Orvostechnikai anyagok

Biokompatibilis anyagok

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK

Ízületi + csontrögzítő implantátumokKerámiák, alakemlékező ötvözetek,

polimerek

Előadás felépítése

Implantátumok

• Ízületi implantátumok

• Csípő

• Térd

• Ujj

• Váll

• Csontrögzítők

• Fixateur externe

• Csontrögzítő lemezek, csavarok

• Gerinccsavarok

Anyagok

• Kerámiák

• Ötvözetek

• Alakemlékező ötvözetek

• Polimerek

2

Ortopédiai implantátumok

Ortopédiai implantátum: ízületek elváltozásait, betegségeit kezelő

• Csípő implantátum

• Térdimplantátum

• Ujj ízületi implantátum

3

• Váll ízületi implantátum

Ortopédiai implantátumok

Ortopédiai implantátum: ízületek elváltozásait, betegségeit kezelő

• Csípő implantátum

• Térdimplantátum

• Ujj ízületi implantátum

4

• Váll ízületi implantátum

Csípő implantátum

5

Normál, teljes

ReCap „kupakos”

Mini

• Vápa: Ti ötvözet (ISO 5832-3), CoCr ötvözet (ISO 5832-5)

• Betét: ultra nagy molekulatömegű polietilén (UHMWPE)

• Moduláris fej: Ti, CoCr, kerámia

• Szár, sztem: Ti, CoCr

+ felületkezelés: homokszórás, hidroxiapatit

+ rögzítés: polimetilmetakrilát (PMMA)

Kupakos vs teljes

6

Implantátum behelyezése

7

Csípő implantátum műtét

!

8

Csípő implantátum tönkremenetel

CoCr implantátum

Vápa: press fit

Szár: cemetes

Tönkremenetel oka:

75%-ban késői aszeptikus kilazulásRevíziós műtétek

9

Térdimplantátum

Unicondylarisprotézis

Total endoprotézisPatellofemorális

protézis

10

Térdimplantátum

11

• Femorális rész: Ti ötvözet (ISO 5832-3),

CoCr ötvözet (ISO 5832-4)

• Kopóalkatrész: nagy sűrűségű polietilén

(HDPE)

• Tibia tálca: Ti, CoCr

Térdimplantátum beültetése

12

Térdimplantátum műtét

!

13

Térdimplantátum

14

Ízületi implantátum követelmények

Biokompatibilitás

• korrózióállóság

• osszeointegrációs képesség

Biofunkcionalitás

• szilárdság

• polírozhatóság

• kopásállóság

• röntgensugaras láthatóság

• rugalmasság

• kifáradás elleni ellenállás

15

Ujj ízületi implantátum

16

• CoCr ötvözet (ISO 5832-4),

Ti ötvözet

• Kopóalkatrész: nagy sűrűségű

polietilén (HDPE)

Ujj ízületi implantátum

17

• PyroCarbon (grafit + 1 at% W)

• Szilikon

Rugalmassági modulusz

Integra

Váll ízületi implantátum

18

• Lapockai rész: Ti ötvözet (ISO 5832-3),

CoCr ötvözet (ISO 5832-4)

• Kopóalkatrész: nagy sűrűségű polietilén

(HDPE)

• Tibia tálca: Ti, CoCr FordítottTeljes

Leggyakoribb csonttörések

• Kulcscsonttörés: könnyen törik, mert bőr alatt közvetlenül helyezkedik el, könnyen felismerhető, nagyfokú fájdalommal jár

• Felkar- és alkartörés: felkarcsont vállízületi végén, középső részén, könyökízületi végén alkart az orsócsont és a singcsont alkotja, külön-külön és együtt is törhetnek

• Csuklótörés: sokszor nem kerül rögtön felismerésre, nagy alaki változással nem jár, ezért a beteg későn kerülhet orvoshoz

• Bokatörés: törhet külboka, belboka és sípcsont hátsó része, törés tünetei könnyen felismerhetők, mert az érintett végtagját a beteg nem, vagy csak nehezen tudja terhelni

• Lábujjtörés: ált. erőbehatás helyén keletkezik, a törés azon ritka csontsérülések közé sorolhatjuk, melyeknél rögzítés nem feltétlenül szükséges, de fájdalomcsillapítás, felpolcolás azonban célszerű

19

Fixateur externe

• Nyársak: 316L SS, Ti ötvözet, CoCr

20

Csontrögzítő lemezek

• Lemez: 316L SS, Ti ötvözet, CoCr

+ lebomló csavarok: PLA

21

Kulcscsonttörés rögzítése

22

Gerinccsavar

• Csavar: Ti ötvözet

• Rúd: Ti ötvözet

23

Gerincműtét

24

Body kiállítás

25

Implantátum anyagok

• Kerámiák

• Alumínium-oxid

• Cirkónium-oxid

• Kalcium-foszfát kerámiák

• Fémek

• Korrózióálló acélok

• CoCr ötvözetek

• Ti és ötvözetei

• Polimerek

• UHMWPE

• PMMA

26

Kerámiák

Kerámiák csoportosítása:

• Bioinert: szomszédos szövetekkel csak minimálisan lép kölcsönhatásba

o Teljesen tömör / Porózus bioinert

o Alumínium-oxid, Cirkónium-oxid

• Bioaktív: részben oldható, felületén keresztül lehetséges bizonyos fokú

ionáramlás

o Teljesen tömör bioaktív

o Bioaktív üvegek és üvegkerámiák, Kalcium-foszfát kerámiák,

Bioaktív kompozitok

• Oldódó: meghatározott idő eltelte után beleolvad a környező szövetbe

27

Bioaktív kerámiák legfontosabb tulajdonságai

28

Bioaktív kerámiák legfontosabb tulajdonságai

• Szemcseméret

• Szemcsék alakja

• Pórusméret

• Pórusok alakja

• Pórusméret eloszlása

• Különleges felületi rétegek tulajdonságai

• Kristályszerkezet

• Jelenlévő fázisok tulajdonságai

• Sűrűség

• Bevonat vastagsága

• Felületi érdesség

• Kémiai stabilitás

• Felület kémiai aktivitása

29

Alumínium-oxid (Al2O3)

+ Nagy nyomásszilárdság

+ Jó kopásállóság

+ Kedvező súrlódási tulajdonságok

+ Kémiai stabilitás, bioinert

− Kis szakító- és hajlítószilárdság

− Érzékeny a feszültségkoncentrációra és a túlterhelésre

− Környezeti hatás: nedves közegben kifáradásra hajlamos

• Felhasználás csípőimplantátum moduláris fej kiépítésekor

• Előállítás: porból izostatikus sajtolással, majd szintereléssel és hűtéssel

30

Cirkónium-oxid (ZrO2)

• Alumínium-oxid kerámia alternatívája

• Monoklin kristályrácsú

o 1000-1100°C → tetragonális

o >2000°C → köbös

• Következmény: fajtérfogat változás, belső feszültségek, kiküszöbölhető

ittrium-oxid adagolással

• Előállítás: hideg izostatikus sajtolás, szinterelés, magas hőmérsékletű

izostatikus sajtolás

• Felhasználás: kisebb átmérőjű combnyak fejek

31

Kalcium-foszfát kerámiák

• Különböző kalcium és foszfáttartalmú keramikus anyagok

• Apatitok: M10(XO4)Z2

M: valamilyen fém (Ca, Sr, Ba, Pb, Cd)

XO4: általában AsO4, VO4, CrO4, MnO4

Z: az egy vegyértékű Z ionok helyébe F, OH, Br, C2

• Hexagonális szerkezeű hidroxiapatit (HA) ideális sztöchiometriai

képlete: Ca10(PO4)6(OH)2

• Hasonlít a csontok és fogak anyagára – jó szövetekhez való kötődés

• Gyenge hő- és villamos vezetőképesség

• Jó minőségben lehet rétegként fémhordozóra leválasztani

o Implantátum szervezetbe való épülésének elősegítése

o Fém korróziós termékek szövetekbe való kiáramlásának gátlása

o Leválasztási technikák: plazmaszórás, ionos porlasztás,

elektroforézis, szinterelés

32

Korrózióálló acél

• 316L(VM) Cr-Ni-Mo ötvözésű, ausztenites korrózióálló acél, Biolan,

1.4441, X2CrNiMo18-14-3 (ISO 5832-1)

Ötvöző Tömegarány (%) Funkció

Cr 17,0-19,0 Felületi passzív oxidréteg elősegítése

(ha >28% → szemcsehatár menti korrózió)

Ni 13,0-15,0 Ausztenites szerkezet stabilizálása

Mo 2,25-3,0 Lyukkorrózióval szembeni ellenállás javítása

(túl sok Mo → ridegedést okoz)

Mn max. 2,0

Si max. 1,0

Cu max. 0,50

N max. 0,10

C max. 0,030 Szemcsehatár menti korrózió elhanyagolható

P max. 0,025

S 0,010

33

316L tulajdonságok

• Lágyított állapotában a szilárdsága alacsony

• Hidegalakítás után: szilárdság, keménység, rugalmassági modulusz nő,

alakíthatóság csökken

• Szilárdsága a többi orvostechnikai anyagéhoz képest relatív kicsi

(Rp0,2 ≈ 230 MPa),

• A durva szemcseszerkezet csökkenti a fáradással szembeni

ellenállóképességet (sok csípőprotézis fáradásos törése 1978)

• Ha a Cr-oxid felület részlegesen megbomlik → korrózió → korróziós

termékek: Ni2+,Cr3+ fémionok kerülnek a környező szövetbe (metallózis)

és a távolabbi testrészekbe

34

Acélok összehasonlítása

35

Kobalt-króm ötvözet

• L605 CoCr, Co-Cr-W-Ni, Haynes-25, Stellit 25 (ASTM F90, ISO 5832-5)

Ötvöző Tömegarány (%)

Cr 19,0-21,0

W 14,0-16,0

Ni 9,0-11,0

Fe 3,0

Mn 1,0-2,0

Si 0,40

C 0,05-0,15

P 0,04

Re > 470 MPa

L605 CoCr sztent felülete

• Co-28Cr-6Mo, Vitallium (ASTM F75, ISO 5832-4)

36

CoCr tulajdonságai

• Kristályszerkezete FKK, ausztenites

• Alakítási módjai: meleg kovácsolás >650°C, finom szövetszerkezet és

homogén karbid eloszlás; hidegalakítás (kovácsolás, hengerlés) ε-fázis

kialakulása

• Mechanikai jellemzői (különösen a törésmechanikai és kopási

tulajdonságok) a 316L anyagminőségnél sokkal jobbak

• Korrózióállósága a kémiai összetételének köszönhetően kiváló, a

felületén stabil, passzív oxidréteg alakul ki az emberi szervezet által

létrehozott környezetben.

• Ötvözői közül Ni, Mo tovább javítja, de a szilárdságnövelés érdekében

alkalmazott W rontja korróziós tulajdonságokat

37

CoCr ötvözetek összehasonlítása

38

Titán alapú ötvözetek

+ Jó biokopatibilitás: Ti-oxid tökéletesen szövetbarát (inaktív), 1-4 nm a

felületen

+ Nagy szilárdság

+ Jó terheléseloszlás

+ Jó korrózióállóság

+ Kis rugalmassági modulusz

- Rossz kopásállóság

- Rossz polírozhatóság

o Tiszta Ti: csak fogászatban (esetleg bevonattal)

o Ti-6Al-4V (ASTM F136, ISO 5832-3): α+β fázis, szoros

hexagonális+térközepesen köbös szerkezet

o Ti-5Al-2,5Fe

o Ti-6Al-7Nb

39

Ti és ötvözeteinek összehasonlítása

40

Alakemlékező ötvözetek

• 1932 - Arany-Kadmium (Arne Ölander)

• 1938 - Sárgaréz

• 1950 - Indium-Titán

• 1961 - Nikkel-Titán + Naval Ordnance Laboratory → Nitinol

(William J. Buehler & Frederick Wang)

41

AuCd

AgCd

CuAlNi

CuAlBe

CuSn

FePd

NiAl

InTl

CuZn FeMnSi

FePt

MnCu CuAlMn

CuAlMnZr

CuZnAl

TiNiCu

TiNiHfTiTa

TiNiVNiTi

Alakemlékező ötvözetek

• Az alakemlékező ötvözetek a fémes anyagoknak az a csoportja, amelyek

képesek egy előzetesen definiált alakot ismételten felvenni megfelelő

hőfolyamatok hatására

42

Alakváltozás folyamata

• Az alakemlékező ötvözetek különböző terhelések hatására alakváltozást

szenvednek. Ez az alakváltozás azonban alapvetően különbözik a

hagyományos fémötvözetek esetében jól ismert hőtágulás, vagy a húzó,

nyomó terhelések által okozott alakváltozástól az alábbiak miatt:

• Az alakváltozás folyamata az alakemlékező ötvözetek

anyagszerkezetében a kristályszerkezet átrendeződésével, azaz

fázisátalakulással magyarázható.

• Kisebb terhelés hatására is drasztikus hosszváltozás, vagy más

alakváltozás váltható ki.

• Az alakváltozás nem vezet az alakemlékező ötvözet károsodásához,

sőt, az alakemlékező ötvözet ismételten (több tízezerszer vagy akár

több milliószor) képes elviselni drasztikus alakváltozást az anyag

károsodása nélkül

43

Fázisátalakulás állapotdiagram

44

M’f M’sMf Ms T

σMf

σMs

martenzit

ausztenit

M+a

σ

Hogyan emlékezik az alakra?

45

Nagy hőmérsékleten

stabil: ausztenit

Kis hőmérsékleten

stabil: martenzit

• Szimmetrikus

kristályszerkezet

• Köbös elemi

cellák szögei

merőlegesek

• Emiatt egyféle

ausztenit kristály

változat

• Elemi cellák szögei

nem merőlegesek

• Szomszédos

(ikerkristály) rétegek

orientációja kétféle

lehet: ellentétes,

azonos

• Emiatt többféle

martenzit kristály

változat

• Kristály orientáció

befolyásolható:

martenzit átalakulás

közben külső

terheléssel

hűtés

melegítésdeformáció

Alakemlékező ötvözetek

46

Hétköznapi alkalmazások

• Bűvésztrükkök

47

• Ékszerek

Hétköznapi alkalmazások

48

• Design elemek

Űr- és robottechnika

49

SOJOURNER

M a rs a u t ó

Örökmozgó?

50

Izomhuzalok

51

Szemüveg keretek

52

Pitvari szeptum defektus kezelése

53

Ortopédiai kapocs

54

Fogszabályozó ívek

55

Alakemlékező ötvözetek

56

Angioplasztika

• Perifériás - öntáguló sztentek

57

• Vezetődrótok

UHMWPE

• UHMWPE: ultra nagy molekulatömegű hosszú

láncú polietilén

• Hosszú lánc → jobb terheléstűrés

• Nem toxikus

• Ellenáll a korrozív anyagoknak

• Nem abszorbeálja a folyadékot

• Alacsony súrlódási tényező

• Kopásálló

• Térhálósítás gamma- (beta) vagy

elektronsugárzással

• E-vitamin hozzáadása → szabadgyökök

csökkentése hőközlés nélkül

58

PMMA

• PMMA: Poli(metil-metakrilát)

• Iparban: átlátszó felületek képzése

• Orvostechnikában: csontcement, kontaktlencse alapanyag

• Hőre lágyuló, könnyen megmunkálható; szilánkmentesen

törik

59

Alakemlékező polimerek

60

Eredeti alak Alakított alak

Melegítés Ttransz fölé

Hűtés ttransz alá

alakítás

Összefoglalás

Implantátumok

• Ízületi implantátumok

• Csípő

• Térd

• Ujj

• Váll

• Csontrögzítők

• Fixateur externe

• Csontrögzítő lemezek, csavarok

• Gerinccsavarok

Anyagok

• Kerámiák

• Ötvözetek

• Alakemlékező ötvözetek

• Polimerek

61

Felhasznált forrásokDr. Mészáros István: Fogászat, Implantátum ötvözetek, Speciális felületmódosító technológiák, BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék

Dr. Markos Sándor: Gyógyászati szerszámok és eszközök, (Csípőprotézis, Térdprotézis, Fogászati szerszámok és fogpótlások, Ste rilizálás, BME Gyártástudomány és -technológia Tanszék

Biokompatibilis anyagok: http://www.inc.bme.hu/hu/subjects/biokomp/Biocomp_1.pdf

Orvostechnikai műanyag félkész termékek, 3. rész: Orvosi és implantátum anyagok: http://www.muanyagipariszemle.hu/2009/01/3-resz-orvosi-es-implantatum-anyagok-13.pdf

Dr. Kiss Sándor: A fixateur externe alkalmazásának speciális lehetőségei a mozgásszervi fejlődési rendellenességek és csontdaganatok kezelésében, Doktori értekezés, Semmelweis Egyetem: http://phd.sote.hu/mwp/phd_live/vedes/export/kisssandor.d.pdf

Várallyay György: Fémek az MR-ben, Magyar Radiológia 77/2, 2003, http://www.socrad. hu/upload/radiologia/magazine/Varallyay.pdf

Térdízületi teljes protézis beültetés: http://www.ortopedszakorvos.hu/terdizuleti-teljes-total-protezis-beultetes/

Csípőprotézis: http://www.hazipatika.com/mediatar/media/csipoprotezis/51

Kőszegi Z. Szívkatéterezés, koszorúértágítás és sztentelés. Debreceni Egyetem Kardiológia Klinika, http://www.gvmd.hu/pdf/sziv4.pdf

Sterilizálási eljárások a betegellátásban: http://hu.wikipedia.org/wiki/Sterilizálási_eljárások_ a_betegellátásban

Zsoldos Gabriella-Szabó Tamás: Új, módosított UHMWPE protézisanyag eredményeinek bemutatása, Biomechanica Hungarica, Évf. 3, Szám 2, 2010, http://ns1.biomechanica.hu/index.php/biomech/article/viewFile/23/32

Oláh László: Az implantátumok anyagainak polimertechnikai vonatkozásai, Anyagvizsgálók lapja 2004/2

4/2009. (III. 17.) EüM rendelet az orvostechnikai eszközökről, http://net.jogtar.hu/jr/gen/hjegy_doc.cgi?docid=A0900004.EUM&celpara=

Fogászati implantátumok: http://www.webbeteg.hu/cikkek/fogaszat/5844/fogaszati-implantatumok

Örvénylő menetmarás: http://www.gyartastrend.hu/gepipar/cikk/menetmaras_a_gyogyaszatban

Dr. Szabó László: Süllyesztékes kovácsolás, Miskolc, 1997, http://mek.oszk.hu/01200/01201/html/

Dr. Szabó László: Forgácsolás, hegesztés, Miskolc, 2000, http://www.uni-miskolc.hu/~wwwfemsz/forgacs.htm

Örvénylő menetmarás: http://www.gyartastrend.hu/gepipar/cikk/kulonleges_anyagok_precizios_megmunkalasa

Sugársterilizálás: http://www.dispomedicor.hu/sterilisation-services

Nitinol: http://www.att.bme.hu/~femtech/letoltes/dobranszky_magasdi.pdf

Képek:

http://www.bjmp.org/files/2010-3-1/bjmp-2010-3-1-303b.jpg, http://www.visualphotos.com/

photo/2x4140276/.jpg, http://www.rxdentalspa.com/wp-content/uploads/2011/09/implant_xray.jpg, http://

upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/External_fixator_xray.jpg, http://pic40.picturetrail.com

/VOL379/7056331/16691535/324369479.jpg

fixateur externe: http://www.smith-nephew.de/sites/default/files/styles/produkt/public/field/image/Jet-x_Mini_1_1.jpg

térdimplantátum: http://orthoinfo.aaos.org/figures/A00221F01.jpg

csípőimplantátum: http://www.sfhga.com/usr/OrthopaedicInstitute/TKRTHR/THRImagenine.jpg

fogimplantátum: http://www.veresdent.hu/kepek/kezelesek/implantatum.jpg

örvénymaró: http://www.tablazat.hu/images/upload/products/orvenymaro.jpg

sorjázás: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0007_10-Keplekeny_alakitas-mod3/11.jpg

UH mosó: http://www.electronic.hu/kepek/Haz_es_Kert/Elektromos_haztartasi_eszkozok/Ultrahangos_

tisztito_Emmi-12_HC_Emag_60079_12_l_200_W.jpg

bevonat: http://variomedic.hu/termekek/12/04.jpg

https://lib.semmelweis.hu/sepub/pdf/2012/a22318526

https://3.imimg.com/data3/WB/CV/MY-14083455/aluminum-oxide-powder-250x250.jpg

http://www.ceraroot.com/wp-content/uploads/ceraroot.jpg

http://altermedica.ru/wp-content/uploads/2015/03/Maxera_Cover_Composing_01_white.png

http://caroleneilsonceramic.com/

https://www.hcstarck.com/zirconium_oxide_zro2_blanks

http://teo.elte.hu/minosites/ertekezes2011/meiszterics_a.pdf

http://www.webbeteg.hu/cikkek/sebeszet/18432/gyogyito-eszkozok-a-testben-tenyek-es-tevhitek-az-implantatumokrol

http://www.innerbody.com/image/skel16.html

https://www.stryker.com/us/en/trauma-and-extremities/products/sr-mcp---pip.html

http://az621074.vo.msecnd.net/syk-mobile-content-cdn/global-content-system/SYKGCSDOC-2-42212/c8k5fZ3x6fLf0C2jEtniJQbdwazY6Q/SRMCP_ST_1_EN.pdf

http://www.integralife.eu/wp-content/uploads/2015/10/figure13-copie.png

https://www.integralife.com/file/general/1524235573.pdf

https://fraclabs.files.wordpress.com/2016/02/2-proteins-responsible-for-ra.jpg?w=1024

http://psycho.unideb.hu/sport/fejezetek/hg_sportmedicinalis/_book/images/09_kep.jpg

http://www.naturalstrength.hu/images/articulatio_acromioclavicularis.jpg

https://www.youtube.com/watch?time_continue=132&v=VVO6EVyUp_E

https://www.exac.com/wp-content/uploads/2016/12/patients_shoulder-replacement_shoulder-implant.png

http://www.villarbajwa.com/images/microplasty3.jpg

https://sportsortho.co.uk/treatment/big-toe-fusion/

https://youtu.be/Yzx-3xjzrFc

https://5.imimg.com/data5/LA/UF/MY-32393325/orthopedic-spine-screw-500x500.png

https://kidneystones.uchicago.edu/files/Screen-Shot-2016-01-21-at-1.02.22-PM.png

62

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK

Köszönöm a figyelmet!