GFs on cells are long lasting, so that a single exposure of cells to GFs results in long-term (weeks to months) cellular effects. The observed cellular effects are multifaceted, typically manifested as: an onset of vectorial migration (chemotactic effect) a stimulation of cell division (mitogenic effect) an induction of cellular differentiation (morphogenic effect) an initiation of programmed cell death (apoptotic effect) a modulation of metabolic activity a combination of the above GFs are typically multimodal, exhibiting a different mechanism of action depending on the concentration and/or exposure time, as well as the phenotype of the target cell. Because developmental bone formation is an orchestrated cellular process tightly controlled by the actions of GFs, GF therapy is an obvious strategy when the bone integrity is compromised and bone tissue needs to be repaired. Such a strategy aims to enhance the local presence of bone-depositing osteoblasts, either by attracting the cells to the repair site or by inducing the proliferation of local undifferentiated, precursor cells, followed by the transformation of precursor cells into osteoblastic phenotype.

97 Local delivery of growth factors The potential of a GF needs to be evaluated in a non-human primate model before efficacy testing in clinical studies. It has been recognised that the threshold/optimum dose for exogenous application of BMPs varies among species at different phylogenetic levels [9,10], and non-human primate studies are appropriate to guide the dose selection in clinical studies. Among the GFs delivered in non-human primates are members of the transforming growth factor (TGF) family, such as TGF-β1 and TGF-β2, members of the BMP family, such as BMP-2, BMP-7 (also known as osteogenic protein-1, OP-1) and growth differentiation factor (GDF)-5 (also known as cartilage-derived morphogenetic protein-1), bfgf, PDGF and IGF-I [1]. As a result of multi-centre studies [11-14], recombinant human BMP (rhbmp)-2 has recently been approved for clinical intervention in acute tibia fractures treated with intramedullary nailing and in interbody fusion of the lumbar spine with specific types of spinal devices (LT-CAGE lumbar tapered fusion device, and InterFIX and InterFIX RP threaded fusion devices [Medtronic, Inc.]). BMP-7, as a component of an implantable device, was approved as an alternative to autograft for long bone non-unions, in which the use of autograft is unfeasible and alternative treatments have failed, and in revision spinal fusions. In addition to the recombinant proteins, naturally-derived osteogenic cocktails were shown to be effective in clinical studies [15], but their clinical application is likely to be hampered due to difficulties in quality control/assurance of the drug product (i.e., unlike relatively pure recombinant proteins, naturally isolated protein mixtures are more difficult to obtain with a consistent composition and a desired osteopotency).

98 Protein GFs shown to be effective in non-human primate models of local bone regeneration Protein Delivery system Model rhbmp-2 PLGA matrix containing rhbmp-2 Mandiblar osteotomy defect rhbmp-2 Collagen sponge Mandibular and cleft osteotomy in Macaca Fascicularis rhbmp-2 Gelatin/PLGA sponge Alveolar mandible defect in monkeys rhbmp-2 Gelatin/PLGA sponge Mandibular osteotomy defect (30 mm) in Rhesus monkeys rhbmp-2 Calcium/phosphate cement Fibula osteotomy defect in baboon rhbmp-2 rhbmp-2 ACS (absorbable collagen sponge) ACS embedded with HA-TCP particles Osteotomy defect in cranium of monkeys Bilateral posterolateral intertransverse process arthrodesis in Rhesus monkeys

99 Αλλαγή διαμόρφωσης της πρωτεΐνης Protein adsorption k -1 k +1 k +2 Solid state surface k -3 denatured native k +3 k -4 k +4? Protein solution Interface

100 Κύτταρα Κυτταρική μεμβράνη Συνένωση κυττάρων σε ιστούς: επιθηλιακό, συνδετικό, μυϊκό, νευρικό «Συναρμολόγηση και συγκόλληση» των παραπάνω ιστών σε όργανα για τις αντίστοιχες λειτουργίες

101 Κύτταρα The universal features of living cells. All cells have a nucleus or nucleoid, a plasma membrane, and cytoplasm. The cytosol is defined as that portion of the cytoplasm that remains in the supernatant after centrifugation of a cell extract at 150,000 g for 1 hour.

102 Κύτταρα Προκαρυωτικά Ευκαρυωτικά

103 Βασικοί ιστοί Παίζουν ειδικούς λειτουργικούς ρόλους Έχουν διακριτή μικροσκοπική εμφάνιση Έχουν τις ρίζες τους στην εμβρυολογική ανάπτυξη

104 Κύρια λειτουργικά χαρακτηριστικά των κυττάρων Αναπαραγωγή Προστασία από το περιβάλλον Απόκτηση τροφής Κίνηση Επικοινωνία Καταβολισμός εξωτερικών/ξένων μορίων Αποδόμηση και αναγέννηση «παλαιών» μορίων Παραγωγή ενέργειας

105 Εξωκυττάρια μήτρα (ECM) Βιολογικό υλικό που - Παράγεται από τα κύτταρα - Ανήκει στα κύτταρα - Στηρίζει τα κύτταρα α) Ίνες κολλαγόνου και ελαστίνης β) Άμορφο ινώδες/δικτυωτό (interfibrillar) υλικό: πρωτεογλυκάνες, υαλουρονικό, νερό γ) Κολλώδη μόρια, γλυκοπρωτεΐνες: ινονεκτίνη, λαμινίνη, εντακτίνη

106 Κύριες λειτουργίες της εξωκυττάριας μήτρας (ECM) Μηχανική στήριξη για «προσκόλληση» κυττάρων Προσδιορισμός προσανατολισμού των κυττάρων Έλεγχος της ανάπτυξης των κυττάρων Διατήρηση της κυτταρικής διαφοροποίησης Λειτουργία σκελετού για τακτική ανανέωση ιστού Εγκαθίδρυση ενός μικρο-περιβάλλοντος ιστού Απομόνωση, αποθήκευση και παρουσίαση διαλυτών ρυθμιστικών μορίων

107 Κύτταρα και κυτταρική βλάβη (cell injury) Αίτια κυτταρικής βλάβης Υποξία, ισχαιμία Χημικά μέσα Βιολογικά μέσα Φυσικά μέσα Γενετικά μέσα Απόκριση προσαρμογής (adaptation response): Υπερτροφία (αυξάνει το σχήμα), υπερπλασία (αυξάνει ο αριθμός), ατροφία, μεταπλασία (μετασχηματισμού) Κυτταρικός θάνατος: Απόπτωση και νέκρωση

108 Αλληλεπιδράσεις Βιοϋλικού - Ιστού

109 Αλληλουχία αντιδράσεων που ακολουθούν την εμφύτευση Τραυματισμός (injury) Αλληλεπιδράσεις αίματος-υλικού (blood-material interactions) Σχηματισμός προσωρινής μήτρας (provisional matrix formation) Οξεία φλεγμονή / οίδημα (acute inflammation) Χρόνια φλεγμονή (chronic inflammation) Iστός κοκκιοκυττάρων (granulation tissue) Αντίδραση ξένου σώματος (foreign body reaction) Ίνωση (fibrosis)

110 Κοκκιοκύτταρα Τα κοκκιοκύτταρα αντιστοιχούν στο 40-70% των λευκών αιμοσφαιρίων του περιφερικού αίματος. Το υπόλοιπο αντιστοιχεί στα λεμφοκύτταρα και τα μονοπύρηνα. Ανήκουν στο σύστημα των φαγοκυττάρων. Αποκαλούνται και μικροφάγα, σε αντιδιαστολή με τα μακροφάγα, που προέρχονται από τα μονοπύρηνα. Παράγονται στο μυελό των ιστών και στη συνέχεια αποδεσμεύονται στην κυκλοφορία. Το όνομά τους οφείλεται στην παρουσία κοκκίων στο κυτταρόπλασμά τους. Ανάλογα με τη συμπεριφορά των κοκκίων τους στις διάφορες χρώσεις, διακρίνονται σε ουδετερόφιλα, βασεόφιλα και ηωσινόφιλα. Τα κοκκιοκύτταρα συνηθίζεται να αποκαλούνται και πολυμορφοπύρηνα, καθώς ο πυρήνας τους συνήθως είναι κατατετμημένος και εμφανίζει διάφορα σχήματα. Όταν γίνεται αναφορά σε πολυμορφοπύρηνα, συνηθίζεται να εννοούνται τα ουδετερόφιλα πολυμορφοπύρηνα, που είναι και τα περισσότερα σε αριθμό. Τα ουδετερόφιλα πολυμορφοπύρηνα έχουν μικρό χρόνο ζωής στο αίμα (4 έως 10 ώρες) και σύντομα μεταναστεύουν στους ιστούς, διερχόμενα μέσα από το τοίχωμα των αγγείων. Διακρίνεται μια κεντρική αποθήκη πολυμορφοπυρήνων στο μυελό των οστών και μια περιφερική αποθήκη πολυμορφοπυρήνων, προσκολλημένων στο τοίχωμα των μικρών αγγείων. Ελκύονται ταχύτατα από την παρουσία χημειοτακτικών παραγόντων στο χώρο της φλεγμονής, όπου και ασκούν την φαγοκυτταρική τους δράση. Στους ιστούς επιβιώνουν για 1 με 2 ημέρες ακόμα. Λόγω του μικρού τους μεγέθους, δεν είναι ικανά να φαγοκυτταρώσουν μικρόβια ή σωματίδια μεγάλου μεγέθους, έργο που αναλαμβάνουν τα μακροφάγα. Τα νεκρά ουδετερόφιλα πολυμορφοπύρηνα, μαζί με μικρόβια και ιστικά υπολείμματα συνιστούν το πύον. Η ελάττωση του αριθμού των ουδετερόφιλων ονομάζεται ουδετεροπενία και καθιστά τον οργανισμό ευάλωτο στην ανάπτυξη λοιμώξεων. Αποτελεί συχνή παρενέργεια των χημειοθεραπευτικών σχημάτων έναντι των κακοήθων νεοπλασιών. Η αύξηση του αριθμού των ουδετερόφιλων είναι συχνή σε οξείες μικροβιακές λοιμώξεις, όπως η πνευμονία ή η αμυγδαλίτιδα. Στις περιπτώσεις αυτές, παρατηρείται παράλληλα και αύξηση των άωρων μορφών των ουδετεροφίλων (των ραβδοπυρήνων). Η όλη εικόνα χαρακτηρίζεται και με τον όρο «στροφή του λευκοκυτταρικού τύπου προς τα αριστερά». Επίσης, πολλά κληρονομικά νοσήματα (κληρονομικές ανοσοανεπάρκειες) διαταράσσουν τη λειτουργικότητα των ουδετεροφίλων και καθιστούν τον οργανισμό ευπρόσβλητο σε μικροβιακές λοιμώξεις.

111 Κοκκιοκύτταρα Τα ηωσινόφιλα αποτελούν περίπου το 2-5% των λευκών αιμοσφαιρίων. Εμφανίζουν δίλοβο πυρήνα και περιορισμένη φαγοκυτταρική δραστηριότητα. Συμβάλλουν στην άμυνα του οργανισμού έναντι των παρασίτων, τα οποία λόγω του μεγέθους τους, είναι αδύνατον να φαγοκυτταρωθούν και θα πρέπει να θανατωθούν εξωκυττάρια. Προσηλώνονται στα παράσιτα μέσω ανοσοσφαιρινών ή του συμπληρώματος και στη συνέχεια απελευθερώνουν τα κυτταροπλασματικά τους κοκκία. Η αύξηση των ηωσινοφίλων (ηωσινοφιλία) παρατηρείται σε παρασιτικά νοσήματα και σε νοσήματα αλλεργικής ή αυτοάνοσης αιτιολογίας. Τα ηωσινόφιλα συναθροίζονται στους ιστούς και εξαιτίας της παραγωγής αντισωμάτων IgE στα σημεία υπερευαισθησίας αλλεργικού τύπου (άμεσης υπερευαισθησίας). Η χορήγηση κορτικοστεροειδών ελαττώνει τα ηωσινόφιλα (ηωσινοπενία). Τα βασεόφιλα αποτελούν περίπου το 1% των λευκών αιμοσφαιρίων. Παρουσιάζουν ομοιότητα στη λειτουργία με τα σιτευτικά κύτταρα των ιστών (συνώνυμα : μαστοκύτταρα, ιστιοκύτταρα). Περιέχουν κοκκία ισταμίνης, την οποία εκκρίνουν, όταν διεγερθούν από κάποιο αλλεργιογόνο ή αντιγόνο παρασίτου. Διαθέτουν υψηλής συγγένειας υποδοχείς για IgE αντισώματα και κατ αυτήν την αλληλεπίδραση (αντιγόνου - IgE αντισώματος) διεγείρονται τα βασεόφιλα κοκκιοκύτταρα και τα βασεόφιλα των ιστών, με αποτέλεσμα την παραγωγή δραστικών μεσολαβητών της υπερευαισθησίας αλλεργικού τύπου. Συμμετέχουν στην παθογένεια πολλών αλλεργικών νοσημάτων.

112 Φλεγμονή (Inflammation) Η λέξη φλεγμονή περιγράφει το θερμό, ερυθρό οίδημα που χαρακτηρίζει μία φλεγμονώδη περιοχή, με συνυπάρχοντα πόνο και μειωμένη λειτουργικότητα. Ωστόσο, η φλεγμονή είναι ένας προστατευτικός μηχανισμός: η προσπάθεια του σώματος να επιδιορθώσει τη βλάβη η οποία μπορεί να έχει προκληθεί από μία λοίμωξη, παρατεταμένη έκθεση σε ζέστη ή κρύο, χημικές ουσίες ή ακτινοβολία. Όταν τραυματιστεί ο ιστός, αποστέλλει μηνύματα προκειμένου να γνωστοποιήσει στο υπόλοιπο σώμα, σχετικά με το τι συνέβη, μέσω διαφόρων ουσιών που είναι γνωστές ως κυτταροκίνες. Η έρευνα τα τελευταία χρόνια έχει δείξει ότι ο TNF-άλφα (Tumor Necrosis Factor = παράγοντας νέκρωσης όγκου) είναι μία κυτταροκίνη (ή κυτοκίνη) η οποία διαδραματίζει ένα ρόλο-κλειδί στη διαδικασία της φλεγμονής. Οι κυτταροκίνες προσελκύουν τα κύτταρα του αμυντικού ανοσοποιητικού συστήματος του σώματος, τα λευκά αιμοσφαίρια. Με αυτόν τον τρόπο, το σώμα αρχίζει να πολεμά τον εαυτό του, αφού τα λευκά αιμοσφαίρια νομίζουν ότι τα ίδια τα κύτταρα και οι ιστοί του σώματος είναι ξένα στοιχεία τα οποία πρέπει να εξαλειφθούν. Μία εξήγηση ίσως είναι ότι οι ουσίες στην επιφάνεια των κυττάρων του σώματος έχουν κοινά γνωρίσματα με τις ουσίες οι οποίες βρίσκονται στα βακτήρια ή τους ιούς.

113 Φλεγμονή σε εμφυτεύματα Η φλεγμονή είναι η αντίδραση του ενεργού αγγειωμένου ιστού (vascularized living tissue) σε τοπικό τραύμα ή βλάβη. Ελέγχει, καθιστά ουδετεροποίηση, διαλύει ή «περιτοιχίζει» το μέσο πρόκλησης της φλεγμονής. Επιπλέον, με μια σειρά γεγονότων μπορεί να θεραπεύσει και να αποκαταστήσει την περιοχή του εμφυτεύματος με αντικατάσταση του ιστού που υπέστη βλάβη μέσω αναπαραγωγής παρεγχυματικών κυττάρων, δημιουργία ινοβλαστικού ιστού για την επικάλυψη της πληγής ή με συνδυασμό αυτών των δυο διαδικασιών. Αμέσως μετά τη φλεγμονώδη βλάβη επέρχονται αλλαγές στην αγγειακή ροή, στη διάμετρο και τη διαπερατότητα των αγγείων. Μέσα από τη διαδικασία της «έκχυσης» (exudation) αιμοσφαίρια, πρωτεΐνες, ρευστά διαφεύγουν από το αγγειακό σύστημα και κατευθύνονται προς τον τραυματισμένο ιστό. Οι αλλαγές αυτές στο αγγειακό σύστημα συμβαίνουν και χαρακτηρίζουν την απόκριση της φλεγμονής (inflammatory response).

114 Κύτταρα και συστατικά του αγγειωμένου συνδετικού ιστού

115 Χημικοί διαμεσολαβητές της φλεγμονής

116 Ο κύκλος της φλεγμονής Τα Β κύτταρα επικοινωνούν διαμέσω κυτοκινών με άλλα φλεγμονώδη κύτταρα όπως τα Τ κύτταρα και μακροφάγους για να διατηρήσουν και να ενισχύσουν τον κύκλο της φλεγμονής.

117 Οπτικοποίηση φλεγμονής: φωτομικρογραφίες ιστολογίας Προοδευτική εστιακή εισβολή σε μυϊκές ίνες Ιστολογική χρώση ρουτίνας: Αιματοξυλίνη-Εωσίνη

118 Παράδειγμα χρώσης στο νωτιαίο μυελό Eγκάρσια διατομή στο ύψος της κοιλίας: Διακρίνονται ο νωτιαίος μυελός με την αναπτυσσόμενη φαιά (1) και λευκή (2) ουσία και τον κεντρικό σωλήνα (3), καθώς και το σώμα (4) και το τόξο (5) ενός οσφυϊκού σπονδύλου (χρώση αιματοξυλίνη-εωσίνη, μεγέθυνση x 50)

119 Οπτικοποίηση φλεγμονής: φωτομικρογραφίες ιστολογίας Προοδευτική εστιακή εισβολή σε μυϊκές ίνες Ιστολογική χρώση: Όξινη φωσφατάση

120 Οπτικοποίηση φλεγμονής: φωτομικρογραφίες ιστολογίας Βιοψία σε αποκομμέμο ιστό λεμφαδένα Κεντρική περιοχή νέκρωσης περικυκλωμένη από κοκκιωματώδη φλεγμονή (granulomatous inflammation) Χρώση: Αιματοξυλίνη-Εωσίνη, αυθεντική μεγέθυνση 100.

121 Ιστός κοκκιοκυττάρων (granulation tissue) Entrapped skeletal muscle cells, which are large and bright red with multiple nuclei; are seen in the granulation tissue. The granulation tissue include fibrous tissue, capillaries and mononuclear inflammatory cells

122 Αντίδραση ξένου σώματος σε ενδοφθάλμιο φακό Βιολογική αντίδραση ενάντια σε εμφυτευμένο ενδοφθάλμιο φακό. Η αντίδραση ξένου σώματος γίνεται με μεσολάβηση μακροφάγων και «foreign body giant cells» που παράγονται από συγχώνευση πολλών μακροφάγων. Η αντίδραση της επούλωσης της πληγής γίνεται στο επιθήλιο του φακού.

123 Ίνωση Ίνωση (fibrosis and fibrous encapsulation) Ίνωση Μυϊκός ιστός Χρώση: Masson s trichrome

124 Συστηματική τοξικότητα και υπερευαισθησία

125 Ανοσολογικό μονοπάτι

126 Ανοσολογικό μονοπάτι Πως τα ανοσοκύτταρα πολεμούν με τους ξένους εισβολείς; Τα Τ-λεμφοκύτταρα, οι κύριες μονάδες κρούσης, δεν μπορούν να αναγνωρίσουν τους ξενιστές από μόνα τους. Έτσι δεν αντιδρούν καθόλου. Η πρώτη αναγνώριση μιας ξένης ουσίας είναι καθήκον των μακροφαγοκυττάρων. Τα μακροφαγοκύτταρα δρουν γρήγορα για να τους εγκλωβίσουν μέσα στο κύτταρό τους και να τους αποικοδομήσουν ενζυματικά. Αυτό γίνεται για να μεταφερθεί η πληροφορία σχετικά με τις εισβαλόμενες ξένες ουσίες, στους βοηθούς (helpers) Τ-λεμφοκύτταρα (Τ4). Υπάρχει μια "μη-αυτοαναγνωρίσιμη θέση" που καλείται αντιγόνο MHC στην επιφάνεια των βοηθών Τ-λεμφοκυττάρων, και MHC των ιών, η οποία διαφοροποιείται όταν "αναγνωριστεί". Τα αντιγόνα που εμφανίζονται από τα Μακροφαγοκύτταρα, συλλαμβάνονται από τους "Υποδοχείς Αντιγόνου" των βοηθών Τ- λεμφοκυττάρων και οι ιογόνοι εισβολείς αναγνωρίζονται. Οι βοηθοί Τ-λεμφοκύτταρα τότε, ενεργοποιούν τους «δολοφόνους» (Killers) Τ-λεμφοκύτταρα (T8) εκκρίνοντας Ιντερλευκίνη- 2. Τα ενεργοποιημένα δολοφόνοι Τ-λεμφοκύτταρα εκκινούν τις λεμφοκίνες να επιτεθούν στην ξένη ουσία. Τα Β-κύτταρα επίσης ενεργοποιούνται για να απελευθερώσουν αντισώματα και αρχίσουν ανοσοαντιδράσεις.

127 Ανοσοσφαιρίνες

128 Υπερευαισθησία Ανοσολογική υπερευαισθησία - Αλλεργία 4 διαφορετικά είδη αλλεργίας ανάλογα με το μηχανισμό αντίδρασης Ι-ΙΙΙ αντισώματα από Β λεμφοκύτταρα IV cell-mediated και προκαλείται από Τ λεμφοκύτταρα - Έλλειψη ανεκτικότητας (intolerance)

129 Αιμοπετάλια

130 Αιμοπετάλια σε επιφάνειες

131 Μηχανισμός θρόμβωσης του αίματος (coagulation / clottability)

132 Αιματοστατικές αντιδράσεις (hemostatic reactions)

133 Ογκογένεση (Tumorigenesis)

134 Διαβαθμίσεις στην ογκογένεση που σχετίζεται με τα εμφυτεύματα Μια υπόθεση των K.G. Brand και των συνεργατών του 1. Κυτταρική αντίδραση ξένου σώματος 2. Δημιουργία ινώδους κάψουλας (ίνωση) 3. Πρώιμα κύτταρα νεοπλασίας έρχονται σε επαφή με την επιφάνεια του εμφυτεύματος κατά τη διάρκεια αδρανούς αντίδρασης ιστού 4. Ωρίμανση και πολλαπλασιασμός πρώιμων κυττάρων νεοπλασίας 5. Ανάπτυξη όγκου

135 Ογκογένεση Παράδειγμα: σάρκωμα Kaposi

136 Ογκογένεση που σχετίζεται με τα εμφυτεύματα

137 Ογκογένεση που σχετίζεται με τα εμφυτεύματα

138 Μόλυνση Λοίμωξη (Infection) Παρά τις προφυλάξεις σε συνθήκες ελεγχόμενης αποστείρωσης στο χειρουργείο, οι μολύνσεις (λοιμώξεις) που σχετίζονται με τις εμφυτεύσεις είναι μια από τις πιο σημαντικές περιπλοκές στις επεμβάσεις εμφυτεύσεων. Αιτία: Αποδυνάμωση του ανοσοποιητικού στην περιοχή γύρω από το εμφύτευμα Πρόληψη - Παρεμπόδιση: Με χρήση υλικών που έχουν αντιβακτηριακή ικανότητα. Με την κατανόηση της παθογένεσης των μολύνσεων που σχετίζονται με τα εμφυτεύματα, ολοένα και νέες προσεγγίσεις αναπτύσσονται, όπως: τα συστήματα διανομής ουσιών (anti-adhesive) που εμποδίζουν την προσκόλληση κυττάρων σε επιφάνειες η παροχή αντιβακτηριακών ουσιών που διασπούν την επικοινωνία μεταξύ κυττάρων και εμποδίζουν τη συσσωμάτωση βακτηρίων ή τη δημιουργία βιο-φιλμ, ή σκοτώνουν τα βακτήρια αμέσως με λύση της κυτταρικής μεμβράνης τους.

139 Παραδείγματα αποικισμού σταφυλοκόκκων Σύγκριση μεταξύ in vitro μελέτης αποικισμού 2 ειδών βακτηρίων σε διαφορετικά βιοϋλικά (πολυμερή και μέταλλα): του χρυσίζοντος σταφυλόκοκκου (Staph. aureus) και του επιδερμικού σταφυλόκοκκου (Staph. epidermis)

140 Μόλυνση μετά από ολική αρθροπλαστική ισχίου ή γονάτου Διαμέσου της πληγής διοχέτευσης (wound drainage) αντλεί ο χειρουργός ένα δείγμα από το βάθος του τραύματος για να προσδιορίσει αν υπάρχει βαθύτερη μόλυνση. Αν υπάρχει υποψία για αρχόμενη μετεγχειρητική μόλυνση, ο χειρουργός πρέπει να ανοίξει την εγχειρητική πληγή και προσεκτικά να αφαιρέσει το πηγμένο αίμα (blood cakes).

141 Ενεργείς στρατηγικές έκλυσης για τη μείωση μολύνσεων που σχετίζονται με εμφυτεύματα Αντιβιοτικά Ιόντα αργύρου Αντισώματα Οξείδιο του αζώτου Επιστρώσεις με πολυμερή που απελευθερώνουν αντιβακτηριακά μόρια

142 Βιολογικός έλεγχος των βιοϋλικών Πώς μπορούν τα βιοϋλικά να αξιολογηθούν και να καθοριστεί αν είναι βιοσυμβατά και αν θα λειτουργήσουν με βιολογικά κατάλληλο τρόπο σε ένα περιβάλλον ζωντανoύ συστήματος (in vivo);

143 Ορισμός Βιοσυμβατότητας (Biocompatibility) Biocompatibility is the ability of a material to perform with an appropriate host response in a specific application (D. Williams, 1987) Βιοσυμβατότητα είναι η ικανότητα ενός υλικού να προκαλεί μια κατάλληλη απόκριση από το σύστημα ξενιστή σε μια ειδική εφαρμογή.

144 Βιοσυμβατότητα...appropriate host response... Παραδείγματα κατάλληλης απόκρισης «ξενιστή»: αντίσταση στη θρομβογένεση αντίσταση στον αποικισμό βακτιριδίων, απουσία τοξικών, αλλεργικών, φλεγμονωδών αντιδράσεων ομαλή και χωρίς επιπλοκές θεραπεία

145 Βιοσυμβατότητα...specific application Παραδείγματα ειδικών εφαρμογών: ολική αρθροπλαστική ισχίου, γονάτου ουριτικός καθετήρας μεμβράνη αιματοδιάλυσης ενδοοφθάλμιος φακός

146 Βιολογικός έλεγχος των βιοϋλικών: in vitro και in vivo δοκιμές Είναι οι περάμετροι δοκιμής που μετράμε in vitro σημαντικοί για αυτό που συμβαίνει στο πολύ πιο περίπλοκο in vivo περιβάλλον; Παράδειγμα: Πολυστυρένιο Σε πολυστυρένιο κυτταροκαλλιέργειας, μιας τροποποιημένης επιφάνειας πολυμερούς, προσκολλώνται και αναπτύσσονται τα περισσότερα κύτταρα σε καλλιέργεια (in vitro). Σε ανεπεξέργαστο πολυστυρένιο δε συμβαίνει τίποτε από τα παραπάνω σε κύτταρα θηλαστικών (in vitro). Σε εμφυτεύσεις in vivo και τα δυο υλικά επουλώνονται με τον ίδιο τρόπο με σχηματισμό λεπτής «κάψουλας ξένου σώματος».

147 Βιολογικός έλεγχος των βιοϋλικών Οι δοκιμές των βιοϋλικών in vivo γίνονται σε πειραματόζωα. Θα μας δώσει ένα ζωικό μοντέλο χρήσιμες πληροφορίες για να προβλέψουμε αν μια συσκευή ή ένα εμφύτευμα «δρά» με τον ίδιο τρόπο στον άνθρωπο; Σε μερικές περιπτώσεις μόνο από τα πειράματα σε ζώα είναι δύσκολο να εξαχθούν συμπεράσματα, αν δεν γίνουν και κλινικές μελέτες. Το πρώτο βήμα για το σχεδιασμό μιας διαδικασίας δοκιμής σε ζώα είναι η επιλογή ενός ζωικού μοντέλου που προσφέρει αξιόπιστους παραλληλισμούς ανατομικά ή βιοχημικά με την κατάσταση στον άνθρωπο.

148 Βιολογικός έλεγχος των βιοϋλικών Θεμελιώδη κριτήρια για το σχεδιασμό πειραμάτων με ζώα ελαχιστοποίηση του αριθμού απαιτούμενων ζώων εξασφάλιση κατάλληλης συμπεριφοράς στα ζώα σύμφωνα με τις οδηγίες για τη χρήση πειραματόζωων μεγιστοποίηση των σχετικών πληροφοριών που προκύπτουν από τη διαδικασία δοκιμής.

149 Βιολογικός έλεγχος των βιοϋλικών σύμφωνα με το χρόνο ζωής τους Κάποια βιοϋλικά εκπληρώνουν την προτιθέμενη λειτουργία τους σε δευτερόλεπτα, άλλα εμφυτεύονται για μεγαλύτερο χρόνο ζωής (π.χ. 10 χρόνια?, 70 χρόνια?) Προσφέρει έναι μοντέλο δοκιμής με εμφύτευση 6 μηνών επαρκείς πληροφορίες για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη δράση ενός βιοϋλικού ή μιας συσκευής που προτίθεται να εμφυτευτεί για μια ολόκληρη ζωή;

150 In vitro αποτίμηση της ιστοσυμβατότητας Χρήση κυτταροκαλλιέργειας από τη δεκαετία του 1960 Οι κυτταρικές σειρές παρουσιάζουν πλεονεκτήματα όπως η επαναληψιμότητα, αποτελεσματικότητα και διαθεσιμότητα. Τράπεζες κυττάρων (π.χ. American Type Culture Collection) Κυτταροτοξικότητα Τοξικά υλικά είναι αυτά που απελευθερώνουν χημικές ουσίες σε επαρκείς ποσότητες για να σκοτώσουν κύτταρα άμεσα ή έμμεσα μέσω αναστολής σημαντικών μεταβολικών μονοπατιών. cis-διαμμινοδιχλωρολευκόχρυσος(ιι) (Σισπλατίνη)

151 In vitro αποτίμηση της ιστοσυμβατότητας 3 μέθοδοι μέτρησης κυτταροτοξικότητας και βιολογικής συμβατότητας με χρήση μεμονωμένων, προσκολλώντων κυττάρων (adherent cells): άμεση επαφή, διάχυση σε άγαρ και εξαγωγή/έκλουση

152 In vivo αποτίμηση της ιστοσυμβατότητας Ευαισθητοποίηση (Sensitization) Ερεθισμός (Irritation) Ενδοδερμική αντιδραστικότητα (Intracutaneous reactivity) Συστηματική τοξικότητα (Systemic toxicity) (acute toxicity) Υπο-χρόνια τοξικότητα (Subchronic toxicity) Γονιδιακή τοξικότητα (Genotoxicity) Εμφύτευση (Implantation) Αιματοσυμβατότητα (Hemocompatibility) Χρόνια τοξικότητα (Chronic toxicity) Καρκινογενετικότητα (Carcinogenicity) Αναπαραγωγική και εξελικτική τοξικότητα (Reproductive and developmental toxicity) Βιοαποδόμηση (Biodegradation) Αποκρίσεις ανοσοποιητικού (Immune responses)

153 In vivo αποτίμηση της ιστοσυμβατότητας Mikrokerne MN and und Mitoses/1000 Mitosen / 1000 cell Zellen Παράδειγμα: Δοκιμή γονιδιακής τοξικότητας (genotoxicity) με καταμέτρηση μικροπυρήνων και μιτώσεων στην κυτταρική σειρά hamster V79 κατόπιν προσθήκης διαφορετικών συγκεντρώσεων BMP Micronuclei Mikrokerne Μικροπυρήνες Mitoses Μιτώσεις Mitosen Negativkontrolle negative control 3 nm BMP2 30 nm BMP2 300 nm BMP2 Positivkontrolle positive control

154 Εκτίμηση αλληλεπιδράσεων μεταξύ αίματος και βιοϋλικών Δεν υπάρχει επίσημη λίστα με δοκιμές αιματοσυμβατότητας λόγω της πολυπλοκότητας των αλληλεπιδράσεων του αίματος με τα υλικά

155 Εκτίμηση μεθόδων μελέτης αλληλεπιδράσεων αίματος και βιοϋλικών Ανεπαρκής αιματοσυμβατότητα Ικανοποιητική αιματοσυμβατότητα Πλήθος προσκολλώμενων αιμοπεταλίων Έλλειψη προσκολλώμενων αιμοπεταλίων Κάλυψη της επιφάνειας με προσκολλώμενο θρόμβο Έλλειψη προσκολλώμενου θρόμβου Εκτεταμένη έκλυση αιμοπεταλίων και κόκκων Έλλειψη έκλυσηςαπελευθέρωσης αιμοπεταλίων

156 Εκτίμηση αλληλεπιδράσεων μεταξύ αίματος και βιοϋλικών 1856: Rudolph Virchow, 3 παράγοντες που συμβάλλουν στην πήξη του αίματος: η χημεία του αίματος η επιφάνεια επαφής με το αίμα και το σύστημα ροής Φαινόμενα ροής αιμοπεταλίων και προσκόλλησης τους σε επιφάνειες: περιορισμένα σε κινητική ή διάχυση (kinetically or diffusion limited)

157 Εκτίμηση αλληλεπιδράσεων μεταξύ αίματος και βιοϋλικών Αρτηριοφλεβική εκτροπή του αίματος σε μηρό μπαμπουίνου για τη δοκιμή σωληνοειδούς βιοϋλικού Το πιο βιοσυμβατό «υλικό» του αίματος είναι ο φυσικός, υγιής ιστός της εσωτερικής επένδυσης των αιμοφόρων αγγείων.

158 Υπεύθυνη χρήση ζωικών μοντέλων στην έρευνα των βιοϋλικών Δύο βασικές αρχές που κατευθύνουν τη χρήση των ζώων στην έρευνα, στην εκπαίδευση και στις δοκιμές Η επιστημονική πεποίθηση για χρήση ζωντανών ζώων πρέπει να ελαχιστοποιείται Ο πόνος, η καταπόνηση και όποια άλλη μορφή πρόκλησης βλάβης ή τραυματισμού πρέπει να περιορίζεται στο ελάχιστο δυνατό για την απόκτηση έγκυρων επιστημονικών δεδομένων.

159 Ζώα που χρησιμοποιούνται στην έρευνα των βιοϋλικών Θηλαστικά για τη βιοϊατρική έρευνα: ποντίκι, αρουραίος, γουρούνι, hamster, κουνέλι Για την έρευνα σε καρδιαγγειακά βιοϋλικά: σκύλος, γουρούνι, πρόβατο

160 Αποδόμηση των βιοϋλικών στο βιολογικό περιβάλλον Το βιολογικό περιβάλλον είναι εκπληκτικά τραχύ και οδηγεί παρά Τη χαμηλή συγκέντρωση άλατος Ήπια θερμοκρασία σώματος Ουδέτερο ph σε ταχεία ή σταδιακή αποδόμηση πολλών υλικών μέσα από μια συνεργία διαφόρων διαδικασιών. Βιοαποδόμηση (biodegradation) είναι η χημική διάσπαση υλικών με δράση ζωντανών οργανισμών που οδηγεί σε αλλαγές των φυσικών ιδιοτήτων τους.

161 Αποδόμηση των βιοϋλικών στο βιολογικό περιβάλλον Μηχανισμοί που οδηγούν σε αποδόμηση των ιδιοτήτων των πολυμερών

162 Βιοαποδόμηση με υδρόλυση Υδροδιαλυτές ομάδες σε πολυμερή βιοϋλικά

163 Βιοαποδόμηση με υδρόλυση Υδροδιαλυτές ομάδες σε πολυμερή βιοϋλικά

164 Βιοαποδόμηση με οξείδωση Λειτουργικές ομάδες σε πολυμερή βιοϋλικά που οξειδώνονται εύκολα

165 Εμφυτεύματα με εφαρμογή στην ορθοπεδική Σημαντική βελτίωση κινητικότητας και ποιότητας ζωής $ 14 δις (2002), ανάπτυξη 7% Συσκευές στερέωσης ρήξεων Συσκευές σταθεροποίησης σπονδύλων Λάμες ρήξεων Ήλοι, σύρματα, βίδες Κρανιακές συσκευές Τεχνητοί σύνδεσμοι Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

166 Εμφυτεύματα με εφαρμογή στην ορθοπεδική Σημαντική βελτίωση κινητικότητας και ποιότητας ζωής $ 14 δις (2002), ανάπτυξη 7% Απο/Αντικατάσταση άρθρωσης Ολική αρθροπλαστική ισχίου Αρθροπλαστική γονάτου Αρθροπλαστική αστραγάλου Αρθροπλαστική ώμου Αρθροπλαστική αγκώνα Αρθροπλαστική καρπού Αρθροπλαστική δακτύλων Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

167 Μοσχεύματα με εφαρμογή στην ορθοπεδική Βιολογία μοσχεύματος Το μόσχευμα δρα σαν ικρίωμα μέσα στο οποίο προωθούνται αρχικά αγγεία και ακολουθεί ο γνωστός μηχανισμός της οστεογένεσης δηλαδή οστεοκλασία- οστεοπλασία, έως ότου όλο το μόσχευμα αφομοιωθεί και ενσωματωθεί από το σημείο υποδοχής του. Η περιοχή που δέχεται το μόσχευμα αλλάζει συμπεριφορά αλλά και το ίδιο το μόσχευμα όταν αυτό έχει υποστεί κάποια επεξεργασία. Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

168 Ορολογία μοσχευμάτων στην ορθοπεδική Η ορολογία των μοσχευμάτων ανάγεται από τη σχέση προέλευσης Αυτομόσχευμα: προέρχεται από το ίδιο άτομο κυρίως από το λαγόνιο Ισομόσχευμα: προέρχεται από ομοιογενετικά άτομα δηλ. Δίδυμα Αλλομόσχευμα: προέρχεται από το ίδιο είδος δηλ. άνθρωπο προς άνθρωπο Ξενομόσχευμα: προέρχεται από ένα είδος σε άλλο είδος π.χ. αγελάδα-σκύλος Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

169 Συνθετικά μοσχεύματα με εφαρμογή στην ορθοπεδική Βιοϋλικό Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Τριφοσφορικό ασβέστιο Κεραμικός υδροξυαπατίτης Μεθακρυλικό πολυμεθυλένιο Μη απορροφούμενο πολυμερές (τεφλόν, πολυαιθυλένιο) Απορροφούμενο συνθετικό Πολυγλυκονικό και πολυγαλακτικο οξύ Καταλαμβάνει μεγάλο όγκο, οστεοεπαγωγικό Συνδέεται με το οστούν Άμεση σταθερότητα, παίρνει το σχήμα του ελλείμματος Οστεοσυμβατότητα σχετική oστεοεπαγωγικό, συμπλήρωμα των προθέσεων Δεν προσκολλάται με το οστούν, αγνώστου απορροφητικότητας, μακρύς ο χρόνος αφομοίωσης Εύθραυστο Βιοενεργός σιλικόνη Δένει με το οστούν Εύθραυστο Τμηματική απορρόφηση τεμαχίων από τον νεόπλαστο οστούν. Μπορεί να προκαλέσει φλεγμονώδεις αντιδράσεις Άγνωστη η απορροφητικότητα Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

170 Εναλάτωση οστών Στον ανθρώπινο οργανισμό υπάρχουν διαφορετικά εναλατωμένοι ιστοί (calcified tissues) Κοινό: Ανόργανο συστατικό υδροξυαπατίτη (ΟΗΑp) ή Ca 10 (PO4) 6 (OH) 2 κολλαγόνο, πρωτεϊνικά συστατικά Σε μακρά οστά είναι σημαντική η κατανόηση της οργάνωσης των παραπάνω κυρίως συστατικών στην αρχική φάση χαρακτηρισμού της οστικής δομής Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

171 Επίπεδα ιεραρχίας στην οργάνωση της δομής των οστών Παράδειγμα: μηριαίο οστό Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

172 Δομή εξαγωνικού υδροξυαπατίτη Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

173 Collagen, which constitutes almost one-third of the body protein, is found in skin, bone, and tendons. When first synthesized by cells called fibroblasts, collagen is in a fragile and soluble form (tropocollagen). In time this soluble collagen changes to a more stable, insoluble form that can persist in tissues for most of an animal s life. Under appropriate conditions, collagen can be brought into solution without chemical change. The fundamental units in such solutions are slender tropocollagen molecules about 14 Å wide and 2800 Å long. Collagen appears to be secreted in this form by the connective-tissue cells called fibroblasts Τροποκολλαγόνο Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

174 Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική Τροποκολλαγόνο

175 Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική Τροποκολλαγόνο

176 Οπτική μικρογραφία τομών οστού Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

177 Εμφυτεύματα αρθροπλαστικής ισχίου Εξελικτικά στάδια Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

178 Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική Αρθροπλαστική ισχίου

179 Πολυαιθυλένιο στα εμφυτεύματα αρθροπλαστικής Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

180 Σύγκριση μηχανικών ιδιοτήτων Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

181 Οδοντικά εμφυτεύματα Σουηδία, 1960 Πρώτη οδοντική εμφύτευση Η απώλεια ενός δοντιού είναι περίπτωση με ιδιαίτερες απαιτήσεις και μπορεί να προκληθεί από ατύχημα, κάταγμα, ενδοδοντική επιπλοκή ή από περιοδοντική νόσο. Η ανάγκη για αντικατάσταση είναι κατά κύριο λόγο αισθητική και γι αυτό γίνεται συνήθως άμεσα Η απώλεια ενός οπίσθιου δοντιού δεν μειώνει σημαντικά την μασητική ικανότητα και δεν έχει συνήθως μεγάλη αξία αισθητικά, έχει όμως σημαντικές λειτουργικές επιπτώσεις. Αν το δόντι που χάθηκε δεν αντικατασταθεί τότε τόσο οι ανταγωνιστές όσο και τα διπλανά δόντια αρχίζουν να μετακινούνται δημιουργώντας ανωμαλίες στην σύγκλιση και συνθήκες δύσκολης υγιεινής που μακροπρόθεσμα οδηγούν σε απώλεια και άλλων δοντιών Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική

182 Οδοντικά εμφυτεύματα Οστική Μεταμόσχευση Η οστική μεταμόσχευση είναι μια χειρουργική διαδικασία, η οποία αποκαθιστά το χαμένο οστό με υλικά που καλούνται «οστικά μοσχεύματα» Αυτό το υλικό δεν αντικαθιστά μόνο το χαμένο οστό, αλλά βοηθά τον οργανισμό να το αναπλάσει. Με τον καιρό το νεοσχηματισθέν οστό θα αντικαταστήσει το μεγαλύτερο μέρος του οστικού μοσχεύματος. Η κατευθυνόμενη οστική αναγέννηση είναι μια διαδικασία κατά την οποία μια μεμβράνη τοποθετείται στην περιοχή πάνω από το οστικό μόσχευμα. Αυτή η μεμβράνη βοηθάει επιπλέον το νέο οστό να αναπτυχθεί αλλά και αποτρέπει την ανάπτυξη ινώδους ιστού μέσα στην περιοχή του μοσχεύματος. Υπάρχουν διάφοροι τύποι οστικών μοσχευμάτων και μεμβρανών κατευθυνόμενης οστικής αναγέννησης. Μερικά μοσχεύματα, τα αυτογενή, λαμβάνονται από διάφορες περιοχές του στόματος. Άλλα μοσχεύματα προέρχονται από συνθετικά υλικά (αλλοπλαστικά), ή από οστό υψηλής αποστείρωσης (αλλογενή). Παρόμοια υπάρχουν διάφοροι τύποι μεμβρανών κατευθυνόμενης οστικής αναγέννησης. Κάποιες είναι κατασκευασμένες από συνθετικά πολυμερή και πρέπει να αφαιρεθούν με μια δεύτερη επέμβαση αρκετές εβδομάδες ή μήνες αργότερα. Άλλες είναι κατασκευασμένες από φυσικά υλικά και σταδιακά απορροφούνται από τον οργανισμό. Εφαρμογές των υλικών στην Ιατρική