Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa osa II

Transkriptio

1 Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa osa II

2 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Puhtausvaatimukset: Sterilointi: Beetasterilointi

3 Menetelmä Beetasterilointi tunnetaan myös EB (Electron Beam) sterilointimenetelmänä. Siinä sterilointi tapahtuu gammasterilointilaitoksen tyyppisessä, jatkuvatoimisessa laitoksessa. Beetasteriloinnissa sterilointi ei kuitenkaan tapahdu radioaktiivisen materiaalin avulla tuotetulla gammasäteilyllä, vaan pommittamalla steriloitavaa tuotetta kiihdytetyillä elektroneilla. 3

4 Menetelmä Beetasteriloinnissa yleensä volframifilamenttikatodista saadut elektronit kiihdytetään lineaarikiihdyttimellä kuvan mukaisesti. Tämän jälkeen elektronisuihkun leveyttä kontrolloidaan ajamalla suihku magneettikentän läpi. Ohjauksen jälkeen kiihdytetyt elektronit törmäävät kuljetusjärjestelmän hihnalla oleviin, steriloitaviin tuotteisiin, jolloin muodostunut beetasäteily inaktivoi kontaminoivia mikro-organismeja. 4

5 Kuva Beetasterilointiprosessi. 5

6 Vaikutus polymeerimateriaaliin Beetasäteilyn vaikutukset steriloitavaan polymeerimateriaaliin ovat samanlaiset kuin gammasäteilyssä. Erona gammasäteilyyn on kuitenkin beetasäteilyn pienempi tunkeumasyvyys. Tästä johtuen elektronisuihku voidaan joutua tuomaan usealta eri puolelta kappaletta riittävän steriiliyden saavuttamiseksi. Toisaalta beetasäteilyn sanotaan täten olevan gammasterilointia hellempi sterilointimenetelmä. 6

7 Vaikutus polymeerimateriaaliin Beetasteriloinnissa säteilyn tunkeumasyvyyteen vaikuttaa steriloitavan tuotteen tiheys kuvan mukaisesti. Taulukossa on esitetty eräiden polymeerimateriaalien beetasterilointisoveltuvuus, sekä taulukossa on yhteenveto beetasteriloinnin hyvistä ja huonoista puolista. 7

8 Kuva Steriloitavan tuotteen tiheyden vaikutus beetasäteilyn tunkeumasyvyyteen. 8

9 Taulukko Eräiden polymeerimateriaalien kestokyky beetasteriloinnissa. 9

10 Taulukko Beetasteriloinnin hyvät ja huonot puolet. Hyvät puolet 1) Alhainen sterilointilämpötila -> parempi soveltuvuus lämpöherkille materiaaleille 2) Ei jäännösaineita steriloidussa materiaalissa kuten EtOsteriloinnissa. Voidaan ottaa heti käyttöön. Huonot puolet 1) Rajoitettu soveltuvuus polymeerimateriaaleilla 2) Värin muutokset 3) Steriloitava kappale ei joudu vesihöyrylle alttiiksi kuten EtO-steriloinnissa. 4) Nopea sterilointimenetelmä. 5) Gammasäteilyä alhaisempi 3) Muutokset läpinäkyvyydessä 4) Muutokset tiheydessä 5) Haurastuminen 6) Partikkelien irtoamien 7) Muutokset vetolujuudessa 8) Muutokset kimmomoduulissa 9) Muutokset venymässä 10

11 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Puhtausvaatimukset:Sterilointi:Höyrysterilointi

12 Menetelmä Höyrysterilointi, joka tunnetaan myös autoklaavisterilointina, on yksi vanhimmista sterilointimenetelmistä. Höyrysterilointi suoritetaan panostoimisessa tai jatkuvatoimisessa autoklaavissa. Kuvassa on esitetty panostoimisen autoklaavin toimintaperiaate. 12

13 Kuva Autoklaavin toimintaperiaate höyrysteriloinnissa. 13

14 Vaiheet Panostoiminen höyrysterilointiprosessi jaetaan yleensä kolmeen vaiheeseen, jotka ovat esikäsittely, sterilointi ja jälkikäsittely. 14

15 1. Esikäsittelyvaihe Esikäsittelyvaiheessa autoklaavissa oleva ilma korvataan vesihöyryllä. Sterilointivaiheessa paine ja lämpötila nostetaan halutulle tasolle. Yleensä haluttu taso on C ja MPa. 15

16 2. Sterilointivaihe Tätä seuraa varsinainen sterilointi, jossa haluttua painetta ja lämpötilaa pidetään noin 3-15 minuuttia. Tällöin sterilointi perustuu kyllästetyn höyryn kykyyn tunkeutua polymeerimateriaalin huokoisiin sekä kyllästetyn höyryn suuren lämpömäärän kykyyn tuhota tehokkaasti mikroorganismeja. 16

17 3.Jälkikäsittelyvaihe Jälkikäsittelyvaiheessa autoklaaviin muodostetaan alipaine, jonka avulla kosteus poistuu tuotteesta höyryn kondensoitumisen kautta. Tätä seuraa kuivausvaihe, jossa tuotetta pidetään alipaineessa. Lopuksi autoklaavin tuodaan normaali ilmanpaine, jotta tuote saadaan poistettua autoklaavista. Kuvissa ja on esitetty, kuinka autoklaavisterilointiprosessi etenee ajan suhteen, kun muuttujina ovat lämpötila ja paine. 17

18 Kuva Lämpötila höyryautoklaavissa. 18

19 Kuva Paine höyryautoklaavissa. 19

20 Taulukko Höyrysteriloinnin hyvät ja huonot puolet. Hyvät puolet 1) Ympäristöystävällinen menetelmä. Huonot puolet 1) Gamma- ja beetasterilointia sekä etyleenioksidisterilointia rajoitetumpi käyttö polymeerimateriaaleilla. 2) Terveydelle vaaraton menetelmä. 2) Vesihöyrylle herkät polymeerimateriaalit (kuten jotkut hydrofiiliset pinnoitteet) eivät ole yhteensopivia. 3) Nopea ja yksinkertainen menetelmä. 3) Kaikki polymeerimateriaalit eivät kestä höyrysteriloinnin korkeita lämpötiloja. 4) Halpa menetelmä. 5) Ei myrkyllisten kaasujen muodostumista eikä jälkituuletusta. 6) Tuotteet voidaan ottaa heti käyttöön steriloinnin jälkeen. 20

21 Soveltuvuus polymeerimateriaaleille Häyrysterilointi soveltuu yleensä erittäin huonosti niille polymeerimateriaaleille, jotka eivät kestä höyrysteriloinnissa käytettäviä korkeita lämpötiloja ja/tai vesihöyryä. Korkeat lämpötilat voivat johtaa tuotteen muodonmuutoksiin, mikäli se on valmistettu matalan sulamislämpötilan omaavasta kestomuovista. Esimerkiksi matalatiheyksinen polyeteeni (PE-LD) ei kestä höyrysterilointia, sillä sen sulamispiste Tm on noin 110 C. Korkea lämpötila ja ilman läsnäolo voi johtaa myös polymeerimateriaalin hapettumiseen, kun taas vesihöyry voi aiheuttaa hydrolyysiä. 21

22 Soveltuvuus polymeerimateriaaleille Polyolefiineista ainoastaan polypropeeni ja korkean tiheyden polyeteeni (PE-HD) kestävät rajoitetusti höyrysterilointia. Mikäli höyrysteriloinnin lämpötila nousee yli PE- HD:n sulamispisteen, joka on noin 134 C, ei sterilointia voida enää suorittaa. Polypropeeneilla puolestaan ylin höyrysterilointilämpötila on noin 125 C. 22

23 Soveltuvuus polymeerimateriaaleille Muita huonosti höyrysterilointia kestäviä muoveja ovat esimerkiksi styreeniä sisältävä muovit sekä polyimidi (PI) ja polymetyylimetakrylaatti (PMMA). Styreenimuovien huono höyrysteriloinnin kesto johtuu styreenin muodostaman amorfisen rakenteen muodonmuutoksista korkeissa lämpötiloissa. 23

24 Soveltuvuus polymeerimateriaaleille Parhaiten höyrysterilointia kestävät korkean sulamislämpötilan ja hydrofobisuuden omaavat muovit, joita ovat muun muassa polytetrafluorieteeni (PTFE), silikoni (SI) ja polyeetterieetteriketoni (PEEK). Kertamuovit kestävät hyvin korkeitakin lämpötiloja kolmiulotteisen verkkorakenteensa takia. Kertamuoveista ja lujitekuidusta valmistetuilla komposiiteilla steriloinnin kestävyys voi kuitenkin heiketä veden päästessä materiaaliin kuidun ja matriisin rajapinnalla esiintyvän kapillaari-ilmiön avulla. Tällöin erityisesti lasikuitulujitetuissa polymeerikomposiiteissa vesi imeytyy kuituun kapillaari-ilmiön avulla heikentäen kuidun ja matriisimuovina olevan kertamuovin adheesiota. Taulukossa on esitetty höyrysteriloinnin soveltuvuutta eräille polymeerimateriaaleille. 24

25 Taulukko Höyrysteriloinnin soveltuvuus eri polymeerimateriaaleille. 25

26 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Puhtausvaatimukset:Sterilointi:Plasmasterilointi

27 Menetelmät Nykyisin markkinoilta löytyy useita erilaisia plasmasterilointimenetelmiä. Näistä Johnson&Johnsonin vuonna 1993 markkinoille tuoma Sterrad 100- menetelmä on tänä päivänä yksi tärkeimmistä lääkinnällisten laitteiden plasmasterilointimenetelmistä. 27

28 Sterrad 100 Sterrad 100 on matalan lämpötilan panostoiminen kaasuplasmasterilointimenetelmä, joka voidaan jakaa viiteen vaiheeseen. Kuvassa on esitetty näiden vaiheiden jakaantuminen ajan suhteen, kun paine on muuttujana. 28

29 Kuva Sterrad 100 -kaasusterilointimentelmän vaiheet. a) tyhjiövaihe, b) injektiovaihe c) diffuusiovaihe), d) plasmavaihe ja e) ilmastointivaihe. 29

30 Sterrad 100, vaiheet Sterrad 100 -sterilointimenetelmän vaiheissa sterilointiprosessi etenee seuraavasti: 1) Tyhjiövaihe: Sterilointikammiossa, johon steriloitavat tuotteet on asetettu, paine lasketaan normaalista ilmanpaineesta (~1kPa) 40 Pa:iin. Vaihe kestää noin minuuttia. 2) Injektiovaihe: Nestemäistä vetyperoksidia ruiskutetaan sterilointikammioon, jossa se alhaisen paineen johdosta muuttuu vetyperoksidikaasuksi. Lopullinen vetyperoksidikaasun konsentraatio on noin 6mg/l. Ruiskutuksen aikana myös paine nousee kammiossa. 30

31 Sterrad 100, vaiheet 3) Diffuusiovaihe: Vetyperoksidikaasu täyttää sterilointikammion. Kaasumaisella vetyperoksidilla on jo itsessään steriloiva vaikutus steriloitaviin tuotteisiin. Diffuusiovaiheessa paine nousee sterilointikammiossa MPa, joka diffuusiovaiheen lopussa lasketaan noin ^5 MPa. 31

32 Sterrad 100, vaiheet 4) Plasmavaihe: Sterilointikammioon luodaan sähkömagneettinen kenttä, jossa kaasumainen vetyperoksidi hajoaa ja muodostaa alhaisen lämpötilan plasman. Plasman steriloiva vaikutus perustuu plasman sisältämiin reaktiivisiin radikaaleihin ja UV-valon mikroorganismeja inaktivoivaan vaikutukseen. Plasmavaiheessa lämpötila nousee korkeintaan 55 C:een. 32

33 Sterrad 100, vaiheet 5) Ilmastointivaihe: Sterilointikammio saatetaan normaaliin ilmanpaineeseen päästämällä suodatettua ilmaa kammioon. Lopuksi sterilointikammio avataan ja steriilit tuotteet otetaan pois kammiosta. 33

34 Soveltuvuus polymeerimateriaaleille Plasmasterilointia käytetään pääasiassa sairaaloissa sen pienen laitekoon vuoksi. Se soveltuu yleensä polymeerimateriaaleille, jotka ovat hydrofobisia, kemiallisesti inerttejä ja kestävät hapettavia olosuhteita. Sterrad 100-menetelmän on katsottu soveltuvan ainakin seuraaville lääkinnällisissä laitteissa käytetyille polymeerimateriaaleille: polyvinyylikloridi (PVC), polystyreeni (PS), alhaisen ja korkean tiheyden polyeteenit (PE-LD, PE-HD), polypropeeni (PP), akryylinitriilibitadieenistyreeni (ABS), polysulfoni (PS), silikoni (SI) ja epoksi (EP). Taulukossa on esitetty Sterrad 100-sterilointimentelmän hyviä ja huonoja puolia. 34

35 Taulukko Sterrad 100-sterilointimentelmän hyvät ja huonot puolet. Hyvät puolet 1) Ympäristöystävällinen menetelmä. 2)Terveydelle vaaraton menetelmä. 3)EtO:ta nopeampi menetelmä. 4) Tuotteet voidaan ottaa heti käyttöön steriloinnin jälkeen. Huonot puolet 1) Vain pintasterilointimenetelmä. 2) Vain pieni määrä voidaan steriloida kerrallaan panostoimisessa sterilointikammiossa. 3) Ei sovellu hydrofiilisille polymeerimateriaaleille. 4) Vaatii steriloitavalta polymeerimateriaalilta mahdollisimman hyvän kemiallisen inerttiyden. 5) Kooltaan suhteellisen pieni laite, joten laite voidaan sijoittaa pieniin tiloihin. 6) Ei muodostu myrkyllisiä yhdisteitä steriloinnin aikana. 7) Ei tarvitse pitkiä jälkituuletusaikoja kuten EtO. 5) Vaatii steriloitavalta polymeerimateriaalilta hapettavien olosuhteiden kestoa. 6) Hitaampi sterilointimentelmä kuin esimerkiksi gammasterilointi 8) Ei tarvitse säteilysuojausta kuten säteilysterilointimenetelmät. 35

36 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Puhtausvaatimukset:Desinfektio

37 Desinfektioaineen tehoon vaikuttavat tekijät Lääkinnällisien laitteiden desinfektioaineita on useita erilaisia. Niiden aktiivisuus eri kontaminoivia mikro-organismeja vastaan riippuu desinfektioaineen kemiallisesta luonteesta. Taulukossa on esitetty eräiden desinfektioaineiden aktiivisuus tiettyjä bakteereita, itiöitä, viruksia, sieniä, ameboja ja prioneitä vastaan. Kemiallisen desinfektioaineen aktiivisuuteen vaikuttaa myös sen konsentraatio, lämpötila, ph ja suhteellinen ilmankosteus. 37

38 Taulukko Eräiden desinfektioaineiden aktiivisuudet. EH=erittäin herkkä, H=herkkä, K=kohtalainen, R=resistentti, V=vaihteleva, -=ei tunneta. Bakteerit Itiöt Virukset Muut Grampositiiviset Desinfektioaine Gramnegatiiviset Lipofiili-set Haponkestävät sauvat Itiöt Hydrofiiliset Sie-net Ame-bat Prio-nit Alkoholit (isapropanoli, etanoli) EH EH H R H V - - R Aldehydit (glutaral-dehydi, formalde-hydi) EH EH K H (hidas) H K H - R H (suuri pitoisuus) Natrium-hypokloriitti EH EH K H (ph 7,6) H K H K (suuri pitoisuus) Jodiyhdis-teet EH EH H H (suuri ptoisuus) H R S S R Fenolit, kvartaariset ammoniakkiyh-disteet EH EH - R H R - - R 38

39 Desinfektioaineet ja niiden käyttö lääkinnällisissä laitteissa Lääkinnällisten laitteiden desinfektiossa voidaan käyttää muun muassa fenoliyhdisteitä, alkoholeja, aldehydejä, ammoniakkia ja halogeenejä. 39

40 Desinfektioaineet ja niiden käyttö lääkinnällisissä laitteissa:alkoholit Alkoholeja käytetään yleensä tilavuus-%:n laimennoksena. Niillä voidaan desinfektoida esimerkiksi stetoskooppien kalvoja ja elvytysnukkeja. sekä etanoli että isopropanoli eivät sovellu polyuretaaniille (PUR), mutta esimerkiksi polyeteenille (PE) ja polyproppeenille (PP) ne soveltuvat erinomaisesti. 40

41 Desinfektioaineet ja niiden käyttö lääkinnällisissä laitteissa: Alkoholit Fenoli on bakteriastaattinen eli bakteerien kasvua estävä 0.2-%:na, bakterisidinen eli bakteereja tappava yli 1%:na ja fungisidinen eli sienten kasvua estävä yli 1.3%:na. Fenolit liuottavat erityisesti aromaattisesti sisältäviä polymeerimateriaaleja, joten se ei sovellu esimerkiksi akryylinitriilibutadieenistyreenille (ABS) ja styreeniakryylinitriilille (SAN). 41

42 Desinfektioaineet ja niiden käyttö lääkinnällisissä laitteissa: Halogeenit Halogeeneihin kuuluvan kloorin desinfektiokyky johtuu sen kyvystä tunkeutua mikrobien soluseinämien läpi. Se ei sovellu esimerkiksi polyamidille (PA), kuten ei myöskään halogeeneihin kuuluvat jodiyhdisteet. Jodiyhdisteillä on usein taipumus värjätä pintoja, joten sitä käytetäänkin lähinnä ihon desinfektointiin. 42

43 Desinfektioaineet ja niiden käyttö lääkinnällisissä laitteissa: Aldehydit Aldehydien desinfektointikyky perustuu niiden kykyyn liittyä proteiinien aminoryhmiin muodostaen atsometiinejä. Aldehydeihin kuuluvaa formaldehydiä ja glutaraldehydiä käytetään erityisesti kuumuutta kestämättömien instrumenttien desinfektointiin. Aldehydit soveltuvat melko hyvin erilaisten polymeerimateriaalien desinfektointiin, mutta esimerkiksi polyuretaanille (PUR) se ei sovellu. 43

44 Desinfektioaineet ja niiden käyttö lääkinnällisissä laitteissa: Ammoniakki Ammoniakki ei puolestaan sovellu esimerkiksi polykarbonaatin (PC) ja PUR:n desinfektointiin. Taulukossa on esitetty tarkemmin eräiden polymeerimateriaalien soveltuvuutta eri desinfektioaineille. 44

45 Taulukko Polymeerimateriaalien kestokyky eräille desinfektioaineille. 45

46 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Polymeerimateriaalien vaikutus ihmiskehoon

47 Suora- ja epäsuora kosketus Jotkut lääkinnälliset laitteet joutuvat olemaan kosketuksessa ihmiskehoon joko: suorasti (ihmiskehon asetettavat lääkinnälliset laitteet) tai epäsuorasti (esimerkiksi veripussit, joissa on verta). 47

48 Biokompatibiliteetti Ihmiskehon kanssa kosketuksissa oleville laitteille on tärkeää, että ne ovat yhteensopivia ihmiskehon kanssa, eli niillä pitää olla hyvä biokompatibiliteetti. Biokompatibiliteetti -sanaa käytetään myös kudosyhteensopivuudesta 48

49 Yhteensopivuus ihmiskehon kanssa Yhteensopivuus ihmiskehon kanssa merkitsee, että polymeerimateriaali ei saa olla esimerkiksi immunogeeninen, sytotoksinen, mutageeninen, karsinogeeninen tai teratogeeninen. Ihmiskehon kanssa yhteensopivan polymeerimateriaalin pitää olla yhteensopiva niin veren kuin kudoksen kanssa. Eläinkokeiden ja in vitro-tutkimusten avulla on todistettu, että esimerkiksi polylaktidi (PLA) ja polyglykoli (PGA) omaavat hyvän yhteensopivuuden ihmiskehon kanssa 49

50 Rajapinta Suoraan ihmiskehoon kosketuksissa olevan polymeerimateriaalin ja ihmiskehon väliin jää rajapinta, jolla on suuri merkitys polymeerimateriaalien yhteensopivuuteen ihmiskehon kanssa. Monet synteettiset polymeerimateriaalit eivät reagoi kemiallisesti ihmiskehossa, mutta reagoimattomuudesta riippumatta niillä on kuitenkin aina fysikaalisia vuorovaikutuksia veren ja kudoksen kanssa. Pinnan fysikaalisiin vuorovaikutuksiin kuuluvat Van der Waals voimat ja sähköstaattiset voimat ulottuvat usean nanometrin päähän polymeerimateriaalin pinnalta, joten ne voivat vaikuttaa kaikkiin eikemiallisiin vuorovaikutuksiin polymeerimateriaalin ja ihmiskehon välillä. 50

51 Rajapinta Fysiokemiallisten vuorovaikutusten lisäksi myös pintajännitykset ja pinnan topografia vaikuttavat polymeerimateriaalin pinnan ja ihmiskehon välisiin vuorovaikutuksiin. Mitä pienempi pintajännitys polymeerimateriaalilla on, sitä paremmin elimistössä olevat nesteet pääsevät polymeerimateriaalin kostuttamaan. Täten mitä suurempi polymeerimateriaalin pintajännitys on, sitä vähemmän polymeerimateriaali reagoi ihmisen sisältämien nesteiden kanssa. Pinnankarheudella on puolestaan katsottu olevan vaikutusta solujen ja bakteerien tarttumiseen. Yleensä pinnankarheuden katsotaan olevan riittävän hyvä, kun se on pienempi kuin veritulppaa aiheuttavien solujen koko. 51

52 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Polymeerimateriaalien vaikutus ihmiskehoon: Yhteensopivuus kudoksen kanssa

53 Polymeerimateriaalien jaottelu kudosreaktion avulla Polymeerimateriaalit voidaan jaotella neljään luokkaan niiden aiheuttaman kudosreaktion avulla: Toksiset reaktiot: Kudos kuolee. Biologisesti lähes inertit: Kudos ei reagoi polymeerimateriaalin kanssa. Biokatiiviset: Kudos muodostaa sidoksen polymeerimateriaaliin sen aktiivisen rajapinnan välityksellä. Biokorvautuvat: Kudos korvaa polymeerimateriaalista valmistetun implantin omalla kudoksellaan. 53

54 Pehmyt ja kovakudos Ihmiskehon kudos voidaan jakaa puolestaan pehmytkudokseen ja kovakudokseen. Lääkinnällisten laitteiden pehmytkudosreaktiot määritetään yleensä niiden ympärille muodostuvan sidoskudoskapselin kautta. Mitä ohuempi on syntyneen sidoskudoskapselin paksuus, sitä parempi materiaalin biokompatibiliteetti on. 54

55 Sidoskudoskapselin muodostuminen Lääkinnällisen laitteen joutuessa ihmiskehoon, saapuvat vesimolekyylit sen pinnalle hyvin nopeasti. Samalla pinnalle alkaa absorboitua proteiinejä ja sitten biomolekyylejä. Proteiinien ja biomolekyylien muodostuminen polymeerimateriaalin pinnalle on jatkuva prosessi. Lopulta itse solut saapuvat pinnalle. 55

56 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Polymeerimateriaalien vaikutus ihmiskehoon: Yhteensopivuus veren kanssa

57 Veren koostumus Ihmisessä on verta noin 6-8%. Siitä noin: 55% koostuu veren soluväliaineesta, eli plasmasta. Siitä noin: 90% on vettä 10% sisältää plasmaproteiineja, ravinto- ja rakenneaineita, hormoneja, hiilidioksidia ja kuona-aineita. Plasmaproteiineihin kuuluvan fibrinogeenin tehtävänä on osallistua verenvuodon tyrehtymiseen ja albumiinin tehtävänä on muun muassa säädellä veren osmoottista painetta. 45% koostuu verisoluista, joita ovat: Punasolut eli erytrosyytit. Niiden päätehtävänä on kuljettaa hemoglobiinia, jonka päätehtävänä on puolestaan sitoa happea vereen. Valkosolut eli leukosyytit. Verenkierrossa esiintyy yleensä viidentyyppisiä valkosoluja, joista lymfosyyteillä on keskeinen rooli tautien suojelemisessa ja monosyytit muun muassa tuhoavat kuollutta kudosta ja vierasta materiaalia. Verihiutaleet eli trombosyytit. Niiden päätehtävänä on osallistua verenvuodon tyrehdyttämiseen. 57

58 Veren tehtävät Veren tehtävänä ihmiskehossa on muun muassa: Säädellä: lämpöä Kuljettaa: happea ja hiilidioksidia ravintoaineita kuona-aineita hormoneita Suojella: taudeilta valkosolujen osallistuessa immuniteetin muodostumiseen verenhukalta hemotaasin eli verenvuodon tyrehtymisen avulla. 58

59 Hemokompatibiliteetti Veren laaja-alaisen ja elintärkeän tehtäväkentän vuoksi veren kanssa kosketuksiin joutuvien lääkinnällisten laitteiden tulee olla veriyhteensopivia, eli niillä tulee olla hyvä hemokompatibiliteetti. Veren puolustusreaktio vierasesineitä vastaan voi olla äkillinen ja huomattavasti rajumpi verrattuna kudosreaktioihin. Veren kanssa kosketuksiin joutuva polymeerimateriaali voi johtaa verihyytymän muodostumiseen, joka puolestaan voi johtaa esimerkiksi veritukokseen ja täten hengenvaaralliseen tilanteeseen 59

60 Veriyhteensopivuuden parantaminen Lääkinnällisten laiteiden veriyhteensopivuutta voidaan parantaa oikeilla polymeerimateriaalivalinnoilla. Perinteisesti on oletettu, että polymeeristä valmistettujen implanttimateriaalien tulisi olla negatiivisesti varautuneita ennen implantin asentamista ihmiskehoon. Tällöin veren solut eivät hylkisi vaan toisiaan, vaan myös implantin pintaa. Tämä puolestaan vähentäisi verihiutaleiden tarttumistaipumusta ja täten verisuonitukosten muodostumista. 60

61 Veriyhteensopivuuden parantaminen Veren plasman ja kudosnesteen on todettu kuitenkin sisältävän niin paljon vapaita ioneja, että ne pystyvät neutraloimaan implantin alkuperäisen nettovarauksen. Täten implantin nettovaraukselle ei luultavasti olekaan niin suurta merkitystä hemokompatibiliteettiin, kuin mitä aikaisemmin on oletettu. Tänä päivänä keskitytäänkin tutkimaan implantin pintavarauksen ja sen pintaan tarttuneen proteiinikerroksen pintavarauksen yhteisvaikutusta hemokompatibiliteettiin 61

62 Veriyhteensopivuuden parantaminen Lääkinnällisissä laitteissa käytettävien biomateriaalien hemokompatibiliteettiin voidaan vaikuttaa bulkkipolymeerin valinnan lisäksi myös erilaisten pinnotteiden avulla. Nykyisin esiin ovat nousseet a) aktiiviset ja b) peittävät pinnoitteet. 62

63 Aktiiviset pinnoitteet Biologisesti aktiiveja materiaaleja voidaan lisätä polymeerimatriisiin tai sitoa polymeerimateriaalista valmistetun lääkinnällisen laitteen pinnalle. Nämä bioaktiiviset pinnoitteet estävät veren hyytymisen muodostumista vaikuttamalla veren fysiologiseen vasteeseen. 63

64 Aktiiviset pinnoitteet Monissa aktiivissa pinnoitteissa bioaktiivisen aineena toimii hepariini. Esimerkiksi STS Biopolymers Inc. valmistamassa Medi- Coat pinnoitteessa hepariini on pääroolissa. Medi-Coat muodostuu useasta erilaisesta polymeerimateriaalikerroksesta, jotka sisältävät hepariinia. Joutuessaan veren kanssa kosketuksiin, hepariini vapautuu hitaasti vereen sen kerroksellisen rakenteensa johdosta.. 64

65 Aktiiviset pinnoitteet Jotta Medi-Coat soveltuisi erilaisien lääkinnällisten laitteiden pinnoitteiksi, sen polymeerikerrosten materiaaleja vaihtamalla voidaan vaikuttaa hepariinin vapautumisnopeuteen. Medi-Coat voi luovuttaa hepariinia jopa yli kuukauden ajan vereen. 65

66 Aktiiviset pinnoitteet Hepariinia sisältäviä pinnoitteita pitkävaikutteisempia ovat pinnoitteet, jotka sisältävät hepariinia vahvistavia aineita. Tällaiset aineet sisältävät sokerin rakenneyksikköä toistavia ketjuja 66

67 Peittävät pinnoitteet Peittävällä pinnoitteella tarkoitetaan pinnoitetta, jonka avulla veri ei huomaa vierasesinettä kehossa. Tällaisia pinnoitteita on jo markkinoilla, esimerkiksi Hemoteq GmbH:n kehittämä Gamouflage. 67

68 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Ihmiskehon vaikutus polymeerimateriaaleihin

69 Ihmiskeho ja polymeerimateriaali Ihmiskehon vaikutusta polymeerimateriaaleihin on helpompi ennustaa kuin polymeerimateriaalista valmistettujen lääkinnällisten laiteiden vaikutusta ihmiskehoon. Ihmiskeho voi vaikuttaa lääkinnällisten laitteiden polymeerimateriaaleissa muun muassa fysikaalis-mekaanisesti ja biologisesti. 69

70 Fysikaalis-mekaaniset vaikutukset Abrasiivinen kuluminen Väsyminen Korroosio Rappeutuminen Liukeneminen 70

71 Biologiset vaikutukset Kudosaineiden absorptio Entsyymien aiheuttama hajoaminen Kalkkeutuminen 71

72 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Biohajoavuus

73 Biohajoavat ja biostabiilit polymeerimateriaalit Polymeerimateriaalit voivat olla biostabiileja tai biohajoavia. Biohajoavilla polymeerimateriaaleilla tarkoitetaan materiaaleja, jotka hajoavat käytön aikana tai heti sen jälkeen. Myös biostabiilit polymeerimateriaalit hajoavat, mutta niiden hajoaminen tapahtuu huomattavasti pidemmällä aikavälillä. Niin biohajoavia kuin biostabiileja polymeerimateriaaleja käytetään lääkinnällisissä laitteissa 73

74 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Biohajoavuus: Biohajoavat polymeerimateriaalit ja lääkinnälliset laitteet

75 Biohajoavuuden edut Biohajoavan polymeerimateriaalin käyttö lääkinnällisissä laitteissa voi tuoda monia etuja biostabiileihin materiaaleihin verrattuna. Esimerkiksi luunmurtuma voidaan korjata jäykällä, ei-biohajoavalla ruostumattomalla teräsimplantilla, joka joudutaan poistamaan luun korjautumisen jälkeen. Poistaminen saattaa kuitenkin aiheuttaa luun uudelleen murtumisen. Biohajoavista polymeerimateriaalista tehdyllä implantilla kyseistä riskiä ei muodostu ja samalla yksi ylimääräinen kirurginen toimenpide vältetään implantin hajotessa itsestään kehossa 75

76 Biohajoavuuden edut Biohajoavia polymeerimateriaaleja voidaan käyttää ihmiskehoa korvaavien lääkinnällisten laitteiden lisäksi myös lääkkeiden annostelumateriaalina. Tällöin biohajoavat polymeerimateriaalit voivat toimia samalla sekä implanttimateriaalina että lääkkeen annostelumateriaalina tai sen tehtävä on pelkästään annostella lääkettä ihmiskehoon. 76

77 Jako alkuperän mukaan Biohajoavat polymeerimateriaalit jaotellaan yleensä niiden alkuperän mukaan luonnon, puolisynteettisiin ja synteettisiin polymeerimateriaaleihin. Alifaattiset polyesterit, kuten polylaktidit (PLA), polyglykolidit (PGA) ja Poly-ε-karpolaktonit (PCL) sekä näiden kopolymeerit ovat tunnetuimpia lääkinnällisissä laitteissa käytettyjä synteettisiä biohajoavia polymeerimateriaaleja. Luonnosta peräisin oleviin, lääkinnällisissä laitteissa käytettyihin biohajoaviin polymeerimateriaaleihin taas kuuluvat muun muassa proteiiniperäinen albumiini sekä polysakkarideihin kuuluva tärkkelys, kitiini ja kitosaani. 77

78 Synteettisten biohajoavien polymeerimateriaalien tyypillisiä käyttökohteita lääkinnällisissä laitteissa ortopediset kohteet, kuten: ruuvit nuolet levyt naulat ommellangat toimiminen lääkeaineen matriisimateriaalina kudosteknologiset scaffordit eli tukirakenteet 78

79 Luonnon biohajoavat polymeerimateriaalien tyypillisiä käyttökohteita verisuonituotteet luusementti sarveiskalvon suoja verivuoden tukkimiseen tarkoitettu materiaali 79

80 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Biohajoavuus: Biohajoavien polymeerimateriaalien hajoamismekanismit ihmiskehossa

81 Hydrolyyttinen ja entsymaattinen hajoaminen Synteettisten biopolymeerien hajoaminen elimistössä tapahtuu yleensä hydrolyyttisesti eli sen kemialliset sidokset katkeavat veden vaikutuksesta. Joskus myös entsyymit voivat osallistua näiden polymeerimateriaalien hydrolyyttiseen hajoamiseen kiihdyttämällä hajoamista. Luonnon biopolymeereillä hajoaminen taas tapahtuu tyypillisesti entsyymien avulla. 81

82 Hydrolyyttinen hajoaminen Biopolymeerien hydrolyyttinen hajoamista ihmiskehossa voidaan käsitellä bulkki- ja pintaeroosion kautta. Bulkkieroosiossa tuote hajoaa kauttaaltaan samanaikaisesti koko kappaleessa, kun taas pintaeroosiossa hajoaminen tapahtuu pinnan kautta. 82

83 Hydrolyyttinen hajoaminen Syy tähän on polymeerimateriaalin veden absorptiokyky. Bulkkieroosiolla biohajoavat polymeerimateriaaleilla veden absorptio on nopeampaa kuin hydrolyyttinen hajoaminen. Pintaeroosiolla biohajoavien tuotteiden veden absorptio on taas hitaampaa kuin hydrolyyttinen hajoaminen. 83

84 Bulkkieroosion 2 vaihetta 2. vaihe: Vesi tunkeutuu aluksi materiaaliin vaikuttaen amorfisiin osiin vaikuttaen niiden kemiallisiin sidoksiin. Tällöin materiaalin moolimassa pienenee, mutta sen fysikaaliset ominaisuudet säilyvät muuttumattoman kiteisen matriisin johdosta. Pian moolimassan laskun jälkeen kuitenkin myös materiaalin fysikaaliset ominaisuudet alkavat laskea kuvan mukaisesti veden alkaessa hajottaa polymeeriketjuja osiin. 84

85 Bulkkieroosion 2 vaihetta 2. vaihe: Materiaalin massa alkaa pienetä kunnes polymeeriketjut ovat pilkkoutuneet oligomeereiksi tai monomeereiksi. Tässä vaiheessa myös entsyymit voivat kiihdyttää hydrolyyttistä hajoamista madaltamalla hydrolyysin vaatimaa aktivaatioenergiaa. Koska entsyymit eivät pysty diffundoitumaan materiaalin sisäosiin, osallistuu se katalysoivasti vain tuotteen pinnalla. 85

86 Kuva Bullkieroosiossa tapahtuva moolimassa, vetolujuuden ja massan pieneneminen ajan suhteen. 86

87 Pintaeroosio Pintaeroosiossa hydrolyysi on nopeampaa kuin veden absorptio, jolloin materiaalin koko ja massa alkaa pienetä ajan funktiona pinnan hydrolyyttisen hajoamisen johdosta. Tällöin pinnan alla olevan materiaalin moolimassa sekä muut ominaisuudet pysyvät suhteellisen samana. 87

88 Pintaeroosio Tuotteen dimensioiden pienetessä mekaaniset ominaisuudet kuitenkin heikkenevät tuotteessa. Pintaeroosion kautta biohajoavien polymeerimateriaalien mekaaniset ominaisuudet säilyvät kuitenkin huomattavasti pidempään parempana kuin bulkkieroosiolla hajoavien, joten niiden katsotaan soveltuvan paremmin lääkinnällisten laitteiden materiaaleiksi 88

89 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät: Biohajoavuus: Biohajoavien polymeerimateriaalien veden absorptioon vaikuttavat tekijät

90 Polymeerimateriaalien veden absorptiokykyyn, ja täten boihajoavuuteen vaikuttaa muun muassa Kemiallinen rakenne. Kiteisyys Huokoisuus. Ympäristön lämpötila 90

91 Kemiallinen rakenne Hydrofiilisten eli veteen liukenevat polymeerimateriaalit absorboivat helposti vettä itseensä. Tämä johtuu niiden kemiallisesta rakenteesta. Niiden polaariset sivuryhmät vetävät polaarisia vesimolekyylejä puoleensa johtaen hyvään veden absorptiokykyyn. 91

92 Kemiallinen rakenne Hydrofobiset polymeerimateriaalit ovat puolestaan vettä hylkiviä materiaaleja. Tällaiset polymeerimateriaalit ovat taas yleensä poolittomia polymeerimateriaaleja. 92

93 Kemiallinen rakenne Polymeerimateriaalien biohajoavuuden onkin katsottu määräytyvän seuraavasti hydrofobisuuden kannalta katsottuna: Hydrofobiset polymeerimateriaalit, jotka eivät sisällä hydrolysoituvia sidoksia, ovat stabiileimpia. Hydrofiiliset polymeerimateriaalit, jotka vastustavat hajoamista, ovat toiseksi stabiileimpia. Hydrofobiset polymeerimateriaalit, jotka sisältävät hydrolysoituvia sidoksia, ovat kolmanneksi stabiileimpia. Hydrofiiliset polymeerimateriaalit, jotka sisältävät hydrolysoituvia sidoksia, hajoavat herkimmin. 93

94 Kiteisyys Osakiteisten materiaalien kiteisiin osiin vesi ei pääse tunkeutumaan niin helposti, joten suuri kiteisyysaste johtaa hitaampaan veden absorptioon. 94

95 Epäpuhtaudet ja lisäaineet Vaikutus riippuu täysin näiden aineiden luonteesta ja rakenteesta. Esimerkiksi vesi voi päästä hyvin nopeasti syvällekin rakenteeseen materiaalin sisältämän pitkäkuituisen lasikuidun pintaa pitkin kapillaari-ilmiön ansiosta. 95

96 Huokoisuus Vesi pystyy diffundoitumaan helpommin huokoisessa kuin itse polymeerimateriaalissa, joten huokoisuus lisää veden absorbtiokykyä. Kosteutta sisältävän ja kuivan mikrohuokoisen veden konsentraatioero taas johtaa veden siirtymiseen märästä huokoisesta kuivempaan huokoiseen. 96

97 Ympäristön lämpötila Huokoisissa olevan veden lämpötila nousu voi lopulta johtaa veden höyrystymiseen huokoisissa. Tällöin paineen nousu huokoisissa pyrkii työntämään vettä esimerkiksi viereisiin tyhjiin huokoisiin. Lämpötilan nousu vaikuttaa myös polymeeriketjun vapausasteiden lisääntymiseen, eli liikkuvuuden lisääntymiseen. Kun ketjut liikkuvat, niiden väliin jää hetkellisesti isompia aukkoja, jotka tarjoavat vesimolekyyleille liikkumistien konsentraatioerojen tasaamiseksi. 97