Biomat a er e ia i alit i 1 Janne Raula 2010



Samankaltaiset tiedostot
Biomolekyylit ja biomeerit

Nanoteknologian mahdollisuudet lääkesovelluksissa

L10 Polyelektrolyytit pinnalla

EPIONEN Kemia EPIONEN Kemia 2015

Tämä teksti on lyhennelmä Suomalaisen

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

L10 Polyelektrolyytit liuoksessa

Biopolymeerit. Biopolymeerit ovat kasveissa ja eläimissä esiintyviä polymeerejä.

Polymeerien käyttäytyminen ja reologia

Clinical impact of serum proteins on drug delivery Felix Kratz, Bakheet Elsadek Journal of Controlled Release 161 (2012)

Advanced Materials Araldite 2031 TUOTESELOSTE

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

Peruskoulu (demonstraatio) / lukio (demonstraatio, oppilastyö ja mallinnus)

Pidempiä työuria henkilökohtaisilla varaosilla?

NIMI: Luokka: c) Atomin varaukseton hiukkanen on nimeltään i) protoni ii) neutroni iii) elektroni

Luennon 5 oppimistavoitteet. Soluseinän biosynteesi. Puu Puun rakenne ja kemia. Solun organelleja. Elävä kasvisolu

Advanced Materials Araldite 2048 TUOTESELOSTE

Rak Tulipalon dynamiikka

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa osa III

Advanced Materials Araldite TUOTESELOSTE

kemiallisesti puhdas vesi : tislattua vettä käytetään mm. höyrysilitysraudoissa (saostumien ehkäisy)

Matti Palmroos Tarralaminaatin valmistus

Kiteisyys ja amorfisuus CHEM-C2400 Materiaalit sidoksesta rakenteeseen

CHEM-A1200 kurssin laboratoriotöiden tulosten yhteenveto syksy 2016

54 RYHMÄ TEKOKUITUFILAMENTIT; KAISTALEET JA NIIDEN KALTAISET TAVARAT TEKSTIILITEKOKUITU- AINEESTA

Biokemian perusteet : Hemoglobiini, Entsyymikatalyysi

Keraamit ja komposiitit

54 RYHMÄ TEKOKUITUFILAMENTIT; KAISTALEET JA NIIDEN KALTAISET TAVARAT TEKSTIILITEKOKUITU- AINEESTA

VESI JA VESILIUOKSET

HEIKOT VUOROVAIKUTUKSET MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET

SUPERABSORBENTIT. Kemian opetuksen keskus Helsingin yliopisto Superabsorbentit Opettajan ohje

Advanced Materials Araldite TUOTESELOSTE

Liitetaulukko 1/11. Tutkittujen materiaalien kokonaispitoisuudet KOTIMAINEN MB-JÄTE <1MM SAKSAN MB- JÄTE <1MM POHJAKUONA <10MM

Voivat olla: - täysin synteettisiä - osaksi synteettisiä - luonnon tuotteisiin pohjautuvia (selluloosa, tärkkelys)

Määräys STUK SY/1/ (34)

Luonnonkuidusta lujitteeksi. Kumi-instituutin ja TTY:n Luomaprojektin kevätseminaari Päivi Lehtiniemi,TTY

Mitkä ovat aineen kolme olomuotoa ja miksi niiden välisiä olomuodon muutoksia kutsutaan?

MUOVIT VAATETUSTEKNIIKASSA

SELLULOOSAN NANOVIIKSIEN JA NIIDEN POLYETEENIKOMPOSIITTIEN VALMISTAMINEN. Janne Karhe

Kolme lineaaristen polyamidien valmistusmenetelmistä on kaupallisesti merkittäviä:

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Selluloosan rakenne ja ominaisuudet

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Polystyreeni on aromaattinen polymeeri, jota valmistetaan aromaattisesta styreenimonomeerista

Polymeerit: Polymeerien rakenteet

VII JAKSO MUOVIT JA MUOVITAVARAT; KUMI JA KUMITAVARAT

Lääkeimplantaatit teknologia lääkehoidon palveluksessa

MUOVIA MAIDOSTA. AVAINSANAT: Arkikemia Proteiinit Denaturoituminen Polymeerit Happamuus

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Heikot sidokset voimakkuusjärjestyksessä: -Sidos poolinen, kun el.neg.ero on 0,5-1,7. -Poolisuus merkitään osittaisvarauksilla

Mitä elämä on? Astrobiologian luento Kirsi

Nanoteknologian tulevaisuuden näkymistä. Erja Turunen Vice President, Applied Materials

Advanced Materials Araldite 2021 TUOTESELOSTE

Polymeerit: Polymerointimekanismit

Biohajoavien ja biostabiilien polymeerien aiheuttamat pehmytkudosreaktiot

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

MINERAALI- TUOTTEET Kierrätys ja Mineraalituotteet

Drug targeting to tumors: Principles, pitfalls and (pre-) cilinical progress

BIOMUOVIA TÄRKKELYKSESTÄ

Mitä hiiva on? Märehtijän ruokinta

Joensuun yliopisto Kemian valintakoe/

Lääkeaineen vapautus polymeerimatriisista. Sanja Asikainen Biologisten ilmiöiden mittaaminen ELEC-A

Maan happamuus ja kalkitus. Ravinnepiika, kevätinfo Helena Soinne

LIIMAT, LIISTERIT JA SIDEAINEET

Tekstiiliteollisuuden uudet innovaatiot

Dislokaatiot - pikauusinta

Henkilötunnus - Biokemian/bioteknologian valintakoe. Sukunimi Etunimet Tehtävä 1 Pisteet / 20

Voimalaitoksen vesikemian yleiset tavoitteet ja peruskäsitteitä

b) Reaktio Zn(s) + 2 Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2 Ag (s) tapahtuu galvaanisessa kennossa. Kirjoita kennokaavio eli kennon lyhennetty esitys.

Designing switchable nanosystems for medical applica6on

Metallipitoisten vesien puhdistaminen luonnonmateriaaleilla

Lääkkeen vaikutukset. Lääkemuodot ja antotavat

Farmasian tutkimuksen tulevaisuuden näkymiä. Arto Urtti Lääketutkimuksen keskus Farmasian tiedekunta Helsingin yliopisto

782630S Pintakemia I, 3 op

Rak Betonitekniikka 2 Harjoitus Rakennussementit, klinkkerimineraalikoostumus ja lämmönkehitys

Proteiinilääkkeet luento

Nanomateriaalit jätteissä. Hanna-Kaisa Koponen Teknologiakeskus KETEK Oy

Tiedelimsa. KOHDERYHMÄ: Työ voidaan tehdä kaikenikäisien kanssa. Teorian laajuus riippuu ryhmän tasosta/iästä.

tf f t a) osittain kiteinen termoplastinen polymeeri c) elastomeeri eli kumi

Advanced Materials Araldite 2022 TUOTESELOSTE

Advanced Materials Araldite TUOTESELOSTE

LIIMAT, LIISTERIT JA SIDEAINEET

REFLUKSITAUTI JA HAMPAIDEN TERVEYS. S u o m e n R e f l u k s i

Nanotäyteaineet kumissa

Muovi-ilmiö 2.0. Maija Pohjakallio. [Kirjoita teksti]

12. Amiinit. Ammoniakki 1 amiini 2 amiini 3 amiini kvarternäärinen ammoniumioni

Hinnasto. Voimassa 8 / 2015 alkaen

Muovitulostuksen mahdollisuudet mallien ja keernalaatikoiden valmistuksessa Riku Rusanen, Prenta Oy

Päiväys: Edellinen päiväys:

2.1.3 Pitoisuus. 4.2 Hengitys Tuotetta hengittänyt toimitetaan raittiiseen ilmaan. Tarvittaessa tekohengitystä, viedään lääkärin hoitoon.

Tekstiiliteknologia tuottaa pehmeitä ja miellyttäviä materiaaleja, jotka reagoivat kehon oman energian ja lämmön kanssa. Back2You -vaatteiden

VII JAKSO MUOVIT JA MUOVITAVARAT; KUMI JA KUMITAVARAT

Talousveden laatu ja verkostot

Siilinjärven kaivoksen rikastushiekan hyödyntäminen pilaantuneen maaperän kunnostamisessa

Vastaa lyhyesti selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

Muovin ja elastomeerin liimausopas

1. Materiaalien rakenne

Termoplastiset polyesterit: Polyeteenitereftelaatti

Fysikaaliset ominaisuudet

Transkriptio:

Biomateriaalit Janne Raula 2010 1

http://www.mogulenterprises.com/prod03.htm http://www.micromuscle.com /applications/drug_delivery/ http://www.huntervascular.com/thoracicaortic-aneurysm/ http://www.inion.com/ MN patch for TD delivery http://kevincooperddspc.com/implants.html Nature Clinical Practice Cardiovascular Medicine (2007) 4, 389-395 http://biomed.brown.edu/courses/bi108 /BI108_2005_Groups/08/index.html Biomaterials 29 (2008) 2113-2124; Pharm. Res., 23 (2006), 1008-1019 Wermeling D P et al. PNAS 2008;105:2058-2063 2

Määritelmiä biomateriaalille Biomateriaali Biomateriaali on materiaali, jota käytetään lääketieteellisessä laitteessa tarkoituksena vuorovaikuttaa biologisten systeemien kanssa. Biomateriaaliksi sanotaan mitä tahansa vierasta materiaalia, jota käytetään apuna elävän kudoksen korjaamisessa tai hoitamisessa. Biomateriaalit ovat synteettisiä tai luonnollisia materiaaleja, joiden avulla voidaan tuottaa, korvata tai hoitaa elävää kudosta. Bioyhteensopivuus Bioyhteensopiva materiaali on jatkuvassa vuorovaikutuksessa elimistön solujen ja kudosten kanssa eikä aiheuta elimistön hylkimistä. Materiaalit, joita käytetään lääketieteellisessä sovelluksissa, pitää olla pääasiallisesti > myrkyttömiä > bioyhteensopivia 3

Yleisimmät biomateriaalit Silikonit -Käytetään monissa lääketieteellisissä sovelluksissa, joissa tarvitaan kumimaisia ominaisuuksia: letkut ja päällystykset Polyuretaanit (PU) -Pehmeitä ja kovia materiaaleja moniin biolääketieteellisiin sovelluksiin Teflon (polytetrafluoroeteeni) (PTFE) -Goretex huokoinen Teflon käytetään synteettisenä verisuonten tukina ja lukuisissa kirurgisissa ja bioteknologisissa sovelluksissa. Hydrogeelit -implanteissa, pehmeissä kontaktilinsseissä, jne Poly(etyleeniglykoli) (PEG) -PEG liitettynä entsyymeihin ja proteiineihin pidentävät viipymäaikaa in vivo -PEG-pintamodifiointi vastustaa proteiinien adherointia PHEMA 4

Yleisimmät biomateriaalit Poly(lactidi-co-glykolihappo) (PLGA) - PLGA kopolymeeria käytetään sovelluksissa, joissa tarvitaan hallittua hajoamisaikaa ja vahvuutta -> haavaompeleet, kontrolloitu lääkkeenvapautuminen, huokoiset kasvutuet kudosteknologiaan Lactic acid + Glycolic acid Hydroksiapatiitti (HA) -Eniten tutkittu luun paranemiseen Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) Titaani (Ti) -Ti implantit esim. leukaluihin Ti Biolasi -Ensimmäinen täysin synteettinen materiaali, joka sitoo luun -BioGlass on erittäin reaktiivinen vedessä ja näin bioaktiivinen Sisältää SiO 2, Na 2 O, CaO ja P 2 O 5 5

Biomateriaalien käyttö sovelluksissa Monet lääketieteen sovellukset perustuvat metalliseoksiin ja luonnonpolymeereihin Metalli-implantit eivät poistu kehosta Luonnonpolymeerien koostumuksen laatu vaihtelee suuresti Synteettisten polymeerien ominaisuuksia voidaan räätälöidä halutunlaiseksi Mekaaniset ominaisuudet (kovuus, jäykkyys, venymä...) Liukoisuusominaisuudet (hydrofobisuus/-fiilisyys, ioniset ominaisuudet) Hajoamisominaisuudet (poistuminen kehosta paranemisen jälkeen tai sen yhteydessä) Lääkkeen kuljettaminen ja kiertoajan pidentäminen kehossa (hallittu lääkkeenvapautuminen) Lääkkeen ohjaaminen kohteeseen (kohdespesifinen kohdentaminen esim. syöpäsoluun) 6

Lyhyt katsaus biomateriaalien käyttöön lääketieteessä 1936-48 PMMA used in contact lenses 1958 First successful direct stimulation of heart In the beginning of the era: Gold in dentistry wooden teeth Glass eye 1860 s Aseptic surgery introduced 1900 s: Metal bone plates Used for breaks and fractures 1926 Used carpenter s screw for femoral neck fracture fixation 1930 s PMMA used in dentistry 1940 s PMMA used in Cornea replacement surgery 1938 First total hip replacement 1952 First blood vessel replacement made for cloth 1944 Hemodialyser, Cellulose acetate (cellophane) 1939 PVP as plasma expander 1958 First use of acrylic bone cement in total hip replacement 1953 Intraortic balloon pumping Beyong 2000 s Artificial skins from polymers Internal kidney dialysis machine Polymeric nanomedicine Personalized health care Etc. 1971 First orthopedic fixation by PLA 600 BC Nose reconstruction Late 18th-19th century: Various metal devices to fix fractures; Wires and pins made of Fe, Au, Ag and Pt 32 000 yrs ago Sutures 1893-1912 Steel screws and plates for fracture fixation 1936 Vitallium (19 w/o Cr-9 w/o Ni stainless steel) 1912 Vanadium steel plate, first alloy developed exclusively for medical use; less stress concentration and corrosion 1931 Designed first femoral neck fracture fixation nail made originally from stainless steel, later chaged to Vitallium 1946 First biomechanically designed hip prothesis. First plastics used in joint replacement 1950-60 s Artificial heart (polyurethanes) and dialysis (cellophane) machines introduced 1953 DNA-model 1970-80 s Eye glass lens are made of PMMA, Contact lenses by PHEMA 1960 Heart valve Silicone and PMMA 1960 s Poly(lactic-glycolic acid) mechanical properties comparable to Dacron 1963 Biodegradable suture 1980 s Artificial heart 1966 First degradation and toleration demontration of PLA in animals 1969 Bioglass in orthopedic surgery 1980 s Intraocular lenses 1990-2000 s More than half of biomaterial applications are made of or contain some polymer 7

Muutamia esimerkkejä polymeereistä lääketieteessä Lasitilan polymeerit Pehmeät muovit ja kumit 8

Muutamia esimerkkejä polymeereistä lääketieteessä Kiteiset muovit ja kuituja muodostavat polymeerit Vesiliukoiset ja vedessä turpoavat polymeerit ja hydrogeelit 9

Polymeerien yleisiä ominaisuuksia liuoksessa Erilaiset polymeerirakenteet liuoksessa Turvonnut vyyhti (hyvin liukoinen polymeeri on spagetti) Misellit, aggregaatit, verkkorakenteet (hydrofobinen vuorovaikutus) Ioniset ja muut kompleksit (ioninen vuorovaikutus ja vetysitoutuminen) Liuos määrää polymeerin käyttäytymisen Järjestyminen liuoksessa (faasierottuminen) Hiukkasmuoto, -koko ja kokojakauma (esim. Käänteinen emulsio) Lääkkeen lataaminen ja vapautuminen polymeerisestä systeemistä + + + + + Turvonnut vyyhti Ioninen kompleksi Muu kompleksi Miselli, aggregaatti 10

Kiinteät polymeerit lääketieteessä 11

Polymeeri-lääke lääke liuoskombinaatiot lääketieteessä 12

Mitä makromolekyylit ovat Makromolekyylit muodostuvat toisiinsa kovalenttisesti liittyneistä yksiköistä, monomeereistä C C Monomeerejä N n O N n O n O NH C O C N O H * n * * R n * * O N H N n * O O * OCH 2 CH 2 O n * 13

Polymeerien syntetisointi Valmistetaan yleensä additio- tai kondensaatiopolymeroinnilla. Additiopolymeroinnissa liitetään vinyylifunktionaalisia monomeerejä toisiinsa: I-I I + I initiaattori n H 2 C CRH * R n * Joitakin polymeerejä additiopolymeroinnilla: Poly(eteeni), poly(propeeni), poly(vinyylikloridi), poly(styreeni), poly(metyylimetakrylaatti),poly(butadieeni), poly(tetrafluorietyleeni), poly(akryylihappo), poly(vinyylialkoholi) 14

Polymeerien syntetisointi Kondensaatiopolymeroinnissa erilaiset bifunktionaaliset monomeerit reagoivat kondensaatioreaktiolla COOH NH HOOC + 2 H 2 N O H * O N H N n * + HOH 2 O 2 Poly(amidit), poly(esterit), poly(uretaanit), 15

Luonnon polymeerit Luonto on täynnä erilaisia polymeerejä, proteiinit, DNA polysakkaridit, jne. Kollageeni on esimerkiksi neljän aminohapon kopolymeeri O Glutaraldehydi Glutaraldehyde O HO H 2 N OH Selluloosa N H 2 O OH N H 2 O OH N H HO Glysiini Glycine Hydroksilysiini Hydroxylysine Proline Hydroksiproline Hydroxyproline O N H HO O Aminoacids of Collagen 16

Kopolymeerit Eri monomeerejä voidaan yhdistellä lähes rajattomasti, jolloin saadaan kopolymeerejä + Toluene 60 C AIBN Cl Cl Monomeerit voivat olla täysin satunnaisesti jakautuneita tai ne voivat olla erillisinä lohkoina. Erilaisia yhdistelmiä lähes ääretön määrä Esim. proteiinit ovat eri aminohappojen kopolymeerejä 17

Polymeerien arkkitehtuuri Polymeerien arkkitehtuuri vaikuttaa polymeerin käyttäytymiseen Eri osat voivat olla kemiallisesti erilaisia, jolloin saadaan esim. amfifiilisiä rakenteita Rakenteita: lineaarinen, lohkomainen, haaroittunut, verkkomainen,tähtimäinen, kampamainen 18

Polymeeri liuoksessa Pääketjun atomien rotaatio pakottaa ketjun vyyhdiksi liuoksessa Ketjun kokoon vaikuttaa mm. liuottimen termodynaaminen hyvyys, pääketjun jäykkyys, sivuryhmät Ketju on jatkuvassa liikkeessä itsensä ja ympäristön suhteen johtuen lämpöliikkeestä Turvonnut satunnaisvyyhti Kokoonpuristunut polymeeriketju 19

Polymeerigeelit Muodostuvat joko kovalenttisin sidoksin ristisilloitetuista ketjuista tai ns. fysikaalisten, heikkojen sidosten vaikutuksesta. Toisiinsa kietoutuneet erittäin suurimoolimassaiset polymeeriketjut hyvässä liuottimessa muistuttavat geelejä. Myös esim. Lohkopolymeerit voivat muodostaa geelin, PEO-PPO-PEO Turvonnut hydrogeeli 1 cm Polymeeriverkko 10 nm 20

Kiinteiden polymeerien ominaisuus lämpötilariippuvaista Polymeerien lasisiirtymälämpötiloja Semikiteinen Polymeeri Polyeteeni (LDPE) T g ( C) 125 tai 30 (refd) Vetojännitys Kumi Elastomeeri Polypropyleeni (atactic) 20 Polyvinyyliasetaatti (PVAc) 28 Polyetyleenitereftalaatti (PET) 79 Polyvinyylialkoholi (PVA) 85 Polyvinyylikloridi (PVC) 81 T g Lineaarinen amorfinen Temperature T m Polystyreeni 95 Polypropyleeni (isotactic) 0 Poly(metyylimetakrylaatti) (atactic) 105 Silica 1175 Materiaalin jäykkyys riippuu lämpötilasta 21

Polymeerit lääketieteessä Apuaineina Kalvomateriaaleina, viskositeetin säätäjänä, lujuuden säätäjänä, lääkkeen viipymäajan pidentäjänä, jne Lääkkeen vapauttajina Biohajoavat, liukenevat, turpoavat, vasteelliset Polymeeriset lääkejohdannaiset Prodrug-konsepti, polymeeri-proteiini -konjugaatit Lääkkeen kuljettajana Aktiivinen ja passiivinen Polymeeriset misellit, nanopartikkelit 22

Polymeeriformulaatiot lääketieteessä Liuos Viskoottisuuden ja limakalvoadhesiivisyyden lisääminen esim. silmätipoissa Emulsio, voide, tahna Riippuen sovelluskohteesta, esim. lääkesalvat Hydrogeelit Kemiallinen tai fysikaalinen geeli Kietoutumat muodostavat solmukohtia Kovalenttiset sidokset muodostavat solmukohtia Kuivajauheet Esim. Tabletit ja inhaloitavat kuivajauheet Fys. geeli Kem. geeli 23

Esimerkkejä erilaisista polymeeriformulaateista Tabletit ja kapselit Hydrogeelit Limakalvoadhesiiviset polymeeriseokset Kudosteknologiset sovellukset Polymeeriset lääkejohdannaiset Nanolääketiede - lääkenanopartikkelit 24

Tabletit ja kapselit 70% kaikista lääkeformulaateista on kiinteitä lääkemuotoja Potilaalle mukavin annostelutapa Hyvät valmistusperinteet ja tavat Kustannustehokasta Kaksi pääsääntöistä lääkkeenvapautumismenetelmää Välitön vapautuminen Muokattu vapautuminen 25

Ihmisen ruoansuolistoelimet Kiinteä annosmuoto saman fysiologisen prosessin kuin ruoka: Erittyminen, kulkeutuminen, ruoansulatus, imeytyminen ja erittyminen (kuona) ph:ta, painetta ja suolistobakteereita voidaan käyttää hyväksi lääkkeenvapauttamisessa 26

Lääkemuodot, joissa välitön vapautuminen Tabletit Polymeerit auttavat prosesoinnissa tai suojaavat lääkettä hajoamiselta säilymisen aikana Lääkkeen imeytyminen ja tehokkuus voidaan hallita polymeerilla Polymeerisilla kalvoilla peitetään pahanmakuinen lääke Yleisesti käytettyjä polymeerejä Tärkkelys ja selluloosa Mikrokiteinen selluloosa Hydroksipropyyli selluloosa (HPMC) Polyvinyylipyrrolidoni (PVP) Cellulose HPMC PVP Each tablet contains the active ingredient : Paracetamol Ph Eur 500mg Also contains : Starch, Polyvidone, Potassium Sorbate (E202), Talc and Stearic Acid. The film coating contains Hydroxypropyl Methylcellulose and Triacetin Ketorin 25 mg tablettien vaikuttava aine on ketoprofeeni, jota on 25 milligrammaa yhdessä tabletissa. Apuaineet ovat mannitoli, maissitärkkelys, mikrokiteinen selluloosa, natriumtärkkelysglykolaatti (tyyppi A), povidoni ja magnesiumstearaatti. Active ingredient: Isosorbide-5- mononitrate 60 mg Excipients: Hydroxypropyl methyl cellulose, lactose, methyl cellulose, polyethylene glycol, copolividone, precipitated silica, magnesium stearate. 27

Lääkemuodot, joissa välitön vapautuminen Kapselit Lääke kapseloidaan polymeerikalvolla Lääkkeen vapautuminen kaplesista polymeerin liukenemisen kautta Gelatiini (luonnon polymeeri) Hydroksipropyylimetyyliselluloosa (synteettinen) Pehmeitä yksiosaisia gelatiini kapseleita Kovia kaksiosaisia HPMC kapseleita 28

Lääkemuodot, joissa muokattu vapautuminen Lääkkeenvapautumista pidentävät muodot Vapauttaa lääkkeen tasaisesti ruoansulatuskanavassa Pitävät lääkeannoksen terapeuttisella tasolla Polymeerit Ammoniummethakrylaatti polymeerit (Eudragit RS and RL) Selluloosa johdannaiset Polyvinyyliasetaatti Lateksit, emulsiot, dispersiot Parasetamolin vapautuminen HPMCkapselista, joka on päällystetty Eudragit L30D-55 ja FS30D ph 6.8 ph 7.4 ph 1.2 29

Hydrogeelit Hydrogeelit ovat viskoottisia ja turpoavia 3D-rakenteita Voivat turvota 1000-kertaisestikin vedessä Turpoamista ja lääkkeevapautumista voidaan säädellä esim. Lämpötilalla, ph:lla, ionivahvuudella, jne Kemiallinen geeli Fysikaalinen geeli kietoutumat 30

Hydrogeelit Ympäristövasteelliset hydrogeelit Vaste (turpoaminen/kutistuminen) valon, lämpötilan, ph:n, ionivahvuuden jne. avulla Turpoamissuhde R s = (W s W d ) / W d W s =turvonneen tilan paino W d =kuivan tilan paino Poly(N-isopropyyli acrylamide) pohjaiset geelit 31 31

Hydrogeelit Joitakin vasteellisia hydrogeelejä 32

Limakalvoadhesiiviset polymeerisysteemit Limakalvot: silmä, suu, vagina, ruoansulatuskanava, nenä, keuhkot ja peräsuoli Limakalvojen yhtenä tehtävänä on poistaa tehokkaasti vierasaineita kehosta Jotta lääke pysyisi tarpeeksi kauan kohteessa, lääkeliuokseen lisätään polymeeriä lisäämään adheesiota Ns. Bioadhesiiviset materiaalit ovat luonnon tai synteettisiä materiaaleja, jotka voivat kiinnittyä biologisiin pintoihin ja pysyä siinä pidemmän aikaa 33

Limakalvoadhesiiviset polymeerisysteemit Keskimääräinen liuoksien poistumisaika eri limakalvoilta Limakalvo Ilman bioadhesiivia Polycarbophiliin kanssa Silmä 1-2 min 12-15 tuntia Nenä 2-60 min 6-12 tuntia Suu 2-30 min 6-12 tuntia Suoli 1-3 tuntia 6-10 tuntia Vagina 30-90 min 3-4 päivää 34

Bioadhesiivien ominaisuudet Adheesiovuorovaikutus Van der Waals -voimat Vetysidosvoimat (pääasiallinen adheesiomekanismi) Hydrofobiset vuorovaikutukset Sähköstaattiset vuorovaikutukset Polymeerien hydrofiilisyys Karboksyyli-, hydroksyyli-, amidi- and sulfaattiryhmät Polymeerin varaus Anioniset polymeerit kiinnittyvät limaan vetysidoksin Kationiset polymeerit kiinnittyvät sähköstaattisin voimin (ph 7.4) Limakalvon glukoproteiinit Oligosakkaridi-sivuketjuja, joissa siaalihappoja Proteiinirunko Siaalihappo 35

Bioadhesiivien ominaisuudet Hydrogeeleissä verkon tiheys Mitä suurempi on geelin solmukohtien (crosslink) tiheys, sitä vähemmän geeli turpoaa Polymeerin molekyylipaino Optimimolekyylipaino riippuu polymeerista Polyakryylihappo ~ 750 kda Polyethyleenioksidi ~ 4 000 kda Dextran ~ 200 20 000 kda Polymeeriketjun joustavuus ja liukenemisnopeus Kietoutumien määrän lisääminen Adheesiovoimakkuus Muuta Lähes nollakulman kontaktikulma Alhainen viskositeetti 36

Yleisimpiä bioadhesiivisia polymeereja 37

Kudosteknologia Kudosteknologiassa käytetään implantteja Inerttejä (ei reagoi ympäristön kanssa) Biohajoavia (hajoaa entsymaattisesti ja/tai hydrolyyttisesti) Implanttimateriaalit Metallit (TiAlV, CoCrMb, teräs) Keraamit (Alumiinioksidi (Al 2 O 3 ), Zirkoniumoksidi (ZrO 2 ) Hydroksiapatiitti (HA), Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Polymeerit o Inertit: esim. polyeetterieetteriketoni (PEEK), polyeteeni (UHMWPE), polymetyylimetakrylaatti (PMMA) o Biohajoavat: esim. polylaktidi (PLA), polylaktidiglykolidi - kopolymeeri (PLGA) Implanttien käyttökohteet Lonkka, nivelet, luun korjaus, hampaat, jne Ihoimplantit Injektoivat implantit 38

Keskitytään biohajoaviin polymeereihin Kaikki polymeerit hajoavat Banaanin kuori Puuvillarätti Paperi Hamppuköysi Appelsiinin kuori Villasukka Tupakan tumppi Styrox muki Maitotölkki Muovikassi Nahkakenkä Nylon kangas Six-päkin muovirengas Lastenvaippa 2 10 päivää 1 5 kk 2 5 kk 3 14 kk 6 kk 1 5 vuotta 1 12 vuotta 1 100 vuotta 5 vuotta 10 20 vuotta 25 40 vuotta 30 40 vuotta 450 vuotta 500 800 vuotta 39

Biohajoavat polyesterit PGA hajoaa yleensä PLA:ta nopeammin johtuen PLA:n metyyliryhmästä, joka suojaa steerisesti esterisidoksen hiiltä hydrolyyttiseltä hajoamiselta Polyglykolihapon (PGA), polymaitohapon (PLA) ja niiden kopolymeerin (PLGA) rakennekaavat 40

Biohajoavat polyesterit Polyglykolihapon (PGA), polymaitohapon (PLA) ja polylaktidi-koglykolihapon (PLGA) ominaisuudet ja sovellukset 41

Biohajoavat polyesterit Biohajoavien polyesterien mekaaniset ominaisuudet Polymer Melting Point ( C) Glass-Transition Temp ( C) Modulus (Gpa) a Degradation Time (months) b PGA 225 230 35 40 7.0 6 to 12 LPLA 173 178 60 65 2.7 >24 DLPLA Amorphous 55 60 1.9 12 to 16 PCL 58 63 ( 65) ( 60) 0.4 >24 85/15 DLPLG Amorphous 50 55 2.0 5 to 6 75/25 DLPLG Amorphous 50 55 2.0 4 to 5 65/35 DLPLG Amorphous 45 50 2.0 3 to 4 50/50 DLPLG Amorphous 45 50 2.0 1 to 2 a Tensile or flexural modulus. b Time to complete mass loss. Rate also depends on part geometry. 42

Pinta-eroosio vs. bulk-eroosio Biohajoavat polymeerit hajoavat kahdella eri mekanismilla Pintaerodoituvan ja bulk-erodoituvan polymeerimatriisin eroosio vedessä Eroosion mekanismilla suuri vaikutus lääkeaineen vapautumiseen matriisista 43

Biohajoavat polyesterit häviävät elimistöstä sitruunahappokierron kautta Polymaitohapon ja polyglykolihapon kopolymeeri (PLGA) hajoaa elimistössä passiivisen hydrolyysin seurauksena laktidi- ja glykolihapoksi, jotka hajoavat edelleen sitruunahappokierrossa vedeksi ja hiilidioksidiksi 44

Pintaerodoituvia polymeerejä Pintaeroosion avulla hajoavia polymeerejä puolestaan ovat esimerkiksi polyortoesterit ja polyanhydridit 45

Erilaisia kovia implantteja, jotka voivat olla inerttejä tai biohajoavia Inion Oy, Tampere, Finland 46

Erilaisia pehmeitä implantteja, jotka voivat olla inerttejä tai biohajoavia Haavapäällysteet Ihon korvikkeet OpSite Esim. Polyuretaani Haavaliimat Esim. Kollageeni, silikooni, nylon, polyuretaani, poly(laktidi-co-glykolidi) Ompeleet ja teipit 47 Esim. Polysyanoakrylaatit Esim. Kollageeni, biohajoavat polymeerit 47

Hallittu lääkkeenkuljetus ja vapautuminen polymeerimatriiseista (kiinteä, hydrogeeli) Lääkkeen vapautuminen Diffuusio, liukeneminen, osmoosi, ioninvaihto, vasteellinen, biohajoava Säiliö Matriisi Biohajoava Lääkkeenvapautumisprofiileja A: Ideaalinen sigmuidal vapautuminen B ja C: Viivästetty vapautuminen 48

Esimerkkitutkimus hallitusta lääkkeen vapautumisesta Nanoparticles Containing Ketoprofen and Acrylic Polymers Prepared by an Aerosol Flow Reactor Method Hannele Eerikäinen, Leena Peltonen, Janne Raula, Jouni Hirvonen, Esko I. Kauppinen Polymeeriset nanopartikkelit vapauttavat lääkkeen eri tavoin: välitön, hidastunut ja vasteellinen välitön hidastunut vasteellinen ph muutos happamasta -> 6.8 49

Lääkkeen vapautuminen liuoksessa Misellimäiset lääkekuljettimet 40 % potentiaalisista lääkeainemolekyyleistä hylätään huonon liukoisuuden takia Nanopartikkelit ja misellit voivat auttaa Parempi liukoisuus Ehkäisevät sivureaktioita Minimoivat ennenaikaista hajoamista Mahdollisuus kohdentamiseen Erilaisia lähestymistapoja Detergenttimisellit Liposomit Polymeeriset misellit 50

Misellimäiset lääkekuljettimet 51

Lääkkeen vapautuminen liuoksessa Polymeeriset lääkejohdannaiset Polymeeriset lääkkeet Polymeeri-proteiini konjugaatti Protein Polypleksi = polymeeri-dna kompleksi Hydrofiilinen lohko DNA Kationinen lohko Mw = 5 40 000 Da ~ 20 nm 40-60 nm Polymeeri-lääke lääke konjugaatti Targeting molecule Polymeeriset misellit Hydrofiilinen lohko Lääke Linker Drug Hydrofobinen lohko 5-15 nm 60 100 nm 52

Polymeeriset lääkejohdannaiset Lääkemolekyyli kovalenttisesti kiinni kantajapolymeerissä Polymeerin pääketju on poly(2-hydroksipropyyliakryyliamidi) Lääke, Doxorubicin, on liitetty biohajoavan ryhmän kautta pääketjuun Tämä yhdistelmä on tällä hetkellä kliinisissä tutkimuksissa Ruth Duncan, Nature, 2006 53

Polymeeriset nanopartikkelit - nanolääketiede Polymeeriset nanopartikkelit geeniterapiassa Polymeeri kondensoi DNA:n (polypleksit) Polymeeri kapseloi DNA:n -> matriisi tai säiliö DNA kiinnittyy polymeeristen nanopartikkelien pintaan - - - - - - Polyetyleeni imiini Poly-L-lysiini Polyamidoamiini Poly(β-aminoesterit) Kationiset dentrimeerit Kitosaani - + + + + + + + + + Polylaktidihappo Polylaktidi-co-glykoli happo Poly(β-aminoesterit) Kitosaani Poly(alkyylisyanoakrylaatti) Polylaktidihappo Polylaktidi-co-glykoli happo Kitosaani + + - + - - - + - - - + - - - - - - - + + + + + + + + + + - - - - - - - 54

Polymeeriset nanopartikkelit geeniterapiassa 55

Lämpöherkät nanopartikkelit 50-500 nm Rh / nm 180 160 140 120 100 Tilavuuden muutos ja lääkkeenvapautuminen tapahtuu ulkoisen ärsykkeen vaikutuksesta Turvonnut mikrogeeli Kokoonpuristunut mikrogeeli 80 10 20 30 40 50 60 T / C Älykkäät mikrogeelit Pallomainen hydrogeelikappale Palautuva tilavuuden muutos Nopea vaste lämpöön 10 nm N n O Poly(N-vinyylikaprolaktaami) Poly(N-isopropyyli akryyliamidi) 56

Yhteenveto biomateriaaleista Biomateriaalit ovat monenlaisia Epäorgaanisista aineista polymeereihin Luonnon materiaaleista synteettisiin materiaaleihin Bioinerteistä biohajoaviin Kovista pehmeisiin Kiinteistä liuoksiin Biomateriaalien sovelluskohteet ovat moninaiset Tabletit, kapselit, hydrogeelit oraalisessa annostelussa Kovat implantit esim. luun korvikkeina Pehmeät implantit esim. ihon korvikkeina Kudosalustoina Lääkkeenkuljettimina nanopartikkeleissa 57