1. előadás

Download Report

Transcript 1. előadás

BIOKOMPATIBILIS
ANYAGOK
Dr. prof. Nagy József
Biokompatibilis anyagok és a
biofunkcionalitás.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Biokompatibilitás
A szervezet és a beépített anyag közti kölcsönhatás. Ez lehet
a.) fizikai
b.) kémiai
C.) biológiai
Biofunkcionalitás
Anyag betölti a kívánt szerepet, rendelkezik megfelelő
mechanikai és reológiai tulajdonságokkal.
Anyagcsaládok:
Fémek, ötvözetek, kerámiák, polimerek (duromerek,
elasztomerek), gélek, kompozitok.
Az anyag biokompatibilitását befolyásoló tényezők:
Az anyag felületi tulajdonsága, kémiai stabilitás,
bomlástermékek. Az eszköz mérete és alakja és fizikai
tulajdonsága.
Biokompatibilis anyagok
Protézis, külső pót-testrész (műláb, műkéz, stb.)
• Implantátum. Humán szövetek és csontok közé épített
eszköz, vagy funkcionális anyag. (pacemaker, műfogsor,
ujjizület stb.).
• 1. ultra rövid idejű,
• 2. rövid idejű,
• 3. tartós használati implantátumok.
• Bioanyagok (biomateriálok). Orvosi segédanyagok,
orvosi eszközök.
• Mesterséges szervek. (pacemaker, műszív,
testfolyadékot szállító shunt-ok.)
ANYAGCSALÁD
PÉLDÁK
Fémek
Au, Ti, Pt
Ötvözetek
CoCrMo, CoCrNi
FeCrNi (ausztines saválló acél)
PtRh
Kerámiák
Al2O3
Porcelán
Pirolitikus grafit
Műanyagok
PE, PP, PTFE
PMMA
Elasztomerek
Szilikonkaucsuk
PUR
Természetes és mesterséges
gumi
Kompozit
Fémbetétes műfogsor
Szénszálas csípőízület
Biopolimerek
Tenyésztett bőrszövet
Biokompatibilis osztályok
•
•
•
Hisztokompatibilitás: implantátum - szövet
kölcsönhatás
Hemokompatibilitás: a vérrel érintkező
eszköz nem lehet trombogén, trombusképző
Cellurális kompatibilitás: összeférhetőség az
élő sejttel
Hisztokompatibilitás
Implantátum tulajdonságok
Szöveti reakciók
Toxikus (mérgező)
Szövetelhalás (nekrózis)
Inert (közömbös)
A szövet betokozza az implantátumot
(nem ismeri fel idegenként, csak
mintegy körülveszi)
Bioaktív
A környező szövetek hozzákötődnek,
tapadnak az implantátumhoz
Degradábilis (lebomló, felszívódó)
A szövet (idővel) pótolja az
implantátumot. Átveszi annak szerepét.
Biokompatibilitást befolyásoló tényezők
Anyag
Kémiai tulajdonság
Felületi kémiai tulajdonság
Felületi érdesség, símasság
Felületi töltésállapot
Kémiai stabilitás
Kémiai bomlástermékek
Bomlás termékek fizikai tulajdonságai
Az eszköz
Méret
Alak (geometria)
Mechanikai tulajdonságok
A befogadó testszövetek
ill. személy reakciója
Szövet helye tipusa és helyzete
Életkor
Nem
Egészségügyi állapot
Gyógyszerfogyasztás
A rendszer
Műtéti technika
Hisztokompatibilitás
Fertőzés veszély
Határfelületek közti kölcsönhatás fizikája
• Dimenzió: Nm-1 vagy Jm-2
F
A
   2
h h
Fa
=90°
Fk
F  F  F  2 F
2
k
2
a
2
a
2
a
Fk  2.Fa2
A kohéziós és adhéziós erők nem egyenlők
•
Hidrofób (higany =435 mN/m
és
Hidrofil (víz = 72.5 mN/m)
Fa
Fk
Fa
Fk
< 90°
>90°
Fk  Fa . 2
Fk Fa  2
Eötvös Loránd törvénye
 .V
•
2
3
 
t°C

t°C

-8
77
16
73.1 40
69.5
-5
76.4 18
73.1 50
67.9
0
78.6 22
72.7 60
66.2
6
74.5 25
72.0 70
64.4
10
74.2 30
71.2 100
58.9
t°C

ahol  =Felületi feszültség,
V= térfogat
•  = konstans,  = Tk- T , a
kritikus hőmérséklet és T
hőmérséklet különbsége
Határfelületi energia
•
•
•
•
•
•
A és B anyag között kölcsönhatás lép fel. A keletkező
többletenergiát határfelületi energiának nevezzük (A/B)
A.) „felületi feszültség” (surface tension) kizárólag
folyadék/gőz határfelületre,
B.)„felületi energia” (surface energy) szilárd/gőz
határfelületre,
C.)„határfelületi energia”(interfacial energy)
kondenzált/ kondenzált fázisok között.
Szabadentalpia többlet GA/B [J/mol)
Ahol A/B = moláris felület ( m2/mol)
G A / B
 A/ B 
A/ B
Két felület közti nedvesítés feltétele
• sg = szilárd/gőz határfelületi energia. Ez a cseppet széthúzza.
• sf = szilárd/folyadék határfelületi energia. Ez a cseppet összehúzza.
• fg= folyadék/gőz határfelületi energia. Csepp felszínének érintője
irányában hat.
foly
gőz

fg
sg
sf
sz
 peremszög
•
•
•
•
Felszíni munkacsökkenéshez tartozó szabadentalpia, lehet
Ha  = 0°
akkor G = 2.sg
Ha  = 90°
akkor G = sg
Ha  = 180°
akkor G = 0
G  [ fg   sg   sf ].
 sg   sf   fg cos
G  sg 1 cos 
Ha a felület érdes, ezt legegyszerűbben úgy vehetjük figyelembe,
hogy a látszólagos egységnyi, (1 m2 ) felület r - szeresére nő,
r.( LS  SG )   LG  cos r
cos r  r  cos
Ozmózis jelenség
• Van’t Hoff-Pfeffer törvény:
 .  RT
1

c
V. Mikroheterogén (kolloid) rendszerek.
Felületek fizikája
•
Kohéziós energia G = Gb + Gf
Élek
Diszperzió fok
Össz.felület
Gf J
1 cm
1
6 cm2
4.6,10-5
1 mm
103
60cm2
4.6.10-4
0.1 mm
106
600 cm2
4.6.10-3
0.01 mm
109
6000cm2
4.6.10-2
1m
1012
6 m2
4.6.10-1
0.1m
1015
60 m2
4.6
0.01m
1018
600 m2
46
1 nm
1021
6000 m2
460
Diszperzitásfok
•
•
•
•
Diszperz rendszer két részből áll:
Diszperz közeg és diszperz fázis
Részecskeméret szerint felosztás:
Heterogén (makroheterogén) 500nm-nél nagyobb.
Pl. durva diszperzió: homok/víz, finom diszperzió: TiO2/viz
• Kolloid (mikroheterogén): 500 nm részecskeméret alatt.
• Molekula aggregátumok. Pl. enyv oldat,
• Homogén: 1nm körüli, valódi oldatok
Diszperz rendszer felosztás halmazállapot
szerint
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Diszperziós közeg
Gáz
Gáz
Folyadék
Folyadék
Folyadék
Szilárd
Szilárd
Szilárd
Diszperziós rész Rendszer neve
Folyadék
Köd
Szilárd
Por, Füst
Gáz
Habok
Folyadék
Emulzoid
Szilárd
Kolloid szol
Gáz
Szilárd habok
Folyadék
Gélek
Szilárd
Ötvözetek,
Üvegek
Diszperz rendszerek előállítása
• I Fizikai úton
• Aprítással (diszpergálással). Ívfénnyel Ag, Au szolok.
Oldószercserével. Plazmaszórással. Kolloid malommal való őrlés.
• II Kémiai úton
• AuCl3 red CH2O  Au kolloid szol
• FeCl3 + 3 H2O = Fe(OH)3 + 3HCl
• Termikus úton égetéssel: korom, fehér korom (pirogén kovasav)
• SiCl4 + O2 + H2  SiOx(OH)y + HCl x= 1,9 – 2
• Ormosil (Organically Modified Silica) nanoszilikát gyógyszerhordozó
kolloid szolok
• 4 Si(OC2H5)4 + 12 H2O = Si8O12(OH)8 + 16 C2H5OH
• Használják daganatterápiára és diagnosztikára, géntranszfekcióra
Kolloid oldatok fizikai tulajdonságai
• Brown mozgás
• Tyndall effektus. Fényszórás. (Ultramikroszkóp)
• Elektroforézis (kataforézis, anaforézis) Abszorptív töltés
( potenciál V -ban mérjük)
• Pl. AgCl szol: Ag+ felesleg akkor pozitív, HCl negatív .
Ha  = 0 veszélyes négyszögbe jut, koagulál
Gélek és kocsonyák. Liogél, xerogél állapot
• A gélek vagy kocsonyák olyan rendszerek, amelyek átmenetet
képeznek a szilárd és a folyékony halmazállapotú anyagok között.
Alaktartók és könnyen deformálhatók, nagy folyadéktartalmúak,
fizika tulajdonságaik az oldatokéhoz hasonlóak.
• Géleket szervetlen és szerves polimerek, biopolimerek,
képezhetnek.
•
A növényi és állati sejtek, az izom stb. gélállapotban vannak.
• A szemgolyó üvegteste 99.9% -os kocsonyás, víztartalmú gél.
• Enyv: kolloid oldat. Ha besűrítjük, gélé alakul. Lioszféra veszi körül,
a mozgás befagy. Liogél állapot áll be. Ha a vízréteget teljesen
eltávolítjuk, xerogél állapotba jutunk.
•
Peptizálás xerogél oldása segédanyagokkal. Az enyv oldással
peptizálható !!!!
Fizikai és kémiai gélek fizikai tulajdonságai
• Fizikai gélek (pl. enyv) instabilak, melegre a H-kötések bomlanak,
folyóssá válik. A szol - gél állapot reverzibilis.
• Kémiai gélek: háromdimenziós, stabil térhálós szerkezetűek.
Oldószerben csak duzzadnak. Pl. Szilikagél, szilikongél. Preciziós
öntés TES –el.
Határfelületi feszültség oldatokban. Amfifil
rendszerek
•
•
•
•
Fázisok között határfelületi
feszültség lép fel. Hajszál effektus
A víz nedvesít: emelkedő szint, a
higany nem nedvesít: depresszió.
Oldatban a felület feszültsége
függ a koncentrációtól.
Gibbs egyenlet, ahol a2 = oldott
anyag aktivitása, 2 = oldatban és
felületen levő koncentrációk
különbsége.
a2 d
d
2  

RT da2
RTd ln a2
Anyag
t °C
 mPa/m
Víz
20
72.75
H2O2
18
76
Benzol
17
78.75
Hexán
17
17
Kén
141
88
Kősó
811
113
Glicerin
20
66.5
HCOOH
35
35.1
Etanol
20
23.04
Határfelületi feszültség oldatokban. Amfifil
rendszerek II
• Azokat az anyagokat, amelyek a felületi feszültséget határfelületen
nagymértékben megváltoztatják kapilláraktív anyagoknak (2>0
d/da2 csökken) ellenkező esetben kapillárinaktív anyagoknak
(2<0 d/da2 nő) , nevezzük.
=f(c)
d=f(c)
c
Kapilláraktív anyagok gyakorlati szerepe
• Mosó és tisztítószerek
• Habstabilizátorok poliuretán hab (szilikon tenzídek)
• Habzásgátlók (Fermentáció, Permetező anyagok mesterséges szív
vér habtalanitása, )
• Emulgátorok víz –olaj emulziók. Gyógykenőcsök, ápolószerek.
• Molekula szerkezeti szempont szerint a felületaktív anyagok akkor
aktívak, ha vízben jól oldódó karboxil, szulfát anionokat stb.
tartalmazó hosszú szénhidrogén láncú vegyületek, vagyis hidrofil
és hidrofób csoportokból épülnek fel. A moltömeggel a
hatékonyságuk növelhető
Amfifil kapilláraktív anyagok
• Körülményektől függően hol hidrofil, hol hidrofób anyagként
viselkednek. Ezek közé, tartoznak a szappanok, detergensek,
koleszterin, a zsírsavak, vagy a foszfolipidek is, amelyek a biológiai
membránok fő komponensei. Foszfolipidek: zsírsav láncból,
glicerinből, foszforsavból aminnal képezett biomolekulák.
Molekula, halmazok
• Le kvark e= -1/3,
fel kvark e=+2/3
• Z. p+ + N-Z n = Atommag
Atommag + Z e- = Atom

2
H
2me
Ze 2
e2
i  
     E

i 1
i 1 ri
i
j rij
n
n
• Molekula

2
H
2me
n
N
n
n
Za
Z a Zb
1
2
2
 i   e    e    e 
  E

Rab
i 1
a
i rai
i
j rij
a b
2
n
Kristályrácsok
•
Rácsok
Molekularács. Van der Waals erők
•
•
•
•
•
Molekularácsot összetartó erők:
diszperziós
orientációs
Indukciós
E   Eab
Van der Waals

B
R12 13
 a . b
2. a2  b2
1
E ( A, B)  [h. a . b

  a2 b   b2 a ] 6
 a  b
3kT
R
• Ha nincs dipólusmomentum akkor csak diszperzió rész van.
• Igen kicsi a Van der Waals energia, 1-7 kcal/mol.
• Szoros illeszkedésű rács
IONRÁCS
• Coulomb erők tartják össze a rácsot. Nagy a rácsenergia. Nagy az
op.
• NaCl, KCl, CaCl2, Na2 SO4 stb. oldódnak vízben és olvadékban, ill.
oldatban vezetik az áramot. BaSO4, PbCl2, AgCl stb. oldhatatlan.
• Szekunder vezetők.
2
AN a Z a Z b e
B
E
 n
R
R
• n= 9 –12


 NaCl6  R
6

Atomrács
• Az atomrácsot kovalens kötések kötik össze, Ezért igen
nagy a rácserő.
• Nagy az olvadáspontjuk.
• Ide tartoznak az orvosi gyakorlatban a kerámiák és a
porcelán
• Modern ipari tűzálló kerámia: sűrűsége 2,5 g/cm3 Si3N4
1000°C-ig használható (RAKÉTATETECHNIKA)
• ACÉL: 370°C –n lágyul és sűrűsége 7,5 g/cm3.
Korrózió, vezeti az áramot , mágnesezhető.
 
C g  C 3 H
 3
 
 
C
H

 3
C 4 R
 4
 3


S ig  S i 4 R
 4
715,05 kJ.mol-1
+ 1.90 J/.mol
-468,77 kJ.mol-1
vezető
szigetelő
félvezető


Geg  Ge 4 R
 4
-376.56kJ.mol-1


S ng  S n 4 R
 4
-318,59 kJ. kJ.mol-1 félvezető
-


S ig  2O 2 g  S iO2g  S iO4 R
2
--289,28 kJmol-1
félvezető
-599.51 kJmol-1 szigetelő
Fémes rács
Fémes rács II
• Térben centrált


Li 8

 8




R


V 8



 8
Lapon centrált




R




C a 12


 12





R


 Al 12



 12
Hexagonális




R





Zn 12



 12




R


Be 12



 12


R 


• Au szublimációs energiája
365,26 KJ/mol
• Fémek gőzben 2, 3, 4 stb. atomos molekulákat alkotnak.
Lehűtve szoros illeszkedés elve alapján a fém kationokat
delokalizált elektronfelhő veszi körül.
• A 96 elem közül döntő többség fémes állapotban van.
• Igen nagy nyomáson minden anyag fémes állapotú lesz,
• H2 106 atm. nyomáson fémes rácsú kristályt alkot.
Hidrogén (Proton) Híd
• H N, O, F atomokkal kötést létesít, akkor H-kötés alakul
ki molekulák között és (HF)n , (H2O)n, (NH3)n
aszociátumok keletkeznek.
H
O H
O
H F
H F
H
H
21 kJ/ mól
29,3 kJ/ mól
H
H
+
+
N H
H
N H
H
8,4---- 12,6 kJ/ mól
Néhány elem,vegyület op., fp., és M adatai
Op. °C
Fp. °C
Moltömeg
H2
-259
-253
2
F2
-223
-187
38
O2
-218
-183
32
H2O
0
100
18
HF
-83
+20
20
H- hidas vegyületek
• Nemcsak a víz és az ammónia, hanem az őket felépítő -OH és
NH2-, NH= csoportokat tartalmazó szerves vegyületek
aminosavak, fehérjék, dezoxi-ribonukleinsavak, keményítő,
.
cellulóz, stb., mind protonhidas asszociátumok
• Ugyancsak protonhidas szerkezettel rendelkeznek az oxosavak
(H2SO4, H3PO4 stb.), bázisok (NaOH, KOH stb.), alkoholok, fenolok
(ROH), karbonsavak (RCOOH), aminok (RNH2. R2NH, R3N), és
poliamid típusú műanyagok.
• Autoprotolízis
• 2 H2O = H3O+ + OHKv = 10-14
• 2NH3 = NH4+ + NH2• Víz bioanyag szerepe. Víz sűrűsége +4°C =1.  =72 N/m. (25°)
• Dielektromos áll. = 80,1. Elektrolitek jó oldószere.
7 kristályrendszer, 32 osztály
Kristályrendszer II
•
•
•
•
•
•
•
Köbös
a= b = c  = =  = 90° Kősó NaCl
Tetragonális a =b  c  = =  = 90° Ón (Sn)
Romboéderes a = b = c  = =   90° Dolomit
Hexagonális a =b  c  = = 90°,  =120° grafit
Rombos
a  b  c  = =  = 90°
BaSO4
Monoklin
a  b  c  = = 90°,  90° Gipsz
Triklin
a  b  c    Cu(OH2)4.SO4.H2O
Bragg (1912) törvénye

d
n  2.d . sin 
Nem kristályos, amorf (üveges) halmazok.
Kvarc kristály és kvarc üveg
• Kvarc kristály,rombos tridimit, négyzetes krisztobalit,
hatszöges -kvarc, és trigonális trapezoéderes -kvarc
kristályokat alkot, 1700°C-on olvad
• Hűtéskor nem kristályos, amorf, ún. kvarcüveg,
keletkezik, amely pl. az uv fényt átengedi. (kvarclámpa).
Kristályos és amorf anyagok
• Szintetikus szervetlen és szerves polimerek, különböző
polimerizációs fokú polimerek halmaza. Kristályosak,
amorfak vagy kétfázisú rendszerek
• A természetes polimerek viszont homogén,kristályosítható
halmazt képezhetnek, Pl. dohánymozaik vírus, amely
nukleinsavból áll csak, kristályosítható, dohánylevélre
jutva, azonnal élősdi, gyilkos vírussá válik.
• Polimerek lineárisak, elágazott vagy három dimenziós
(kvarc üveg) térhálós szerkezetek.
• Ha lineáris termikus mozgást végez és átlagos gomolyag
1
szerkezetét adja meg
1  cos  
r  Nl 

1

cos



2
A polimerláncok közti kapcsolat
SÁVELMÉLET.
Szilárd testek elektronszerkezete.
II sáv
P-sáv
Vezető
sáv
Tiltott sáv
Vegyérték
sáv
S-sáv
1
2
3
4 ………………………………n→∞
Vezető, szigetelő, félvezető
• Sávok
Áramvezetés, szigetelés, átlátszóság.
Widemann-Franz szabály
• Rendezetlen hőmozgás

 konst
 .T
Áramvezetés (rendezett vezetés)
Félvezetők tulajdonságai
•
•
C
Si
•
•
Csak a IR –re van ablakuk
Hőmérséklettel nő a vezetés
0,90 aJ
0,18 aJ
Δε
   o  exp(  )
kT
Ge
Sn()
0,12 aJ
0,02 aJ
E  h
Intriszk, n és p - vezetés
• Informatika: félvezetők alkalmazása tette lehetővé.
Intriszk
n-vezetés
p-vezetés
SZERVETLEN ÉS SZERVES POLIMEREK ELEKTRONVEZETÉSE
S
j=
N
1
S
N
2
S
N
3
S
4
N
S
5
N
S
N
S
6 ...................N
Biopolimerek: Félvezetők ?
NH ............. O
H
O ............ HN
HN
O
O
NH
NH ................ O
O ................HN
HN
O ........ H N
N
N H .......... N
N
N
N
O
Thimin
Adenin
Fehérje típusok tiltott sávszélessége (eV)
• Watson – Crick (1953)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Thymus nukleoprotein
Trombin
Citokróm C
Lizozim
Fibrinogén
Sertés inzulin
Globin
Kollagén
Poliglicin
2.57
2,59
2,60
2,62
2,69
2,91
2,97
2,73
2,99