1. Materiaalien rakenne

Transkriptio

1 1. Materiaalien rakenne 1.8 Polymeerien rakenne 7. Luento

2 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerin määritelmä Polymeeri on pitkä molekyyli, joka muodostuu toistamalla jotain tai joitakin yksinkertaisia perusrakenneosia. Kukin yksittäinen osa on meeri. 2 meeriä on dimeeri, 3 trimeeri, ja monta polymeeri. (kerrankin looginen nimitys) Yksi yksinkertaisimmista on polyetyleeni Meeri on H-C-H Polymeeri on : H H H H H H H H C C C C... C C C H H H H H H H H 2

3 Polymer Building Blocks Hydrogen Carbon (key) Oxygen Nitrogen Fluorine Silicon Sulfur Chlorine

4 Carbon Is Key Atomic number: 6 Valence: 2s 2 2p 2 Hybrid orbital- sp Will share up to four electrons, tetrahedral arrangement

5 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien sidostyypit Polymeeriketjun sisällä atomien väliset sidokset ovat kovalenttisia. Epätavallisimmissa polymeereissä myös muita vahvoja sidostyyppejä Koko polymeeri on yksi molekyyli. Polymeeriketjun ulkopuolella polymeerimolekyyli on sidottu samanlaiseen ja/tai muihin polymeereihin heikommilla sidostyypeillä. Joku tai jotkut seuraavista: van der Waals-, dipoli-, ioninen tai vetysidos Ympäristöllä on vaikutusta tähän: jos polymeerit ovat esimerkiksi vesiliuoksessa, varjostaa vesi heikkoja sidoksia ja ne ovat merkityksettömiä. 5

6 Polymerization Processes Addition Polymerization No Byproducts Usually heat driven Condensation Polymerization Byproducts produced Removal of byproduct controls rate

7 Linear Addition Begin with ethylene (gas) Monomer or mer Each bond is a shared electron pair. A polymer is formed by catalyzing the formation of a free radical:

8 Addition Polymerization

9 Condensation Reaction

10 Basic Steps in Polymerization Initiation: Formation of free radical Propagation: Combining of mers to form chains Termination: Elimination of free radicals

11 Properties Behavior determined by a combination of primary backbone bonds and secondary bonds. Different monomers will have different secondary bond strengths.

12 Levels of Polymer Architecture Monomer Type

13 Families based on an ethenic backbone are vinyl polymers or vinylydines Polyethylene PE Polypropylene PP

14 Polystyrene PS Polyvinylchloride PVC

15 1. 8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet Polymeerien ominaisuuksille ei keskeistä ole pelkästään meerien ominaisuudet ja polymeerin pituus vaan myös molekyyliketjun rakenne. Sillä voi olla useita erilaisia rakenteita. Lineaarinen Haaroittunut ( branched ) Ristiinkytketty ( crosslinked ) Verkosto Yksi ainoa suunnaton molekyyli 15

16 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet Lineaariset polymeerit eivät siis ole haarottuneita. Ne ovat joustavia (kuten keitetty spagetti) Kahden meerin välillä on edullinen sidossuunta, mutta pitkässä ketjussa se menettää merkityksensä: meerit yhtyneet satunnaisesti pitkillä etäisyyksillä. Ne eivät voi olla päällekkäin muiden polymeerien kanssa (koska atomit eivät voi olla päällekkäin) Vesiliuoksessa yksittäinen voi liikkua vapaasti ja ottaa todennäköisimmän muodon. Statistisen fysiikan perusteiden mukaan se on satunnainen muoto, koska entropia maksimoituu siten. 16

17 Levels of Polymer Architecture Monomer Type Molecule Length

18 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet Suhdeluku polymeerin pituus laskettuna meerejä pitkin l per päiden välinen etäisyys R on keskimäärin <R 2 > = l 0,592 Eksponentti 0,592 on mahdoton johtaa analyyttisesti, mutta voidaan ymmärtää lähes triviaalilla tietokonesimulaatiolla. Simuloidaan ketjun (pituus l) muodostuminen 3D-hilassa siten, että valitaan seuraava hilapiste satunnaisesti, mutta niin että se on yksi nykyisen naapureista ja vaaditaan, että sama piste on ketjussa vain kerran ( polymeeri ei voi olla itsensä päällä ) Tällöin saadaan eksponentti 0,592! [Rosenbluth and Rosenbluth, J. Chem. Phys 23 (1955) 356] R 18

19 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet Esimerkki: polyetyleeni H-(CH 2 ) n -H Nylon, polyamidi on hiilivetyketju, jossa joitakin N- ja O-atomeja H:n paikalla ja sidottu sivuilla oleviin C-atomeihin. Muodostumisperiaate (R kuvaa (CH 2 ) n ketjua): [Wikipedia] Nylon (6,6) (DuPontin patentti): R = (CH 2 ) 6 ja R = (CH 2 ) 4 Kevlar: kuten nylon mutta R on benseenirengas. 19

20 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet Mahdollisia hiilivetyryhmiä rakennusosina 20

21 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet Muodostuvia polymeerejä Teflon 21

22 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet Muodostuvia polymeerejä 22

23 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet Muodostuvia polymeerejä 23

24 Molecular Weight: Number Average Weight Average

25

26 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien paino Yksittäiset molekyylit orgaanisissa lineaarisissa polymeereissa voivat olla huomattavan suuria. Laaja kokojakauma on normaalia! Verrataan polyetyleeni-monomeerin painoon: 2*12+4*1 = 28 g/mol => meeriä/polymeeri Tätä karakterisoidaan keskikoolla, jota kutsutaan polymerisaatioasteeksi: Polymeerien lukumäärä- tai painojakauman keskiarvo jaettuna meerin painolla: n n tai n w. Ilmeisesti n w > n n Teollisissa sovelluksissa n w on tyypillisesti > Suhdetta n w /n n kutsutaan polydispersiteettiasteeksi. Jos n w /n n = 1 systeemi on monodispersiivinen: kaikki polymeerit yhtä pitkiä. 26

27 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: orgaanisepäorgaaniset polymeerit Polymeerit voivat myös olla osittain epäorgaanisia. Esimerkki: silikoni ( silicone ) Ketjussa osana Si-O-Si-O Yleinen kaava on [R 2 SiO] n missä R on hiilivety-sivuketju, esimerkiksi metyyli. 27

28 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: haarautuneet polymeerit Polymeerin haarautumat vähentävät polymeerien pakkaustiheyttä. Matalampi tiheys Heikommat sidokset ketjujen välillä Matalampi sulamispiste ja lujuus Haarautuma syntyy esimerkiksi polyetyleeniketjussa, kun vety korvataan uudella R-ketjulla Esimerkki haarautuneesta polymeeristä: polysakkaridi glukoosina ja tärkkelyksenä [Wikipedia] 28

29 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: ristiinlinkittyneet polymeerit Jos haarautumat sitovat yhteen eri polymeeriketjuja, rakennetta kutsutaan ristiinlinkittyneeksi Estää ketjuja liikkumasta toistensa ohi => materiaali on vähemmän joustava Tärkeä esimerkki: vulkanisoitu kumi, jotka rikkiketjujen yhteensitomia hiilivetypolymeereja Vulkanisointi tekee pehmeästä kumista kovempaa. 29

30 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: ristiinlinkittyneet polymeerit Ristiinlinkittyminen voidaan saada aikaan myös ionisoivalla säteilyllä. Säteily rikkoo kemiallisia sidoksia, jotka voivat muuntua ristiinlinkittyneeseen muotoon. Käytetään polymeerien ominaisuuksien muuntamiseen. Voi myös olla vahingollista: UV-säteily linkittää muoveja ja kumia => ne tulevat kovemmiksi, mutta samalla hauraimmiksi Syy siihen, että kumisaappaita ei ole syytä säilyttää ulkosalla! UV-säteily linkittää DNA:ta => perussyy ihosyövälle 30

31 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: verkostopolymeerit Verkostopolymeereissa perusmeerit (tai ainakin osa niistä) ovat kolminkertaisesti sidottuja ja siten muodostavat 3D-verkostoja Tärkeä esimerkki on epoksi. R-ketjut N-atomien välillä 3Dverkostossa Kovia, vahvasti sidottuja 31

32 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: isomerismi Perustava ominaisuus suuremmilla molekyyleillä yleensäkin ja hiilivedyillä erityisesti on se, että samalla molekyylikoostumuksella voi olla erilaisia rakenteita: isomerismi Analoginen kiinteiden aineiden polymorfismin kanssa Esimerkki: C 4 H 10 Fysikaaliset ominaisuudet voivat riippua isomeerimuodoista Esimerkiksi kiehumapiste: butaani -0.5 o C, isobutaani o C 32

33 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: stereoisomerismi vs. geometrinen isomerismi Stereoisomerismi: molekyylin osat linkitetty samassa järjestyksessä, mutta eri konfiguraatiossa. Tarkastellaan kuvan R-ryhmiä Isotaktinen konfiguraatio Kaikki R:t samalla puolella Syndiotaktinen konfiguraatio Joka toinen R yhdellä, joka toinen toisella puolella Ataktinen konfiguraatio Satunnainen R-ryhmien sijoittuminen 33

34 Levels of Polymer Architecture Monomer Type Molecule Length molecular weight Mixture of Monomers copolymers Monomer Arrangement - Isomers

35 Isomerism/Polymer Tacticity Isotactic Sindiotactic Random

36 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: stereoisomerismi vs. geometrinen isomerismi Geometrinen isomerismi: Tarkastellaan 2 hiiliatomia, joilla kaksoissidos. Se on jäykkä ja estää rotaation. R ja H tässä sidoksessa voivat olla samalla (cis) tai vastakkaisilla (trans) puolilla. 36

37 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien karakterisointi 37

38 Levels of Polymer Architecture Monomer Type Molecule Length molecular weight Mixture of Monomers - copolymers

39 Types of Copolymers Homopolymer Random Alternating Block Graft AAAAAAAAAAA CCACBBACABAA ABCABCABCABC AAAABBBBCCCC

40 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: kopolymeerit Tähän saakka käsitellyissä polymeereissa kaikki meerit ovat olleet identtisiä (tai ainakin samanlaisia) Mutta niiden ai tarvitse olla. Polymeereja, jotka koostuvat useista erityyppisistä meereistä, kutsutaan kopolymeereiksi. Nämä voidaan luokitella sen mukaan kuinka meerit ovat järjestäytyneet. Satunnaisesti Periodisesti Lohkoittain Haarautuneesti 40

41 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: kopolymeerit Synteettiset kumit ovat usein kopolymeerejä. Lohkokopolymeeri on kuuma aine nanotieteessä, sillä niiden avulla voidaan valmistaa vaihtelevia nanokerroksia. Perusajatus on yksinkertainen. Otetaan 2 polymeeria, jotka normaalisti hylkivät toisiaan, johtuen pitkän kantaman vuorovaikutuksista (vrt. öljy ja vesi) => Jos ne sekoitetaan, ne erottuvat makroskooppisesti Mutta, jos ne sekoitetaan siten, että ne muodostavat kovia kovalenttisia sidoksia välilleen, pitkän kantaman vuorovaikutus ei voi erottaa niitä. Mutta se työntää niitä edelleen eroon toisistaan: samat tyypit pyrkivät olemaan vierekkäin ja asettuvat pituussuuntaisesti! 41

42 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: kopolymeerit Esimerkki toimivasta systeemistä: Polystyreeni (A) ja polyisopreeni (B) : Polystyreeni-lohko-polyisopreeni: Muodostaa kerrosrakenteita, lamelleja 42

43 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: kopolymeerit ja itseorganisoituminen Prosesseja, jossa syntyy organisoitunut rakenne itsestään, kutsutaan itseorganisoituviksi ( self-organized, self-assembly ) Edellisessä esimerkissä peruspolymeerit A ja B olivat yhtä pitkät. Jos ne ovat eri pitkät, ne voivat organisoitua toisenlaisiin rakenteisiin vain siksi, että ne täyttävät tilan edullisemmin. Esimerkiksi, jos pituussuhde osien välillä on 0,16 0,32 saadaan sylinterifaasi. 43

44 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: kopolymeerit ja itseorganisoituminen Ja vielä esimerkki Jos pituussuhde < 0,16, saadaan pallomainen faasi. 44

45 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: kopolymeerien kemiallisia yhdisteitä Yhdisteitä, joita käytetään kopolymeeri-kumeissa. 45

46 Levels of Polymer Architecture Monomer Type Molecule Length molecular weight Mixture of Monomers copolymers Monomer Arrangement Isomers Bond/Network Structure

47 Polymer Categories Thermoplastic only secondary bonds between molecules. - Plastic or reshapable - Melted and formed under pressure - Higher tooling costs

48 Polymer Categories Thermoplastic only secondary bonds between molecules. - Plastic or reshapable - Melted and formed under pressure - Higher tooling costs Thermoset primary and secondary bonds between molecule segments. - Cannot be reshaped - Low viscosity in processing - Cheaper tooling

49 Classes and Properties: Polymers Two main types of polymers are thermosets and thermoplastics. Thermosets are cross-linked polymers that form 3-D networks, hence are strong and rigid. Thermoplastics are long-chain polymers that slide easily past one another when heated, hence, they tend to be easy to form, bend, and break. 49

50 Thermoset Epoxy Reaction: Primary Amine If an Amine is on both ends you get a crosslink

51 Thermoset Frequent Cross-links Create 3-D Network

52 Amorphous Polymer Lightly Crosslinked

53 Semicrystalline Thermoplastic

54 Levels of Polymer Architecture Monomer Type Molecule Length molecular weight Mixture of Monomers copolymers Monomer Arrangement Isomers Bond/Network Structure Molecular Conformation

55 Amorphous Example: Polycarbonate

56 Crystalline Example: Polyethylene

57 Crystals

58 Chains assume folded chain conformation These collect into lamellar crystallite

59

60 Two crystalline morphologies (collections of lamellar crystalites) Spherulite (no shear) Row Nucleated (shear ) Shish-kebab

61 Levels of Polymer Architecture Monomer Type Molecule Length molecular weight Mixture of Monomers copolymers Monomer Arrangement Isomers Bond/Network Structure Molecular Conformation Blends/Alloys

62 Polymer Blends Mixture of compatible polymers No primary bonds Intermediate properties May be phase separation

63 Levels of Polymer Architecture Monomer Type Molecule Length molecular weight Mixture of Monomers copolymers Monomer Arrangement Isomers Bond/Network Structure Molecular Conformation Blends/Alloys Additives

64 Polymer Categories: Network Thermoset vs Thermoplastic Network vs Linear Fixed vs Reshapeable

65 Polymer Categories: Application Plastics Adhesives Films Fibers Elastomers

66 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys Polymeerit voivat myös olla kiteisiä. Mutta koska niillä on monimutkainen muoto, niitä on vaikeampi kiteyttää kuin yksittäisiä atomeja tai molekyyleja. Yksikkökopit ovat suuria. yksinkertaisia 66

67 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys Polymeerinen materiaali on itse asiassa osittain kiteinen ja osittain Mikä tahansa virhe saa polymeerissa epäjärjestäytyneen alueen. Analoginen kaksi-faasi-metallin kanssa. usein amorfinen. aikaan 67

68 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; kiteisyysasteeseen vaikuttavat tekijät Jäähdytysnopeus: mitä hitaampi jäähdytys sitä enemmän kiteisyyttä Sama pätee myös muille aineille. Monomeerien monimutkaisuus Mitä monimutkaisempi sitä epätodennäköisemmin kiteytyy. Ketjun konfiguraatio Useita haarautumia => kiteytyminen vaikeampaa Verkostopolymeerit ovat lähes täysin amorfisia. Isomerismi Isotaktiset ja syndiotaktiset kiteytyvät helposti, ataktiset eivät. 68

69 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; kiteisyysasteeseen määrittäminen Kiteinen faasi on yleensä tiheämpää kuin ei-järjestäytynyt. Siten kiteisen faasin osuus saadaan selville mittaamalla aineen tiheys tarkasti ja vertaamalla täysin kiteisen c ja täysin amorfisen a faasin tiheyksiä. Kiteinen faasi on vahvempi, kestävämpi liuotukselle ja ei pehmene yhtä helposti kuumennettaessa. Esimerkki: HDPE: korkean tiheyden polyetyleeni, 90% kiteinen: E = 1 GPa LDPE: matalan tiheyden polyetyleeni, 50-60% kiteinen: E = 0,2 GPa 69

70 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; kiderakenne Elektronmikroskooppikuva polyetyleenin yhtenäiskiteestä, joka muodostettu matalan tiheyden nesteestä. Rakenteen oletetaan olevan sellainen, että ketju kääntyy itsensä suhteen niin, että muodostuu kerros, joka on paljon ohuempi kuin polymeerin pituus. 70

71 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; sferoliitit Monet bulkkipolymeerit, jotka kiteytyvät sulasta faasista muodostavat n.k. sferoliitteja. Silloin ne muodostavat lamelleina rakenteina pieniä kidesuikaleita, jotka tulevat ulos keskeltä. Amorfinen ei-kiteinen materiaali niiden välissä Kuvassa on yksi sferoliitti luonnon kumissa. 71

72 1. 8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; sferoliitit Kun yksittäiset sferoliitit kasvavat toisiaan kohti, saadaan suoria rajoja. Kasvu pysähtyy, kun kaksi kasvavaa sferoliittia kohtaa. Ajattele asettavasi yksittäisiä pisteitä avaruuteen satunnaisesti ja piirrä taso niiden keskeen = Voronoi-konstruktio 72

73 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; nestekiteet Tärkeä plymeerimateriaalin erikoistapaus ovat nestekiteet ( liquid crystals ) Ne muodostuvat pitkistä molekyyleista, jotka ovat täysin tai osittain samansuuntaisia. Ominaisuudet ovat nesteiden ja kiteiden välillä, josta nimi johtuu. Yksinkertainen tapa ajatella kuinka tämä on mahdollista, on ajatella joukkoa sauvamaisia molekyyleja, jotka ovat järjestäytyneet vierekkäin säännölliseen hilaan tasossa, mutta ne voivat liikkua tasossa. Ei pitkän kantaman järjestäytyneisyyttä. Molekyyleja, jotka voivat muodostaa nestekiteitä kutsutaan mesogeeneiksi. 73

74 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; nestekiteet Riippuen siitä kuinka molekyylit ovat järjestäytyneet toistensa suhteen, erotetaan eri faaseja. Nemaattinen: sauvat samansuuntaiset Smektistinen: sauvat myös samassa tasossa Kolesteristinen: taso kierrettäessä erilainen seuraavasta 74

75 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; nestekiteet Kaikki polymeerit eivät voi muodostaa nestekiteitä. Ne, jotka voivat (mesogeenit) ovat yleensä sellaisia, joilla on kaksi osaa erilaisine kemiallisine ominaisuuksineen. Esimerkiksi toinen pää polaarinen ja toinen ei-polaarinen tai hydrofobinen/hydrofiilinen tai joustava/jäykkä tai... Eri päät voivat vuorovaikuttaa toistensa kanssa ja siitä seuraa osittainen ei-organisoituminen. Nestekiteet, jotka kiteytyvät pääketjun ominaisuuksien perusteella, kutsutaan pääketjunestekidemolekyylit ( main-chain LCP ) Ja niitä, jotka muodostuvat haarautumien vuorvaikutusten johdosta, kutsutaan sivuketjunestekidemolekyylit ( side-chain LCP ) 75

76 1. 8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; nestekiteet Esimerkkejä siitä millaiset rakenteet voivat muodostaa nestekiteitä. 76

77 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; nestekiteet Järjestäytyneisyysparametri Nestekiteen järjestäytyneisyyden astetta voidaan kuvata esimerkiksi niiden kulmien keskiarvona, joilla sauvat poikkeavat pääsuunnasta. 77

78 1.8 Polymeerien rakenne Polymeerien rakenne ja ominaisuudet: polymeerien kiteisyys; nestekiteet Nestekidenäyttö (LCD): Tunnetuin nestekiteen sovellus on LCD ( liquid crystal display ) Toimintaperiaatteena on nestekidekerros kahden suodattimen välissä, joilla erilaiset polarisaatiot. Nestekiteen perustila väännetty (kiraali) nemaattinen faasi. Kiraliteetti taivuttaa valon niin, että se tulee suodattimien läpi. Sähkökentällä järjestetään kidemolekyylit kentän suuntaisiksi => ne eivät taivuta valoa => pikseli on läpinäkymätön 78

79 States of Matter Solid Liquid crystal fourth state of matter Liquid Gas Images: MacDonald, R. Liquid Crystals - Fascinating State of Matter or "Soft is beautiful". Accessed

80 What is a Liquid Crystal? Liquid Crystal a stable phase of matter characterized by anisotropic properties without the existence of a 3-dimensional crystal lattice generally lying between the solid and isotropic ( liquid ) phase.

81 Isotropic Liquids and gases (uniform properties in all directions). vs. Anisotropic Liquid Crystals have orientational order

82 Typical chemical structures cholesterol ester phenyl benzoates surfactants such as polyethylene-oxides, alkali soaps, ammonium salts, lecithin paraffins glycolipids cellulose derivatives PHM2213 Physical Pharmacy 2, 2006/7 82

83 Typical applications LCD displays dyes (cholesterics) advanced materials (Kevlar) membranes temperature measurement (by changing colours) solvents for GC, NMR, reactions, etc. Drug delivery 83 PHM22 13 Physical Pharma cy 2, 2006/7

84 Types of liquid crystals Thermotropic Phase transition depends on temperature Nematic Smectic Cholesteric Lyotropic Phase transition depends on temperature & concentration 84 PHM22 13 Physical Pharma cy 2, 2006/7

85 As temperature increases.. The first liquid crystal phase is the smectic A, where there is layer-like arrangement as well as translational and rotational motion of the molecules. A further increase in temperature leads to the nematic phase, where the molecules rapidly diffuse out of the initial lattice structure and from the layer-like arrangement as well. At the highest temperatures, the material becomes an isotropic liquid where the motion of the molecules changes yet again. 85 PHM22 13 Physical Pharma cy 2, 2006/7

86 Nematic Simplest form is a nematic liquid crystal i.e. long-range orientational order but no positional order The preferred direction is known as director PHM2213 Physical Pharmacy 2, 2006/7 86

87 Nematic Despite the high degree of orientational order, nematic phase as a whole is in disorder i.e. NO MACROSCOPIC ORDER (orientation within a group is similar but not from one group to another) Structure of nematic phase can be altered in a number of ways. E.g. electric or magnetic field or treatment of surfaces of the sample container Thus, possible to have microscopic order & macroscopic order Nematic liquid crystals are widely used in electro-optic display devices 87 PHM22 13 Physical Pharma cy 2, 2006/7

88 Cholesteric The first liquid crystal that was observed through a polarising microscope is cholesteryl benzoate. Thus, CHOLESTERIC liquid crystal OR chiral nematic liquid crystal E.g. cholesteryl benzoate: 147C, 186C Cholesteric liquid crystals have great potential uses as - sensors - Thermometer - fashion fabrics that change colour with temperature - display devices 88 PHM22 13 Physical Pharma cy 2, 2006/7

89 - In CHOLESTERIC phase, there is orientational order & no positional order, BUT, director is in HELICAL ORDER. The structure of cholesteric depends on the PITCH, the distance over which the director makes one complete turn One pitch - several hundred nanometers Pitch is affected by:- Temperature Pressure Electric & magnetic fields PHM2213 Physical Pharmacy 2, 2006/7 89

90 Smectic SMECTIC phase occurs at temperature below nematic or cholesteric Molecules align themselves approx. parallel & tend to arrange in layers Not all positional order is destroyed when a crystal melts to form a smectic liquid crystal Chiral smectic C liquid crystals are useful in LCDS PHM2213 Physical Pharmacy 2, 2006/7 90

91 LIQUID CRYSTAL POLYMERS Can form nematic, cholesteric, smectic When liquid crystal polymers solidify, the liquid crystal structure freeze in This results in materials of high tensile strength & in some cases unusual electro-optical behaviour E.g. Kevlar aramid fibre bullet-proof vest & airplane bodies (aromatic polyamide) 91 PHM22 13 Physical Pharma cy 2, 2006/7

92 Examples of phase changes Cholesteryl myristate solid 71C smectic A 79C cholesteric 85C isotropic solid 74C 94C 124C smectic C nematic isotropic

93 Thermotropic vs Lyotropic THERMOTROPIC Absence of solvent Rigid organic molecules Depends on Temperature Structures: Smectic Nematic Cholesteric LYOTROPIC In solvent Surfactants Depends on Temperature, Concentration, salt, alcohol Structures: Lamellar Hexagonal etc 93 PHM22 13 Physical Pharma cy 2, 2006/7

94 Structure formation in surfactant solution monolayer micell e rod hexagonal Oil/alcohol REVERSE HEXAGONAL Reverse micelle Formation of MICROEMULSION bilayer PHM2213 Physical Pharmacy 2, 2006/7 94

95 Structure formation in surfactant solution Effect of temperature and concentration on the structure of lyotropic liquid crystals monolayer micell e rod hexagonal Oil/alcohol REVERSE HEXAGONAL Reverse micelle Formation of MICROEMULSION bilayer PHM2213 Physical Pharmacy 2, 2006/7 21 PHM2213 Physical Pharmacy 2, 2006/7 95

96 Order Parameter S = ½<(3cos² -1)> The order parameter in a liquid crystal range from 0.3 to 0.9

97 Unique Properties of Liquid Crystals The orientation of Liquid Crystals can be affected by Pressure Temperature Electrical Field S. Palmer, LCTec Displays, Inc. 2005

98 Electric field Effects If an electric field is applied to a liquid crystal the molecules will align in the same direction as the field.

99 Twisted Nematic This is called the twisted nematic liquid crystal and the spacing between the planes change with temperature. The spacing is associated with the wavelengths of light.

100 LCD Technology Electrical-field NOT Applied Light IS transmitted Electrical-field IS Applied Light NOT transmitted

101 1. Materiaalien rakenne 1.9 Biomateriaalien rakenne 7. Luento

102 1.9 Biomateriaalien rakenne Biomateriaali Biomateriaalilla tarkoitetaan materiaali, joka on osa elävää organismia Proteiinit, DNA, ym. Elävä kudos, esimerkiksi iho muodostuu elävistä organismeista Esimerkiksi puu, kotilon kuori, hampaat, ym. Ei ole enää elävä käytettäessä muistuttaa elävää organismia biomimeettiset materiaalit ovat bioyhteensopivia materiaaleja Materiaali, joka voidaan sijoittaa elävään organismiin eikä vahingoita sitä. Esimerkiksi proteesit, implantit, ym. 102

103 1.9 Biomateriaalien rakenne Biomateriaali: suuruusasteikot 103

104 1.9 Biomateriaalien rakenne Biomateriaali: molekyylien suuruusasteikot Biologisilla molekyyleillä on monia erilaisia rakennetasoja 104

105 1.9 Biomateriaalien rakenne Biomateriaali: molekyylien suuruusasteikot (Da = amu) 105

106 1.9 Biomateriaalien rakenne Biomateriaali: makromolekyylien ja solujen suuruuksia 106

107 1.9 Biomateriaalien rakenne Biomateriaali: biomolekyylien kokojakauma Orgaanisilla ja biomolekyyleillä voi olla erittäin suuria suuruusjakaumia: Monodispersi: yksittäinen molekyyli Synteettiset polymeerit: leveä jakauma Proteiinit: monodispersit Voi olla hyvin suuri, mutta eksakti 107

108 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne Tarkastellaan joidenkin perustavaa laatua olevien biomateriaalien rakennetta atomitasolla ja kuinka se johtaa suuremman skaalan rakenteisiin. Suuri osa biologiasta perustuu proteiineihin. DNA ja RNA sisältää informaation siitä, kuinka proteiinit rakentuvat ja tästä johtuu sitten suuri osa solun rakenteesta ja toiminnasta. Lisäksi nykyisin voidaan tehdä keinotekoisia proteiineja. On hyvin keskeistä ymmärtää proteiinien rakenteen perusteet. Yksittäisillä proteiinimolekyyleillä on 4 eri rakennetasoa Niitä on lukuisissa eri suuruuksissa. 108

109 The levels of protein structure Molten globule

110 Biology/Chemistry of Protein Structure S T R U C T U R E Primary Secondary Tertiary Quaternary Assembly Folding Packing Interaction P R O C E S S

111 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohapot Kaikki proteiinit rakentuvat aminohapoista Aminohapon perusrakenne R-osa voi periaatteessa olla mitä tahansa 111

112 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohapot Tavallisia aminohappoja on 20. [ 112

113 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut Aminohapot muodostavat ketjuja, proteiineja, seuraavantyyppisissä reaktioissa C-N-sidos on peptidi-sidos Vesimolekyyli vapautuu joka reaktiossa. 113

114 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut Aminohappojen ketjua kutsutaan peptidiketjuksi tai selkärangaksi ( backbone ) Tämä on proteiinien primäärinen rakenne Se on polymeeri, missä aminohapot ovat meerit. Huomaa analogia lohkokopolymeerien kanssa: jo 2 erilaista lohkokopolymeeria voi muodostaa monimutkaisia rakenteita, mutta nyt on 20! 114

115 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut Proteiinien sekundaarirakenteen muodostaa aminohappojen taipumus muodostaa lähirakenteita. On kaksi päätyyppiä: -helix: vetysidokset aiheuttavat, että peptidiketju spontaanisti kiertyy kierteiseen muotoon. Keskimäärin 3,6 aminohappoa/kierros -helix kolmella tavalla esitettynä. Yllä: 3D-rakenne proteiinilla myoglobin. Alfa-helixit näkyvät väreissä. [Wikipedia] 115

116 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut Toinen päätyyppi on -levy ( beta sheets ) Ne muodostuvat, kun ketjun 2 tai useampi osa sitoutuu yhteen toistensa kanssa niin, että muodostuu lähes tasainen pinta. Vetysidokset aiheuttavat sen. -käännös ( turn ) tarkoittaa, että ketjun osa kääntyy itsestään. -helix ja -taso sitoutuvat yhteen hyvin määriteltyjen silmukoiden tai näennäisesti satunnaisesti järjestäytyneiden alueiden ( random coils ) vaikutuksesta. 116

117 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut Vetysidosten luonne Vetysidokset sekä -helixissä että -levyssä muodostuvat yhden aminohapon NH-osan ja toisen hapon O-atomin välille. 117

118 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut, tertiäärinen rakenne Tertiäärisellä rakenteella tarkoitetaan koko sitä 3D-rakennetta, jonka proteiini muodostaa. Esimerkiksi nk. disulfidisidokset ( disulphide bonds ) kahden S-atomin välillä cysteiini-aminohapossa stabilisoivat tertiäärisen rakenteen. Cysteiinit yhtyvät, kun -SH osat menettävät vetyatomit ja muodostuu -S-S- sidos. Myös hydrofobisilla vuorovaikutuksilla, vetysidoksilla, van der Waalsin sidoksilla, ym. on merkitystä. Tertiäärirakenteen muodostumista kutsutaan usein proteiinin laskostumiseksi ( protein folding ). Se on hidas ja monimutkainen prosessi, jota on mahdoton ennustaa suuremmille proteiineille. 118

119 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut, tertiäärisen rakenteen merkitys Tertiäärisellä rakenteella on aivan keskeinen merkitys proteiinien toiminnalle Biologiset entsyymit ovat usein proteiineja ja niiden toiminnan määrittää rakenne. Tertiäärisen rakenteen ei tarvitse olla uniikki: samalla primäärirakenteella (selkärankaketjulla) voi olla useita erilaisia tertiäärirakenteita Energiaerot pieniä => jo huoneenlämmössä, 300 K, voi muodostua eri rakenteita siitä huolimatta, että vain yksi on perustila. Jos proteiini joutuu vääräksi tertiäärirakenteeksi, se voi toimia biologisesti väärin. Esimerkiksi hullun lehmän taudin aiheuttaa prioniproteiini, jolla on väärä laskostus! 119

120 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut, kvartäärinen rakenne Suuri proteiini voi muodostaa useita polypeptidiketjuja (yksittäisiä proteiineja), jotka sitoutuvat yhteen ei-kovalenteilla voimilla Vetysidokset, van der Waals, dipolivoimat, sulfidisidokset, ym. Siis samat, jotka sitovat yhteen tertiäärisiä rakenteita. Kvartääriset rakenteet ovat ratkaisevia proteiinien funktionaalisuudelle. Mutta myös yksittäiset proteiinit voivat olla funktionaalisia. Nimen anto on hieman sekava, koska koko proteiinia kutsutaan nyt meeriksi. Proteiineja, joissa useita peptidiketjuja kutsutaan multimeereiksi tai oligomeereiksi. Tarkemmin sanottuna dimeereiksi, trimeereiksi, jne. Jos proteiini muodostuu identtisistä meereistä, sitä kutsutaan homooligomeeriksi, muuten hetero-oligomeeriksi. Esimerkiksi homotetrameerit, heterodimeerit, jne. 120

121 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut, kvartäärinen rakenne Esimerkki: hemoglobiini, hetero-obligomeerinen proteiini Hemoglobiinin 3-dimensioisen rakenteen malli. Sillä on 4 aliyksikköä, joista 2 näytetään keltaisina ja 2 punaisina. Vihreät ovat ryhmiä, jotka sisältävät rautaa. 121

122 1.9 Biomateriaalien rakenne Proteiinien rakenne: aminohappoketjut, suuret proteiinirakenteet Nämä ovat usein tärkeitä elävissä organismeissa koossapysymisen kannalta. Esimerkki: kollageeni Käsittää 5 erilaista proteiinia, erilaisia variantteja Noin 30% aminohaposta glyciini, 20% proliinista ja sen variantista hydroxyproliinista Muodostaa kolmoiskierrerakenteen, joka ei kuitenkaan ole -helix Vahva ja ei kulu helposti. Kollageenit ovat tärkeitä rakenneosia esimerkiksi luussa, ihossa, jänteissä, ym. 122

123 1.9 Biomateriaalien rakenne Polysakkaridit Polysakkaridit ovat polymeereja, joiden perusyksikköjä ovat sokerimolekyylit. Sokerimolekyylit ovat yksinkertaisimmat hiilihydraatit ja muodostuvat alkuaineista C, H, O. Hiilirenkaat ja ainakin yksi O-atomi renkaassa Polysakkaridit ovat niiden ketjuja, yleinen muoto (C 6 H 10 O 5 ) n, missä n= Yleensä ne eivät ole monodispersiivisia kooltaan (vastakohtana proteiineille) Glukoosin rakenne [Wikipedia] 123

124 1.9 Biomateriaalien rakenne Polysakkaridit: esimerkkejä Tärkkelys: glukoosimolekyylejä, jotka muodostavat polysakkarideja. Sekoitus amylosia ja amylopektiiniä Selluloosa (C 6 H 10 O 5 ) n -glukosin polymeeri Muodostaa pitkiä ketjuja Puu Selluloosa, jossa ligniini Paperi Lähes puhtaita suoria selluloosasauvoja ja vähän liimaa välissä (osa ligniinipolymeeria) [Kleenex: 124

125 1.9 Biomateriaalien rakenne Lipidit ja fosfolipidit Pitkiä hiilivetyketjuja ja aktiivi ryhmä päässä Suhteellisen liukenemattomia veteen Liukenevia Esimerkki: rasvahapot CH 3 (CH 2 ) n COOH n yleensä Fosfolipidit Rasvahapot ja negatiivinen fosfaattiryhmä toisessa päässä Fosfaattiryhmä on polaarinen, hydrofiilinen Itse hiilivetyketju ei-polaarinen, hydrofobinen 125

126 1.9 Biomateriaalien rakenne Lipidien itseorganisoituminen Johtuen erilaisista päistä lipideillä ja erityisesti fosfolipideillä on taipumus itseorganisoitua. Analoginen lohko-kopolymeerien kanssa Esimerkki Lipidi-kaksoiskerros Nk. micell Kaksoiskerrosrakenne voi muodostaa kerroksen, joka hylkii vettä! 126

127 1.9 Biomateriaalien rakenne Lipidien esiintyminen ja käyttäminen Lipidikerrokset ovat joustavia ja osittain läpäiseviä. Lipidi-kaksoiskerrokset ovat keskeinen osa solukalvoja Pallomaisia lipidejä voidaan (ainakin periaatteessa) käyttää muodostamaan monikerrosrakenteita tai säiliöitä esimerkiksi lääkeaineille 127

128 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA:n rakenne DNA = deoxyribonukleiinihappo RNA = ribonukleiinihappo Polymeeri, jossa 4 erilaista yksikköä, jotka voivat toistua ja jokainen yksikkö koostuu seuraavista osista: Kanta Sokerimolekyyli Fosfaattiryhmä Sokeri- ja fosfaattimolekyylit ja muodostavat Sokeri on toinen oheisista RNA:lle ja DNA:lle vuorottelevat selkärangan molekyylille 128

129 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA:n rakenne: atomitason koko rakenne Sokerit ja fosfaatit muodostavat selkärangan Niiden välissä kannat, jotka ovat 4 erilaista molekyyliä DNA:lle ja sidottu toisiinsa vetysidoksilla. Kannat DNA:lle A = Adeniini, G = Guaniini C = Cytosiini, T = Thymiini Nämä sitoutuvat kuten A-T tai C-G 129

130 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA:n rakenne: globaali rakenne DNA-ketju muodostaa luonnollisesti kierteen. Tämä vuorostaan kiertyy itsenä ympäri ja muodostaa monimutkaisen 3D-rakenteen: geenin. 130

131 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA:n rakenne: globaali rakenne Tie geeniksi on monivaiheinen. 131

132 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA ja biologia Elämän perusta on, että DNA koodaa proteiinien rakenteen. Kaksoisrakenteesta ja selektiivisyydestä AT ja CG voi DNA-ketju avautua, kopioitua joltakin sivulta ja sulkeutua taas siten, että on hyvin pieni riski, että tapahtuu virhe. Erilaisten RNA:n muotojen kautta välittyy tieto proteiinin rakentamiseksi. 3 kantaa DNA:n exon-osassa koodataan uudelleen joksikin 20 aminohaposta. 132

133 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA ja materiaalifysiikka Materiaalifysiikan kannalta DNA on mielenkiintoinen ainakin kahdesta syystä, joissa käytetään hyödyksi DNA:n ainutlaatuisia ominaisuuksia. DNA-proteiini-resepti voidaan muuntaa synteettisten proteiinien luomiseksi! Mikrobeja on muunnettu niin, että ne voivat tuottaa proteiinia, joissa eri aminohappoja kuin ne 20 standardihappoa. Biomimiittiset polypeptidit [ DNA:ta voidaan käyttää rakentamaan materiaalin nanorakenteita. Molemmat ovat perustutkimusvaiheessa, mutta vaikuttavat lupaavilta. 133

134 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA rakennusosana Siitä DNA:n erityisestä ominaisuudesta, että sen kantapari valitsee saman kantaparin, aiheutuu, että siitä voidaan rakentaa 3D-rakenteita. Perusajatus on, että luodaan erilaisia DNA-ketjuja, joilla avoimet päät, jotka sitten voivat kombinoitua vain sellaisten DNA:den kanssa, joilla sopivat vastinpäät. 134

135 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA rakennusosana Esimerkiksi luodaan DNA-haarukka, jossa molekyyli jolla 2 DNApäätä joka sitten voi kombinoitua toisen kanssa ja muodostaa 3Drakenteen. 135

136 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA rakennusosana Luomalla DNA-ketjuja, jotka muuntuvat kierteestä toiseksi voidaan luoda esimerkiksi heksagonialinen DNA-putki. [Nano Letters 5 (2005) 661] 136

137 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA rakennusosana Ja nämä suorat putket voivat organisoitua säännöllisiksi hiloiksi. 137

138 1.9 Biomateriaalien rakenne DNA rakennusosana Ehkä kaikkein vaikuttavin esimerkki on DNA-kuution muodostuminen. 138

139 1.9 Biomateriaalien rakenne Kovat biomateriaalit Selvästi tärkein kova biomateriaali on luu. Kovat osat luussa ja hampaissa muodostuvat pääasiassa kalsiumfosfaateista, CaO-P 2 O 5 Tämä on epäorgaaninen materiaali. Biologisissa materiaaleissa kalsiumfosfaatti esiintyy yleensä veden kanssa tertiäärisessä systeemissä CaO-P 2 O 5 -H 2 O Ihmisessä tavallisin muoto on erityinen hydroksiapatiitti Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH 2 ) Sillä on hyvin määritelty kiderakenne. 139

140 1.9 Biomateriaalien rakenne Kovat biomateriaalit Hampaan rakenteessa kiille on valkoinen, kova ja hauras 95 paino-% hydroksiapatiittia, 4% vettä, 1% orgaanista materiaalia Monikiteinen Hammasluu on noin 50 paino-% hydroksiapatiittia, 32% kollageenia, 8% polysakkaridia, 10% vettä 140

141 1.9 Biomateriaalien rakenne Kovat biomateriaalit Luu on komposiittimateriaali, joka muodostuu hydroksiapatiitin (noin 70 %), kollageenin ja elävien osien seoksesta. Luun sisällä on veriallas. Luussa on myös soluja, joita kutsutaan osteoblasteiksi ja osteoklasteiksi. Ne mahdollistavat uuden luun kasvun. Lintujen luiden sisäosa on hyvin huokoinen => kestävä ja kevyt materiaali 141

142 1.9 Biomateriaalien rakenne Biomimeettiset materiaalit Biomimetiikka on materiaalien valmistaminen menetelmillä, jotka muistuttavat luonnollisia Esimerkki: keinotekoiset silikaatit, jotka valmistetaan menetelmillä, joka muistuttaa sienessä tapahtuvia. [Deming et al, Nature 403 (2000) 289] 142

143 Topics Overview of medical devices, FDA regulatory issues, biocompatibility and sterilization technology Biomechanical properties: isotropy/anisotropy, stiffness, bending stresses, contact stresses, multiaxial loading, plasticity, fatigue, fracture, wear, corrosion, design issues. Orthopedics, Dental, Cardiovascular, and Soft Tissue Reconstruction. Case studies.

144 Orthopedics ORTHOPEDICS TISSUES AND BIOMATERIALS: Structure and function of orthopedic tissues. Bone, cartilage, intervertebral discs. Total joint replacements, Spinal implants, Fracture Fixation. Mechanisms for damage and disease. Clinical treatments. Case Studies: 1. Sulzer recall-good manufacturing practice, legal and ethical issues associated with device recalls 2. Premature failure in metal prostheses due to corrosion 3. Implant failures due to oxidation and aging of the polymer component 4. Stress shielding/ femoral stem design stresses, bone resorption, evolution of design and materials 5. Clinical case study 6. Evolution of materials (UHMWPE)- the effects of microstructural changes on fatigue, fracture, wear 7. Spinal Implants. Design/ clinical aspects.

145 Dentistry DENTAL TISSUES AND BIOMATERIALS: Structure and function of dental tissues. Dental materials/restorative materials Progression of disease. Clinical treatments. Case Studies: 1. Fracture in mineralized tissues 2. Implant design/materials

146 Cardiology CARDIOVASCULAR TISSUES AND BIOMATERIALS: Structure and function of vascular tissue. Etiology of disease. Clinical treatments. Vascular devices. Design issues. Case Studies: 1. Heart Valves, materials, design philosophies, clinical 2. Stents: Fatigue and Fracture 3. Stent design

147 Soft Tissue SOFT TISSUE: Structural Properties, wound healing, stability, biofixation. Design issues. Case Studies: 1. Dow- Corning Breast implant case 2. Soft implants: facial, occular

148 Biomaterials Classifications Biocompatibility Applications

149 Biomaterials and implants Replace component of living being Restore Function Harmonious interaction with host Biocompatibility Long-term structural integrity

150 Structural biological materials Hard Tissues: Bone, enamel, dentin Soft Tissues: Cartilage, tendon, ligament, vitreous humor,vasculature,skin, organs Fluids: Blood, synovial fluid Problems when used as an implant material: Infection, resorption, inflammation, rejection

151 Synthetic Biomaterial Classes METALS: Co-Cr alloys, Stainless steels, Gold, Titanium alloys, Vitallium, Nitinol (shape memory alloys). Uses: orthopedics, fracture fixation,dental and facial reconstruction, stents. CERAMICS: Alumina, Zirconia, Calcium Phosphate, Pyrolitic Carbon. Uses: orthopedics, heart valves, dental reconstruction. COATINGS: Bioglasses, Hydroxyapatite, Diamond-like carbon, polymers. Uses: orthopedics, contact lenses, catheters, in-growth.

152 Evolution of materials in TJR

153 Biomaterial Classes cont. POLYMERS: Silicones, Gore-tex (eptfe), polyurethanes, polyethylenes (LDPE,HDPE,UHMWPE,), Delrin, polysulfone, polymethylmethacrylate. Uses: orthopedics, artificial tendons,catheters, vascular grafts, facial and soft tissue reconstruction. HYDROGELS: Cellulose, Acrylic co-polymers. Uses: drug delivery, vitreous implants, wound healing. RESORBABLES: Polyglycolic Acid, Polylactic acid, polyesters. Uses: sutures, drug delivery, in-growth, tissue engineering.

154 Polymers in the body

155 Implant Factors Bulk properties: chemical composition, structure, purity and presence of leachables. Surface properties: smoothness, COF, geometry, hydrophilicity, and surface charge Mechanical properties: match properties of component being replaced, such as elastic modulus. Stability and fixation. Long-term structural integrity: design for fatigue and fracture loading, wear, creep, plastic deformation, and stress corrosion cracking

156 Host Factors Species (simulated tests in smaller species do not always capture response in humans) Age and health status Immunological/metabolic status Choice of surgeon

157 Implant reactions in the body

158 Biocompatibility Arises from differences between living and nonliving materials Bioimplants trigger inflammation or foreign body response New biomaterials must be tested prior to implantation according to FDA regulation WWII: Validated biocompatibility of several materials including PMMA

159 Foreign Body Response Rapid dilation of capillaries, increased permeability of endothelial cell linings and cell reactions Macrophages release degradative enzymes (lysozymes) that attempt to digest the foreign material Macrophages multiply (Mitosis) and serve as progenitor to the giant cell Undigestable: frustrated phagocytosis. Size scale is important.

160 Response to inflammation Decreased tissue mass and formation of new tissue through granulation Collagen and other molecules are synthesized Formation of scar tissue Remodeling process differs for various tissues

161 Applications of Biomaterials Orthopedics: artificial hips,knees, shoulders, wrists; intervertebral discs; fracture fixation; bone grafts. Cardiovascular: heart valves, PTCA balloons, pacemakers, catheters, grafts, stents. Dental: enamels, fillings,prosthetics, orthodontics. Soft tissue: wound healing, reconstructive and augmentation, occular. Surgical: staples, sutures, scalpels.

162 Orthopedic Implants

163 Dental Implants

164 Cardiovascular devices

165 LVAS: Pump Drive Unit

166 Soft Tissue Reconstruction

167 Challenges Biofixation and stability of an implant Long-term wear and debris generation In-vivo degradation through complex bio-chemimechanical actions Inert materials do not elicit pro-active responses in the body Solutions are often temporary for tissue replacement

168 Current Trends Interdisciplinary approach: merge engineering, biology, and materials science Engineer new biological and hybrid materials Develop smart or pro-active materials which can assist in tissue regeneration or treatment