Transcript Biomaterijali

Odsek za fizičku elektroniku
SMER ZA BIOMEDICINSKI I EKOLOŠKI INŽENJERING
Odsek za signale i sisteme
SMER ZA BIOMEDICINSKO INŽENJERSTVO I TEHNOLOGIJE
(semestar: 7)
izborni predmet
BIOMATERIJALI
(broj časova: 3+2)
Prof. Dejan Raković
Doc. Miloš Vujisić
Ms. Koviljka Stanković
www.nobel.etf.rs
PREDMET KURSA:
Predmet upoznaje studente sa inženjeringom opštih i specijalnih
svojstava biomaterijala (metala, polimera, keramika, kompozita),
njihovom eksploatacionom stabilnošću, reakcijom organizma na
biomaterijale, i sa izborom biomaterijala i konstruisanjem. Tokom kursa
studenti ce imati prilike da se kroz seminare upoznaju i sa nekim
savremenim eksperimentalnim istraživanjima biomaterijala u drugim
centrima u Srbiji.
ZAŠTO SLUŠATI OVAJ KURS?
Biomaterijali je predmet koji upoznaje studente sa osnovnim
biomedicinskim, strukturnim, mehaničkim, fizičkim i hemijskim
karakteristikama, metodama karakterizacije i primenama biomaterijala
u medicini i stomatologiji.
POŽELJNO PREDZNANJE:
Fizika I, Fizika II, Principi biomedicinskog inženjerstva, Osnovi
biofizike, Materijali u elektrotehnici, Biomehanika
DALJA NADOGRADNJA:
Neuralne proteze, Modeliranje biofizičkih sistema.
.
LITERATURA
1. Grupa autora/D. Uskoković, D. Raković, eds, Biomaterijali (Institut
tehničkih nauka SANU & Društvo za istraživanje materijala, Beograd,
2010).
2. B. D. Ratner, A. S. Hoffman, F. J. Schoen, J. E. Lemons, eds,
Biomaterials Science (Elsevier, San Diego, 2004).
3. CD sa Ppt-prezentacijama i dopunskom literaturom.
NASTAVA & ISPIT
1. Predavanja, računske vežbe i seminari.
2. Ispit iz jednog dela (70 test pitanja, 2 zadatka/pitanja).
3. Redovno prisustvo nastavi donosi 10% poena.
KRATAK SADRŽAJ
Uvod
(D.Uskoković/D.Raković)
I OSNOVNI BIOMEDICINSKI KONCEPTI I REAKCIJE ORGANIZMA NA
BIOMATERIJALE
Ćelije i tkiva
(D.Đorđević)
Interakcije ćelija i tkiva sa biomaterijalima
(D.Đorđević)
Procesi zapaljenja i zarastanja
(D.Đorđević)
Imunološke reakcije
(D.Đorđević)
Koagulacija krvi
(D.Đorđević)
Sistemska toksičnost i hipersenzitivnost, tumorogeneza, infekcije
(D.Đorđević)
Biološka karakterizacija biomaterijala
(D.Đorđević)
Degradacija biomaterijala u biološkom okruženju
(D.Đorđević/D.Raković)
II STRUKTURA, FIZIČKO-MEHANIČKA KARAKTERIZACIJA I
MODELIRANJE BIOMATERIJALA I TKIVA
Elektronska i prostorna stuktura biomaterijala
(D.Raković)
Fizička karakterizacija biomaterijala
(D.Raković/M.Dramićanin)
Mehanička karakterizacija biomaterijala
(D.Raković)
Modeliranje biomaterijala i tkiva
(M.Kojić/B.Stojanović/V.Ranković/I.Vlastelica)
Modeliranje krvotoka, disajnih organa i hrskavice
(N.Filipović/M.Kojić/B.Stojanović/V.Ranković)
Modeliranje mikromehanike kod čestično kompozitnih biomaterijala
(P.Uskoković/I.Balać)
Nanomehanička karakterizacija biomaterijala
(P.Uskoković/I.Balać)
III SAVREMENI BIOMATERIJALI I TEHNOLOGIJE
Metalni biomaterijali
(D.Raković/M.Pavlović)
Keramički biomaterijali
(Đ.Janaćković/D.Uskoković)
Polimerni molekuli i biomaterijali
(M.Plavšić)
Kompozitni biomaterijali
(D.Uskoković/N.Ignjatović)
Biodegradabilni polimeri
(N.Ignjatović/D.Uskoković)
Bioderivativni polimeri i hidrogelovi
(M.Plavšić/I.Pajić-Lijaković/B.Bugarski/ D.Raković)
Mekotkivni implantati
(D.Raković/M.Pavlović)
Čvrstotkivni implantati
(D.Uskoković/N.Ignjatović/M.Pavlović)
IV PERSPEKTIVE BIOMATERIJALA I TEHNOLOGIJA
Tehnologija imobilizacije ćelija: praktični aspekti
(B.Bugarski/B.Obradović/V.Manojlović)
Bioinženjerstvo tkiva: stanje i perspektive
(B.Obradović/B.Bugarski/G.Vunjak-Novaković)
Nanomedicina: stanje i perspektive
(V.Trajković/Z.Marković)
Kvantna medicina: stanje i perspektive
(D.Raković/D.Đorđević/M.Plavšić/I.Ćosić)
Zadaci sa rešenjima
(D.Raković/D.Veljković)
Ispitna test pitanja
(D.Raković/D.Đorđević)
Ispitna teorijska pitanja
(D.Raković)
SADRŽAJ
Uvod (D.Uskoković/D.Raković) Klasifikacija i značaj biomaterijala.
Ćelije i tkiva (D.Đorđević) Ćelije (fiziološka građa i funkcija, fiziološka
organizacija, ćelijska adaptacija i odgovor na oštećenje). Tkiva
(fiziološka organizacija i funkcija, građa i funkcija, tkivna adaptacija i
odgovor na oštećenje).
Interakcije ćelija i tkiva sa biomaterijalima (D.Đorđević) Interakcije
ćelija sa biomaterijalima (dejstvo mehaničkih sila na ćelije). Interakcije
tkiva sa biomaterijalima (uloga adsorbovanih proteina, uloga
pojedinih tkivnih komponenti, tkivni inženjering)
Procesi zapaljenja i zarastanja (D.Đorđević) Procesi zapaljenja (akutna
i hronična inflamacija, granulaciono tkivo). Procesi zarastanja.
Imunološke reakcije (D.Đorđević) Urođeni i stečeni imunitet. Primarni i
sekundarni imunski odgovor. Kontrola imunskog odgovora.
Poremećaji imunskog odgovora.
Koagulacija krvi (D.Đorđević) Mehanizmi koagulacije krvi. Kontrolni
mehanizmi koagulacije krvi.
Sistemska toksičnost i hipersenzitivnost, tumorogeneza, infekcije
(D.Đorđević) Kinetika i priroda komponenti biomaterijala,
toksičnodinamička razmatranja, hipersenzitivnost i imunotoksičnost,
ostale interakcije. Mehanizmi tumorogeneze, patobiologija stranim
telima indukovane tumorogeneze. Oportunističke i druge infekcije,
potencijalni agensi za kontrolu kolonizacije mikroba biomaterijala.
Biološka karakterizacija biomaterijala (D.Đorđević) In vitro procena
kompatibilnosti tkiva. In vivo određivanje kompatibilnosti tkiva.
Testiranje interakcija materijala u krvi. Životinjski modeli.
Degradacija biomaterijala u biološkom okruženju (D.Đorđević/
D.Raković) Hemijska i biohemijska degradacija polimera.
Razgrađujući uticaj biološke sredine na metale i keramiku. Mehaničko
raspadanje biomaterijala u biološkoj sredini. Patološka kalcifikacija
biomaterijala i naprava.
Elektronska i prostorna stuktura biomaterijala (D.Raković) Hemijske
veze i svojstva biomaterijala. Nadmolekularne kristalne i nekristalne
strukture i nesavršenosti. Hibridizacija atomskih orbitala i strukturne
forme ugljenika. Molekularne i nadmolekularne strukture biopolimera.
Fizička karakterizacija biomaterijala (D.Raković/M.Dramićanin)
Karakterizacije molekulske težine. Difrakcione, mikroskopijske i
spektroskopske metode karakterizacije prostorne strukture
biomaterijala.
Mehanička karakterizacija biomaterijala (D.Raković) Mehanička
ispitivanja sa razaranjem. Mehanička ispitivanja bez razaranja.
Nanomehanička ispitivanja biomaterijala. Modeliranje mehaničkih
karakteristika biomaterijala. Uporedne mehaničke karakteristike
biomaterijala (metali, keramike, polimeri, kompoziti).
Modeliranje biomaterijala i tkiva (M.Kojić/B.Stojanović/V.Ranković/
I.Vlastelica) Osnove mehanike neprekidnih sredina. Jednačine
mehanike kontinuuma. Princip virtualnog rada i konstitutivne relacije.
Jednačine konačnih elemenata. Bioimplantati kod kostiju. Modeliranje
bioloških membrane. Modeliranje mišića.
Modeliranje krvotoka, disajnih organa i hrskavice (N.Filipović/M.Kojić/
B.Stojanović/V.Ranković) Osnovne jednačine laminarnog strujanja
fluida. Jednačine konačnih elemenata. Solid-fluid interakcija. Strujanje
krvi kroz arterije. Modeliranje stenta, interakcija sa krvotokom arterija.
Modeliranje strujanja vazduha u respiratornom sistemu. Modeliranje
hrskavice.
.
Modeliranje mikromehanike kod čestično kompozitnih biomaterijala
(P.Uskoković/I.Balać) Mikromehanika čestičnih kompozita.
Poluempirijske, numeričke i analitičke metode proračuna. Numerički
model kompozita. Poređenja numeričkih i eksperimentalnih rezultata
Nanomehanička karakterizacija biomaterijala (P.Uskoković/I.Balać)
Osnove metode nanoindentacije. Eksperimentalni rezultati
nanoindentacije. Numerička simulacija metode nanoindentacije.
Metalni biomaterijali (D.Raković/M.Pavlović) Inženjering mehaničkih
karakteristika metala. Glavni predstavnici metalnih biomaterijala
(nerđajući čelici, Co-Cr legure, Ti i Ti-legure, stomatološki metali,
ostali metali). Korozija metalnih implantata. Tehnologija metalnih
implantata.
Keramički biomaterijali (Đ.Janaćković/D.Uskoković) Inženjering
mehaničkih karakteristika keramika. Glavni predstavnici keramičkih
biomaterijala (neapsorbujuće ili relativno bioinertne keramike: Al2O3,
ZrO2, pirolitički C; bioaktivne ili površinski reaktivne staklo-keramike i
stakla: biostaklo, HAp niskotemp. sinter.; biodegradabilne ili
resorbabilne keramike: trikalcijum fosfat, HAp visokotemp. sinter.).
Starenje keramika.
Polimerni molekuli i biomaterijali (M.Plavšić) Inženjering mehaničkih
karakteristika polimera. Glavni predstavnici sintetičkih polimernih
biomaterijala (PVC, PE, PP, PMMA, PS, PET, PTFE, najloni, gume,
poliuretani, poliacetati, polisulfoni, polikarbonati). Sterilizacija
sintetičkih polimernih biomaterijala. Obrada površine sintetičkih
polimernih biomaterijala zbog poboljšanja biokompatibilnosti.
Kontrola kvašenja sintetičkih polimernih biomaterijala ćelijama i
proteinima.
Kompozitni biomaterijali (D.Uskoković/N.Ignjatović) Inženjering
mehaničkih karakteristika kompozita. Glavni predstavnici kompozitnih
biomaterijala (keramika/metal, keramika/prirodni, keramika/keramika,
keramika/bioaktivno staklo, keramika/polimer, HAp/bioneresorbilni
polimer, HAp/bioresorbilni polimer, HAp/PLLA). Injektabilni kompozitni
biomaterijali za rekonstrukciju koštanog tkiva. Modaliteti povećanja
efikasnosti kompozitnih biomaterijala.
Biodegradabilni polimeri (N.Ignjatović/D.Uskoković) Inženjering
biodegradabilnih karakteristika polimera. Glavni predstavnici
biodegradabilnih polimera (glikolid-laktidni linearni alifatički poliestri,
neglikolid-laktidni linearni alifatički poliestri, nealifatički poliestri).
Bioderivativni polimeri i hidrogelovi (M.Plavšić/I.Pajić-Lijaković/
B.Bugarski/D.Raković) Biomaterijali na bazi kolagena. Struktura
kolagena i tumačenje njegovih svojstava. Bioderivativni materijali na
bazi alginata. Struktura alginata i derivativnih materijala iz alginata.
Zajedničke karakteristike strukture bioderivativnih materijala. Sastav i
struktura sintetskih hidrogelova. Termodinamički osnovi bubrenja
hidrogelova. Proizvodnja bioderivativnih biomaterijala. Dizajniranje i
proizvodnja implantata iz bioderivativnih materijala.
Mekotkivni implantati (D.Raković/M.Pavlović) Mekotkivni implantati
interagujući sa krvlju (srčani zalisci, veštačka srca, krvni sudovi).
Mekotkivni implantati neinteragujući sa krvlju (šavovi, vezne naprave,
tkivni adhezivi; potkožni i kožni implantati; maksilofacijalni, ušni i očni
implantati; implantati za ispunu; implantati za transfer fluida).
Čvrstotkivni implantati (D.Uskoković/N.Ignjatović/M.Pavlović)
Rekonstrukcija kostiju i zglobni implantati (obnova dugih kostiju, žice,
igle, zavrtnji, pločice, intramedularni klinovi, zamena zgloba, metod
fiksacije implantata, totalne zamene zglobova). Stomatološki
implantati. Odnos svojstava materijala i bio-funkcionalna svojstava
(efekti izbora materijala, efekti svojstava materijala).
.
Tehnologija imobilizacije ćelija: praktični aspekti (B.Bugarski/
B.Obradović/V.Manojlović) Metode imobilizacije ćelija. Modelovanje
procesa u česticama sa imobilisanim ćelijama. Ekstruzione tehnike.
Bioinženjerstvo tkiva: stanje i perspektive (B.Obradović/B.Bugarski/
G.Vunjak-Novaković) Ćelijska kultura. In vitro kultivacija tkiva (tkivni
ekvivalent, bioreaktorski sistem). Integracija tkivnih ekvivalenata u živi
organizam.
Nanomedicina: stanje i perspektive (V.Trajković/Z.Marković)
Nanočestice u medicinskoj dijagnostici. Nanočestice kao nosioci
lekova. Mehanizmi uklanjanja nanočestica iz organizma i mogućnost
ciljane isporuke lekova. Usmeravanje nanočestica (makrofagi,
endotelne ćelije, tumorske ćelije). Toksičnost nanočestica. Budućnost
nanomedicine.
Kvantna medicina: stanje i perspektive (D.Raković/D.Đorđević/
M.Plavšić/I.Ćosić) Makroskopski kvantni efekti u biofizici i
potencijalne kvantno-holističke psihosomatske implikacije. Kvantna
dekoherencija i kvantna neuronska holografija kao potencijalne
bioinformacione osnove kvantne medicine i kvantne informatike
(biomolekularno prepoznavanje; akupunkturna regulacija
morfogeneze; svest/kolektivna svest i nelokalno kanalisanje kvantnog
kolapsa).
Zadaci sa rešenjima (D.Raković/D.Veljković)
Ispitna test pitanja (D.Raković/D.Đorđević)
Ispitna teorijska pitanja (D.Raković)