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Medical Materials Medical Materials for the Next Millenniumfor the Next Millennium
Sukyoung KimSukyoung Kim
Yeungnam UniversityYeungnam University
Metallurgy & Materials EngineeringMetallurgy & Materials Engineering
What Happen During the 21th Century ?
Death
OldOld
IllnessIllness
InjuryInjury
LifeLife
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The Aged = Needs of Biomaterials
15.9
69.4
14.5
14.7
68.1
17.2
14.3
66.1
19.6
14.3
65
20.7
14.3
63.6
22
14.2
60.6
25.2
13.7
59.5
26.9
13.1
59.5
27.4
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
< 일본의 향후 인구비율 >
고령인구의 증가율 (7%->14%)스웨덴 85 년영 국 45 년일 본 24 년한 국 ? 년
65 세 이상 ( 노년인구 )
15∼65 세
0∼14 세 ( 소년인구 )
( 일본 국세도회 2000/2001)
고령인구증가
질병발생빈도증가
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Life Span & Quality by Medical Treatment
Life Span50 80
LifeQuality
과거 현재 21 세기
치료의학
예방의학 재활의학 산업적효과
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0
10
20
30
40
50
60
1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009
Year
Market Size(billion $)
World Market Size of Biomaterials
• 연평균 성장률 15% • 2000 년도부터는 예측한 값 ( 미국 , DATAMONITOR, Inc., 조사자료 )
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Applications of Biomaterials
재건장치 50%
기타 10%척추 이식재 6%
외상 관련 14%
연 조직 관련 10% 관절내시경 및 스포츠약품 10%
☞ 최근 아시아를 중심으로 수요의 급증으로 세계시장이 15% 안팎의 성장을 보임 (2000 년 2 분기 , Biomet Inc. 조사 )
Current Trend of Bio R&D
• Gene Theraphy - Congenital Deformity/Disease
• Biomaterials - Congenital Deformity/Disease- Postnatal Deformity/Disease
BiomaterialsBiomaterials
Tissue Tissue Engineering Engineering
Grafting
Current R&D Trend of Biomaterials
Natural & Artificial Biomaterials
Tissue/Organ
Scaffold
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Organization of Human Body
Organism
Molecule
Organelle
Cell
Tissue
System
Organ
Atom
Macromolecule
Structure of Human bodyStructure of Human body
BodyBody
SystemSystem
Organ
Tissue
Cell Cell ++ MatrixMatrix
Nervous System 신경 계통
Body Systems
Integumentary System 피부 계통
Skeletal System 골격 계통
Urinary System 비뇨기 계통
Digestive System 소화기 계통
Lymphatic System 림프 계통 / 면역 (Immunity)
Endocrine System 내분비 계통
Respiratory System 호흡기 계통
Cardiovascular System 심장 계통
Reproductive System 생식 계통
Muscular System 근육 계통
Throx & Sternum 흉과과 흉골
Pelvis 골반Vertibra (lumbar part) 헉추 ( 요추 )
Head 두부
Femur 대퇴골
Neck 경부Temporomandibular joint 악관절
Shoulder joint 견관절
Ankle joint 거퇴관절
Elbow joint 주관절
Tibia & Fibula 경골과 비골
Hand (manus) 손Forearm 전완 (antibrachium) Hip joint 고관절
Elbow joint 주관절
Radiocarpal joint 요골수근관절
Foot 발
Arm (brachium) 상완
Shoulder girdle 상지대
Vertibra 척추 ( 경추 )(cervical part)
Intervertibral discs추간원판
Skeletons & Joints (articulations)
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Functions of Bones
• Support : internal framework
• Protection : soft body organs
• Blood cell formation in marrow cavities
• Movement : body with muscle, tendon, ligament
• Storage : fat in cavities of bones Ca, P in bone self
ImplantImplant
Surgical ProcedureSurgical Procedure
InflammationInflammation
Normal Wound HealingNormal Wound Healing Chronic IrritationChronic Irritation
HealingHealing Implant RemovalImplant Removalor Destructionor Destruction
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Why Increase the Use of Biomaterials ?
• Increase old ages• Increase of the wounded by war/accident• Health insurance • Pursuit of better quality of life• Development of new biomaterials
& medical technology
Why Use the Artificial Biomaterials ?
(problems of the use of natural materials)
• Shortage of natural biomaterials• High cost• Immunologic reactions• Possible viral transmission
• Social and ethical problems
Hyroxyapatite, CaHyroxyapatite, Ca1010(PO(PO44))66(OH)(OH)22
Main component of bone Main component of bone and tooth mineralsand tooth minerals Ca/P ratio : 1.67Ca/P ratio : 1.67
Excellent biocompatibilityExcellent biocompatibility
Chemically similar to bonChemically similar to bon
ee ~ 97 wt % of enamel~ 97 wt % of enamel ~ 69 wt % of cortical bon~ 69 wt % of cortical bonee
InorganicInorganic69 % (HA)69 % (HA)
waterwater 9 %9 %
organicorganic(collage(collagen)n) 22 %22 %
Structure of Long Bone
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Various Forms of HA for Various Forms of HA for ApplicationsApplications
Dental Implants by
Branemark System
Various Porous Coating for ImplantsVarious Porous Coating for Implants
(ref) The biomedical engineering handbook, 683 (1995)
plasma sprayed sintered wire mesh sintered beads
Metallic Bead Coating for ImplantsMetallic Bead Coating for Implants
HA Coating for ImplantsHA Coating for Implants
Comparison Between Comparison Between HA Un-coated & Coated ImplantsHA Un-coated & Coated Implants
S.S.Fibrous tissue Bone
BoneHA Coated S.S.
Bone Bonding to HA-ImplantsBone Bonding to HA-Implants
HA
BM
150 μm
BoneTiimplant
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Ear Prosthesis using Branemark System
Nasal Prosthesis using Branemark System
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Tissue Regeneration Therapy
MonoclonalMonoclonal AntibodiesAntibodies (MAb)(MAb)
Isolation andIsolation andPurificationPurification
Harvest boneHarvest bonemarrowmarrow
MSCsMSCs
MarrowMarrowMesenchymalMesenchymal
Stem Cells (MSCs)Stem Cells (MSCs)
Cryo-PreserveCryo-Preservefor future use Culture-Expanded MSCsCulture-Expanded MSCs
Repopulate marrowRepopulate marrow Push to OsteoblastPush to Osteoblast Push to ChondrocytePush to Chondrocyte
HemapoiesisHemapoiesisSupportSupport
Normal boneNormal boneHomeostasisHomeostasis(Anti-aging)(Anti-aging) MassiveMassive
bone repairbone repair
Repair cartilage Repair cartilage defectdefect
Porous Ceramic Assay
DispersedDispersedMarrowMarrow
DisectDisectPeriosteumPeriosteum
PorousPorousCeramicsCeramics
MSCsMSCs
PassagePassage
SubcutaneousSubcutaneous
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Porous CMP block
Tissue Engineering
• Generation of new tissue substitutes for the replacement & repair
of lost or damaged tissue
Cell + Scaffold = Tissue natural ECM synthetic ECM
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Goal of Tissue Regeneration
(Man-made) (God-made)
by tissue engineering
CellCellSynthetic ECMSynthetic ECM
CellCellNatural ECMNatural ECM
CellCellNatural ECMNatural ECM
Autogenic Autogenic MaterialsMaterials
Tissue EngineeredTissue EngineeredMaterialsMaterials
Osteoconductive MaterialsOsteoconductive Materials - allogenic - allogenic - synthetic - synthetic
++Osteoinductive MaterialsOsteoinductive Materials - - DBMDBM - - BMPBMP
Porous Ceramic Assay
DispersedDispersedMarrowMarrow
DisectDisectPeriosteumPeriosteum
PorousPorousCeramicsCeramics
MSCsMSCs
PassagePassage
SubcutaneousSubcutaneous
인간유전자 구조
염기체
유전자
염색체
세포핵
Genome 관련 용어(Gene + Chromosome)
• 염색체- 유전자를 담고있는 그릇으로 세포의 핵속에 위치- 부계 및 모계로부터 각각 23 개씩 모두 46 개의 염색체
• 유전자- 단백질 합성 등 생체기능을 주관하는 유전정보의 최소단위- 염기체 수천 - 수만개가 하나의 유전자를 형성- 인간에게 모두 약 10 만개의 유전자가 있다
• DNA 염기서열- 인간유전자는 약 30 억개로 네 종류의 염기체가 일정한 순서로 배열 - 유전자를 구성하는 염기체는 아데닌 (A), 구아닌 (G), 시토신 ©, 티민 (T)- 염기서열에 따랄 키와 피부색깔 등 생물학적 특성이 결정 .
• 신약개발 - 백혈병 / 빈혈치료제
• 맞춤 의약품 - 개인유전자 특성에 따른 질병치료약
• 유전자 진단 및 치료 - 잘못된 유전자를 정상유전자로 대체 - 암유전자 4 만개 발견 - 각종 유전질환인자 약 8 – 10 만개
유전자 정보의 상품화
유전자 지도
책 ( 지식 ) 유전자 ( 생명의 비밀 )
한글 자음모음 DNA 염기서열단어 유전자문장 단백질의 기능
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Thank You 감사합니다