BioMateriały - materiały w medycynie, biomaterialy.blogspot.com

„Zawiera jony srebra”, „z dodatkiem nanosrebra” – te sformułowania powoli przestają już zaskakiwać. Nanosrebro i jony srebra znajdziemy w kosmetykach, ubraniach, materiałach budowlanych… Ze względu na swoje właściwości bakteriobójcze cieszą się też ogromnym zainteresowaniem jako składniki wzbogacające różnego rodzaju biomateriały. Opatrunki zawierające jony srebra to już codzienność, z pewnością są dostępne w niemal każdej aptece. Skoro są już zjawiskiem tak powszechnym warto przyjrzeć się im bliżej.

W zależności od producenta opatrunki zbudowane są z różnego rodzaju włókien. Przykładowo – w przypadku opatrunku Textus bioactive® są to różnego rodzaju włókna polietylenowe, Atrauman Ag – włókna poliamidowe, a w opatrunku Aquacel Ag wykorzystano włókna karboksymetylocelulozy sodowej. Rodzaj użytych włókien ma duże znaczenie dla właściwości opatrunku – zapobiega przywieraniu do rany, zapewnia odpowiednie pH czy jak w przypadku karboksymetylocelulozy, pod wpływem chłonięcia wysięku pozwala przybrać postać żelu.

To co powoduje, że jony srebra są tak entuzjastycznie promowane jako składniki materiałów opatrunkowych to ich właściwości bakteriobójcze. Przyjrzyjmy się temu zjawisku bliżej. Wprowadzone do opatrunku atomy srebra w środowisku wodnym, takim jak wysięk z rany tracą elektrony i stają się dodatnio naładowanymi jonami. Jony te wykazują wysoką reaktywność w stosunku do bakterii. Działają wielorako. Po pierwsze kluczowe jest powinowactwo jonów Ag⁺ do różnego rodzaju grup funkcyjnych: fosforanowych, karboksylowych, aminowych, sulfhydrylowych… Jony srebra przedostają się przez osłonę bakterii i wiążą z wartswą fosfolipidową błony co w konsekwencji prowadzi do jej przerywania i niszczenia bakterii w wyniku nieprawidłowego transportu jonów i metabolitów. Ponadto dezaktywacja bakterii odbywa się też poprzez utlenianie katalityczne. Powierzchnia jonów srebra sprzyja absorpcji tlenu, a ten powoduje utlenianie grup tiolowych –SH bakterii, a w konsekwencji niszczy tzw. łańcuch oddechowy bakterii. To jeszcze nie ostatnia broń jaką dysponują jony srebra. Białka, z których zbudowane są bakterie zawierają między innymi wiązania S-S, tzw. mostki disiarczkowe, które odpowiadają za stabilność struktury przestrzennej białek. Jony srebra „rozrywają” mostki prowadząc do denaturacji białka – zniszczenia ich struktury, a co za tym idzie zahamowania aktywności biologicznej.

Czy „zbawienne” dla nas działanie jonów wiąże się też z jakimiś skutkami ubocznymi? Jak zwykle zdania są podzielone. Niektóre badania wskazują na toksyczne działanie jonów srebra wobec keratynocytów i fibroblastów, inne wyniki im zaprzeczają. Jeśli jesteście szczególnie zainteresowani opatrunkami z jonami srebra tu znajdziecie ciekawy przegląd najważniejszych informacji (ang).

http://direct.dbc.wroc.pl/Content/2051/401_Slez.pdf

https://www.hartmann24.pl/751/opatrunki-specjalistyczne/atrauman-ag

http://media-med.pl/aquacel-ag

http://kosmos.icm.edu.pl/PDF/2013/557.pdf

https://suw.biblos.pk.edu.pl/downloadResource&mId=134681

Czy można powiedzieć, że narzędzia chirurgiczne towarzyszą człowiekowi już od zarania dziejów? Istotnie, już w czasach prehistorii dysponując naturalnymi materiałami takimi jak kamień czy kości wykonywano proste narzędzia – np. noże służące usuwaniu ciał obcych. Nadejście epoki brązu, a potem żelaza przyniosło oczywiście dalszy postęp w kwestii wytwarzania prostych narzędzi.

W dziełach Hipokratesa (400 r p.n.e.) znajdują się już opisy dość skomplikowanej budowy narzędzi chirurgicznych, takich jak kleszcze czy igły. Mając na uwadze brak znajomości prawidłowej anatomii są to zbiory tymbardziej imponujące. W kolejnej epoce – średniowieczu rozwój narzędzi chirurgicznych zostaje zahamowany ze względu na stanowisko Kościoła, przy czym pochodzące z tego okresu dzieło arabskiego lekarza Abulcaisa zawiera opisy i ryciny około dwustu narzędzi chirurgicznych i przez kilka stuleci jest źródłem wiedzy chirurgów.

W renesansie arsenał instrumentarium chirurgicznego zdecydowanie się poszerza. Znak czasów - pojawiają się narzędzia pomocne przy ranach postrzałowych. La chirurgie Francoise z 1594 roku jest pracą zawierającą dokładne ilustracje, wykonane w skali tak aby umożliwić precyzyjne odwzorowanie narzędzi w pracowni kowala. Niestety m.in. ze względu na brak funkcjonowania zasad dotyczących sterylizacji narzędzi śmiertelność po operacjach jest bardzo wysoka.

XVII i XVII wiek – liczba dostępnych narzędzi chirurgicznych jest jeszcze większa i co ciekawe wiele uwagi poświęca się ich estetyce. Wytwarzane w tym czasie narzędzia odznaczają się dekoracyjnymi wykończeniami. Pojawiają się katalogi i publikacje przeznaczone dla wytwórców instrumentarium chirurgicznego. XIX wiek, z uwagi na rozwój wiedzy o anatomii przynosi opracowanie wielu specjalistycznych narzędzi. Stosuje się już wówczas chromowe i niklowe pokrycia w celu zapobiegnięcia korozji.

Po 1925 roku dostępne są już wysokiej jakości gatunki stali zawierających chrom dlatego narzędzia chirurgiczne są wykonywane ze stali nierdzewnych gwarantujących odporność na korozję. W XX wieku narzędzia chirurgiczne stają się dużo bardziej zaawansowane, ich budowa zaczyna się znacznie różnić w zależności od organu, przy którym mają pracować. Stosuje się też jednorazowe ostrza skalpelów, pojawiają się np. cewniki. Obecnie nie tylko wymagania w stosunku do narzędzi chirurgicznych, ale i ich sama klasyfikacja jest ściśle określona przez normy. Biorąc pod uwagę właściwości funkcjonalno-konstrukcyjne wyróżniamy np. narzędzia tnące, chwytające, przemieszczające, kłujące czy uderzające.

Dzisiejsze trendy panujące w dziedzinie instrumentarium chirurgicznego to rozwój narzędzi dla metod małoinwazyjnych, a także robotów chirurgicznych. Takich jak np. ten budowany w ramach działalności Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii założonej przez prof. Religę. W Zabrzu powstaje rodzina robotów Robin Heart. Jeden z nich ma już za sobą badania na zwierzętach. Krótki film z udziałem robota tutaj.

Bibliografia:

Kirkup J.R.: The history and evolution of surgical instruments, Annals of The Royal College of Surgeons of England, 1981 vol. 63.

http://wojciechszczesny61.blogspot.com/2013/07/milowe-kamienie-chirurgii-od-kamiienego.html

Lato wciąż trwa. Lato = opalanie. Chcąc zabezpieczyć naszą skórę stosujemy kosmetyki z filtrami czyli… częstokroć dwutlenkiem tytanu. Cząstki TiO₂ i ZnO od lat stosowane są jako składniki produktów kosmetycznych jako fizyczne filtry promieniowania UV.

Jak to działa?

TiO₂jest półprzewodnikiem. Mając na uwadze pasmową teorię przewodnictwa wiemy, że półprzewodniki posiadają przerwę energetyczną. To właśnie szerokość tej przerwy energetycznej jest kluczowa i decyduje o zastosowaniu dwutlenku tytanu w kosmetykach chroniących przed promieniowaniem ultrafioletowym. Dla TiO₂ szerokość przerwy energetycznej wynosi 3,2eV, co odpowiada długości fali równej 388nm i zakresowi promieniowania UV. Dwutlenek tytanu chroni naszą skórę właśnie poprzez pochłanianie promieniowana UV. Po zaabsorbowaniu energii elektron z pasma walencyjnego jest przenoszony do pasma przewodnictwa TiO₂pozostawiając dziurę w paśmie walencyjnym.

Skąd ten biały film?

Oprócz właściwości absorpcyjnych w zakresie UV mikroskopijne cząstki TiO₂ wykazują właściwości rozpraszające dokładnie w widzialnym zakresie promieniowania widzialnego. I to właśnie rozpraszanie jest odpowiedzialne za widoczny po zaaplikowaniu kosmetyku z filtrem TiO₂ charakterystyczny biały film.

Ale od czego są nanocząstki…

Jak to zazwyczaj bywa razem z nano w parze idą nowe właściwości. Producenci kosmetyków chcąc zniwelować problem białego filmu zaczęli stosować nanocząstki TiO₂. Dlaczego? Cząstki TiO₂ w wymiarze nano charakteryzują się innymi właściwościami rozpraszającymi - w zakresie widzialnym są transparentne, stąd w ich przypadku brak widocznego białego filmu.

Wolne rodniki

Z ochoczo stosowanym przez producentów dwutlenek tytanu związane są jednak pewne kontrowersje. Chodzi o właściwości fotokatalityczne TiO₂. Absorpcja fotonu światła prowadzi do przeniesienia elektronu na pasmo przewodnictwa i wygenerowania innego ładunku tzw. dziury elektronowej. Jeśli na powierzchni cząstki TiO₂ będzie zaadsorbowana woda czy po prostu grupy OH^-, dzięki wygenerowanej wcześniej dodatnio naładowanej dziurze elektronowej (h+) zajdzie reakcja, której efektem będzie powstanie rodników hydroksylowych ×OH o silnych właściwościach utleniających. I tu pojawia się problem, bo przecież to właśnie przed rodnikami i skutkami utleniania przez nie np. kwasów tłuszczowych kosmetyk miał nas chronić. Temat, jako że kontrowersyjny był i jest nadal poruszany, np. tutaj.

Badania i ochronne powłoki

Problem wytwarzania wolnych rodników został dokładnie zbadany, m.in. przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA). Okazuje się, że fotokatalityczne właściwości owszem byłyby groźne, ale gdyby cząstki TiO₂przenikały wgłąb skóry. Wyniki wielu badań wskazują jednak, że zarówno nano-, jaki i mikro-cząstki nie przenikają poniżej warstwy rogowej, stąd nie ma obaw przed właściwościami fotokatalitycznymi ditlenku tytanu. Ponadto, obecnie w celu odizolowania powierzchni cząstek TiO₂ stosuje się powlekanie, tu z pomocą przychodzą np. powłoki silikonowe uniemożliwające ewentualny kontakt cząstki z grupami OH-, dzięki czemu nie dochodzi do wytworzenia rodników.

Przezorny zawsze ubezpieczony

To właśnie nanocząstki stosowane coraz częściej ze względu na transparentność wykazują wysokie właściwości fotokatalityczne. Tu należy też uściślić, że wysokie właściwości fotokatalityczne wykazuje właściwie jedna z form TiO2 - anataz. Inna forma - rutyl pod tym względem wypada znacznie lepiej. Podobnie rzecz się ma w przypadku konwencjonalnych mikro-cząstek pod względem fotokatalizy są dużo słabsze.

Nie taka zła fotokataliza

Odbiegając od tematu kosmetyków, właściwości fotokatalityczne TiO2 są bardzo pożądane i chętnie wykorzystywane w przypadku samoczyszczących się powierzchni, np. szyb. Powłoka nano-TiO₂ jak wspomniano wyżej pozwala wytworzyć reaktywne formy tlenu, a te prowadzą do rozkładu substancji organicznych czyli brudu.

Literatura:

http://pbc.gda.pl/Content/16658/phd_grabowska_ewelina.pdf

http://www.crcnetbase.com/doi/book/10.3109/9781420080858

http://personalcaretruth.com/2011/01/does-titanium-dioxide-cause-free-radical-damage/

http://kosmos.icm.edu.pl/PDF/2016/235.pdf

http://www.supra.amu.edu.pl/files/monographs/nanotechnologia_kosmetyki_chemia_supramolekularna.pdf

http://wizaz.pl/forum/showthread.php?t=553492

Follow my blog with Bloglovin

1. Właściwości antybakteryjne

Silnym reprezentantem materiałów o właściwościach antybakteryjnych jest nanosrebro. Można powiedzieć, że stało się ono już produktem komercyjnym – na rynku dostępne są kosmetyki, ubrania czy materiały budowlane, których producenci informują o wykorzystaniu nanocząstek srebra (choć w niektórych przypadkach ciężko zweryfikować czy na pewno mamy do czynienia z „nano” J ). Nanosrebro jest najbardziej znanym przykładem, ale warto pamiętać, że właściwości antybakteryjne wykazują też nanocząstki miedzi i cynku.

Właściwości antybakteryjne srebra wynikają z ich możliwości do przyłączenia się do błon komórkowych bakterii i zahamowania wydzielenia enzymów koniecznych do namnażania i wzrostu bakterii. Zachowanie antybakteryjne srebra jest znane i wykorzystywane od starożytności, jednak od niedawna, dzięki możliwości wytwarzania nanocząstek można intensyfikować to działanie. W jaki sposób? Nanosrebro, tak jak wszystkie nanomateriały charakteryzuję się bardzo dużym stosunkiem powierzchni do objętości, a zwiększona powierzchnia czynna powoduje zwiększenie działania biobójczego.

2. Diagnostyka

Kropki kwantowe – pod tą groźną nazwą kryją się nano-wymiarowe materiały półprzewodnikowe, np. związki takie jak CdTe. Tu warto krótko przypomnieć model pasmowy półprzewodników - pochłanianie kwantu promieniowania elektromagnetycznego – fotonu, powoduje przeskok elektronu na wyższy poziom energetyczny – jest to stan wzbudzony. Następnie elektron powraca na niższy poziom energetyczny, a towarzyszy temu emisja fotonu, a więc światła o energii mniejszej od pochłoniętego ze względu na straty termiczne i bezpromieniste. To co wyróżnia kropki kwantowe to szeroki zakres pochłaniania fal elektromagnetycznych (absorpcja od UV po IR) i równocześnie długość fali emitowanego światła uzależniona od jej rozmiarów – innymi słowy jeśli dysponujemy kropkami kwantowymi o średnicach 10, 20 i 30 nm to otrzymamy trzy rożne kolory emisji, a tu już samo nasuwa nam się zastosowanie takich materiałów w analizie różnych obrazów.

Do „płaszcza” kropki kwantowej można przyłączyć przeciwciała, które pozwolą wykryć komórki nowotworowe, a wykorzystując mikroskop fluorescencyjny prowadzić obserwacje na podstawie światła emitowanego z kropek kwantowych. Na podobnej zasadzie, wykorzystując odpowiednie molekuły można również prowadzić obserwacje bakterii czy wirusów, a także wykonywać znakowanie łańcucha DNA. Warto mieć na uwadze, że to tylko kilka przykładów, a możliwości wykorzystanie kropek kwantowych w diagnostyce są o wiele szersze.

3. Leczenie nowotworów - terapia fototermiczna (PDT)

Terapia fototermiczna jest obiecującą, małoinwazyjną metodą leczenia nowotworów. W skrócie można powiedzieć, że opiera się ona na wykorzystaniu substancji, które pochłaniając energię świetlną emitowaną z lasera będą ją oddawać w postaci ciepła, w ilości, która doprowadzi do śmierci komórek nowotworowych. I tu z pomocą przychodzą m.in. nanocząstki złota. W zależności od rozmiaru nanocząstek złota przy pewnej szczególnej długości fali elektromagnetycznej będą one wykazywać bardzo wysoką absorpcję promieniowania. Odpowiada to długości tzw. rezonansu plazmonowego. Zwiększona absorpcja promieniowania przekłada się dużą ilość oddawanego ciepła i wysoką wydajność metody. Metoda ta wymaga też przeprowadzenia odpowiedniej funkcjonalizacji powierzchni nanocząstek, a wieć pokrycia ich odpowiednimi związkami (tzw.ligandami), które umożliwią dotarcie nanocząstek do odpowiednich komórek.

4. Nośniki leków - nanorurki węglowe

Idea kontrolowanego dostarczania leków jest stosunkowo prosta – wykorzystuje się materiały o rozmiarach porównywalnych z komórkami organizmu człowieka, które jednocześnie posiadają strukturę pozwalającą na transportowanie za ich pomocą substancji leczniczych i uwalnionie ich w miejscu docelowym. Skąd nanocząsteczki „wiedzą” gdzie mają dotrzeć? Działa tutaj znana zasada klucz-zamknięcie. Fragmentami nośników leków mogą być cukry, białka, przeciwciała, które wybiórczo zwiążą się z receptorami czy antygenami docelowych komórek. Pod kątem wykorzystania w terapii celowanej bada się m.in. nanorurki węglowe, których struktura umożliwia lokowanie w niej substancji czynnych, a także polimery (np. PEG, PGA).

5. Powłoki implantów - nanohydroksyapatyt

W przypadku implantów, takich jak na przykład endoprotezy stawu biodrowego bardzo istotne jest uniknięcie „obluzowywania” się wszczepu w miejscu implantacji, co jest na tyle niekorzystne, że zwykle prowadzi do kolejnej operacji. Tutaj z pomocą przychodzi hydroksyapatyt, który jest składnikiem naszych kości, a potrafimy go też wytworzyć w sposób syntetyczny. Jako, że hydroksyapatyt jest „znanym” naszemu organizmowi składnikiem, zmniejsza się prawdopodobieństwo odrzucenia implantu i pojawia się możliwość bezpośredniego połączenia implantu z kością (na tej samej zasadzie jak w przypadku szkieł bioaktywnych – poprzedni post). Jak łatwo się domyślić zastosowanie powłoki hydroksyapatytowej w wymiarze nano przyniesie jeszcze większe korzyści – bardzo duże rozwinięcie powierzchni zapewni dużo lepsze i szybsze połączenie implantu z kością.

Literatura:

Rzeszutek J. i inni; Zastosowanie nanocząstek i nanomateriałów w medycynie; Hygeia Public Health 2014, 49(3): 449-457.

Koperkiewicz D.; Nanocząstki złota w fototermicznej terapii antynowotworowej; Th!nk – Studenckie Naukowe Czasopismo Internetowe.

Nevozhay D. i inni; Współczesny stan badań nad koniugatami i innymi systemami dostarczania leków w leczeniu schorzeń nowotworowych i innych jednostek chorobowych; Postepy Hig Med Dosw. (online), 2007; 61: 350-360.

www.zakazenia.org

Czy szkło może być w pewien sposób aktywne w środowisku biologicznym? Okazuje się, że tak. Szkła o ściśle określonym składzie chemicznym mogą wykazywać bioaktywność, a więc zdolność do modyfikacji powierzchni polegającą na tworzeniu na powierzchni hydroksyapatytu węglanowego pod wpływem oddziaływania płynów fizjologicznych. Co to właściwie oznacza?

Szkła bioaktywne nie są stabilne w środowisku fizjologicznym. Wręcz przeciwnie – powoli rozpuszczają się umożliwiając tym samym wymianę jonów między szkłem i otoczeniem. Procesy te prowadzą do wytrącania się w warstwie powierzchniowej szkła kryształów hydroksyapatytu węglanowego. Struktura hydroksyapatytu węglanowego jest bardzo podobna do hydroksyapatytu (uwodnionego fosforanu wapnia) budującego kości, a to z kolei daje możliwość bezpośredniego połączenia szkła z kością. Ze względu na tę szczególną właściwość szkła bioaktywne znalazły zastosowanie w ortopedii i stomatologii w leczeniu ubytków kostnych. Od pewnego czasu materiały te są też przedmiotem badań inżynierii tkankowej.

„Ojcem” szkieł bioaktywnych jest prof. Larry Hench. W latach 60 XX w. zajmował się on właściwościami elektronicznymi szkieł. Podczas jednej z podróży na konferencję naukową miał okazję porozmawiać z pułkownikiem wracającym z wojny w Wietnamie. Zaintrygowany badaniami nad szkłami odpornymi na promieniowanie pułkownik zapytał Hencha czy jest w stanie opracować też materiał odporny na środowisko fizjologiczne. Opowiedział profesorowi o wielu amputacjach kończyn spowodowanych odrzucaniem ówczesnych implantów, których był świadkiem podczas wojny. Po powrocie z konferencji Hench przedyskutował ten problem z lekarzami dochodząc do wniosku, że odrzucenie implantów przez organizm jest spowodowane odmiennym materiałem tkanek i implantów. Równocześnie zaproponowano, że skoro kość zawiera m.in. hydroksyapatyt, istnieje szansa, że materiał, który miałby zdolność do wytwarzania warstwy hydroksyapatytu w warunkach in vivo nie zostałby odrzucony. Tak rozpoczęły się badania nad szkłami, które mogłyby wykazywać bioaktywność.

Pierwszym szkłem, dla którego udało się uzyskać satysfakcjonującą bioaktywność było szkło krzemionkowe o składzie: 45%SiO₂- 24.5%Na₂O - 24.5%CaO - 6%P₂O_5.Szkło to znane jest dziś pod komercyjną nazwą Bioglass®, a na jego bazie powstało wiele szkieł o zmodyfikowanych temperaturach zeszklenia czy krystalizacji lub zmienionej wytrzymałości. Szkło Bioglass® w postaci bardzo drobnych cząstek (90-710µm) jest używane do wypełnienia ubytków w szczęce będących efektem chorób przyzębia (Perioglas®), a także w ortopedii (NovaBone®). Ciekawym zastosowaniem bioszkła jest wykorzystanie go jako składnika pasty do zębów. Producenci pasty do zębów "Sensodyne Odbudowa i Ochrona" wykorzystali właściwości bioaktywne bioszkła w celu ochrony nadwrażliwych zębów. Bioszkło pomaga odbudowywać zębinę, dzięki wspomnianej już możliwości do wytrącania się fosforanu wapnia.

Kolejnym polem, gdzie można wykorzystać unikalne właściwości szkieł bioaktywnych jest „modna” ostatnio inżynieria tkankowa. Tutaj bierze się pod uwagę różne typy szkieł – krzemionkowe, boranowe i fosforanowe. Zasada jest prosta – ze szkła bioaktywnego wytwarza się porowate rusztowanie, które następnie zasiedla się komórkami. Rusztowanie takie trafia w miejsce ubytku w kości, gdzie powoli rozpuszcza się tworząc na powierzchni hydroksyapatyt i łączy z tkanką kostną, równocześnie będąc też zastępowanym przez wzrastającą tkankę. Efektem jest odbudowany fragment kości. To oczywiście idealny scenariusz – obecnie szkła bioaktywne są na etapie badań w takich zastosowaniach.

Hench, L.L. The story of Bioglass. J. Mate.r Sci. Mater. Med. 2006, Tom 17, strony 967-978.

Jones, J.R. Review of bioactive glass: From Hench to hybrids. Acta Biomaterialia. 2013, Tom 9, strony 4457-4486.

http://www.dlazdrowia.pl/farmacja/1124,artykul,novamin-stomatologiczna-rewolucja.html

Ponad milion Polaków nosi soczewki kontaktowe. Są komfortowe, ułatwiają aktywności fizyczną i zapewniają lepsze pole widzenia niż okulary. Dzisiejsze soczewki kontaktowe to nie tylko korekcja wzroku czy zmiana koloru tęczówki. Potrafią znacznie więcej – mogą posłużyć jako nośniki leków okulistycznych. Jaki materiał można wykorzystać do produkcji soczewek kontaktowych? Na pewno musi on charakteryzować się odpowiednimi właściwościami fizycznymi – przezroczystością i współczynnikiem załamania światła, mieć odpowiednią elastyczność i wytrzymałość, być bioobojętnym, gazoprzepuszczalnym, a także charakteryzować się zwilżalną powierzchnią i łatwością dezynfekcji. Dzisiejsze soczewki kontaktowe spełniają te wszystkie wymagania, ale nie zawsze tak było.

Jak to się zaczęło?

Soczewki kontaktowe były przedmiotem zainteresowania już w XVI wieku. W 1508 roku Leonardo da Vinci opisywał koncepcję szkieł zakładanych bezpośrednio na oko. Od teorii do praktyki udało się przejść dopiero w XIX wieku, ale trudno tu jeszcze mówić o wielkim sukcesie – soczewki zakrywały całą twardówkę, były wykonane ze szkła, a co za tym idzie były zbyt ciężkie i mało komfortowe, a ze względu na kruchość po prostu niebezpieczne.

Pierwsze twarde soczewki

Dużo ograniczeń związanych ze szklanymi soczewkami udało się pokonać w 1936 roku łącząc szkło z materiałem polimerowym, natomiast w 1938 roku pojawiły się soczewki całkowicie wykonane z tworzywa sztucznego – nowego polimeru, polimetakrylanu metylu (PMMA, tzw. plexiglass), który pozwalał łatwo się kształtować, był lekki, jednakże nie przepuszczał tlenu, a soczewki z niego wykonane nadal były typem „twardówkowym”. W 1947 roku nastąpiła nowa era – era soczewek rogówkowych. Zmiana konstrukcji soczewek spowodowała, że stały się one lżejsze, poprawiła się jakość optyczna. Specjalnie zaprojektowane krawędzie miały zapewniać dostęp filmu łzowego i tlenu do rogówki i zapobiegać rozwojowi bakterii beztlenowych. Takie rozwiązanie było jednak dalekie od ideału. Choć przetrwały do czasów współczesnych, obecnie soczewki z PMMA nie cieszą się dużą popularnością.

Miękkie soczewki kontaktowe

W 1960 Wichterle i Lim - dwóch czechosłowackich chemików, opracowało nowe, miękkie soczewki wykonane z polimeru absorbującego wodę, tzw. hydrożelu, a dokładniej z hydroksyetylometakrylanu (HEMA). Mimo wielu zalet materiał wymagał jeszcze dopracowania ze względu na słabą jakość optyczną i trudności w codziennej „obsłudze” spowodowane jego dużym uwodnieniem. W 1971 roku firma Bausch&Lomb po wprowadzeniu udoskonaleń materiału rozpoczęła sprzedaż miękkich soczewek hydrożelowych.

Kilka słów o hydrożelach

Fazą formującą w hydrożelach są polimery hydrofilowe o bardzo dużej zdolności do absorpcji wody, które równocześnie mimo dużego uwodnienia utrzymują przestrzenną strukturę hydrożelu. Zawartość wody w hydrożelu określana jest przez parametr EWC (equilibrium water content ), który jest stosunkiem masy wody do masy całkowitej hydrożelu wyrażonym w procentach. Kolejnym ważnym parametrem jest przepuszczalność tlenu określana jako Dk, gdzie D oznacza dyfuzyjność, a k rozpuszczalność. Przepuszczalność tlenu wyraża się wzorem Dk=1.67*e ^(0.0397EWC) . Jak widać z powyższego wyrażenia im większa zawartość wody w materiale soczewki, tym wyższa przepuszczalność dla tlenu. Jednakże należy pamiętać, że wraz ze wzrostem uwodnienia soczewki wzrośnie też jej wiotkość co może obniżyć komfort noszenia soczewki. Niezbędne jest więc wypracowanie kompromisu między przepuszczalnościa dla tlenu, a sztywnością materiału. Soczewki hydrożelowe różnią się między sobą nie tylko stopniem uwodnienia, ale także ładunkiem powierzchniowym . W przypadku hydrożeli jonowych ujemnie naładowana powierzchnia będzie przyciągać pozytywnie naładowane proteiny z filmu łzowego. Brak ładunku powierzchniowego charakterystyczny dla hydrożeli niejonowych przeciwdziała powstawaniu osadów białkowych.

Hydrożelowo-silikonowe soczewki kontaktowe

Na soczewkach hydrożelowych nie mogło się jednak zakończyć. Opracowane w 1971 roku soczewki hydrożelowe nie były pozbawione wad – pojawiały się powikłania związane ze zbyt małą przepuszczalnością tlenu. W 1999 roku wprowadzono miękkie soczewki silikonowo-hydrożelowe, które zrewolucjonizowały branżę. Silikon charakteryzuje się większą przepuszczalnością tlenu, co pozwoliło na uniezależnienie się od zawartości wody w soczewce, a co za tym idzie dało większe pole do manewru w dostosowywaniu soczewek do różnych trybów noszenia i podnoszeniu komfortu użytkowania z zachowaniem optymalnej jakości widzenia.

Soczewki sztywne gazoprzepuszczalne RGP

Choć lata 70 zdecydowanie należały do soczewek miękkich, pod koniec dekady dostępna stała się nowa alternatywa – sztywne soczewki gazoprzepuszczalne (pracowano nad nimi już dużo wcześniej). Co się kryje pod tą nazwą? Soczewki wykonanego z twardszego materiału niż w przypadku soczewek miękkich - z octanomaślanu celulozy (CAB), kombinacji PMMA i silikonu lub samego silikonu - ale w przeciwieństwie do PMMA o dużej przepuszczalności tlenu. Służą do korekcji bardziej zaawansowanych wad wzroku, na przykład dużego astygmatyzmu, a także – w przypadku tzw. ortosoczewek zakładanych na noc – dają możliwość usunięcia m.in. krótkowzroczności. Nie należy ich mylić z twardymi soczewkami starego typu. Jak nazwa wskazuje są to soczewki o dużej przepuszczalności tlenu. W porównaniu do soczewek miękkich są mniejsze, bardziej wytrzymałe i odporne na białkowe osady.

Systemy uwalniania leków

Idea uwalniania leków z soczewek wbrew pozorom nie jest nowa. O takim rozwiązaniu myślał już Otto Wichterle – twórca pierwszych soczewek hydrożelowych. Hydrożele są materiałami pozwalającymi na enkapsulację, a więc zamykanie substancji czynnych w strukturze i ich następne kontrolowane uwalnianie poprzez sterowanie parametrami fizyko-chemicznymi hydrożelu. Niestety, ówczesny pomysłodawca wyprzedzał swoje czasy – brakowało metod pozwalających na badanie zjawiska uwalniania leku. Wyższość uwalniania leków z soczewek nad kroplami czy maściami wyniki z dużo większej wydajności i możliwości kontrolowania czasu w jakim działa lek. Obecnie naukowcom udało się już stworzyć soczewkę uwalniająca lek na jaskrę. Trwają badania kliniczne. Zespoły badawcze na całym świecie pracują nad możliwością uwalniania z soczewek również antybiotyków czy płynów nawilżających.

Małe laboratotarium

Uwalanianie leków to jeszcze nie koniec możliwości soczewek kontaktowych. Mogą zostać wykorzystane jako biosensory. Soczewka Sensimed'sTriggerfish pozwala monitorować ciśnienie w gałce ocznej istotne w diagnozowaniu jaskry. Jej działanie opiera się na wykorzystaniu tensometru reagującego na zmiany ciśnienia, a następnie przekazującego dane do procesora, skąd poprzez antenę nadawczo-odbiorczą zostają przesłane drogą radiową do rejestratora na szyi pacjenta. Jako, że poziom glukozy można monitorować nie tylko na podstawie krwi, ale i łez kolejnym pomysłem, rozwijanym przez Google’a jest soczewka dla cukrzyków. Firma uzyskała już patent, ale nie wiadomo kiedy produkt mógłby trafić na rynek.

Literatura:

1. Health Case Study 31: The Contact Lens Industry: Structure, Competition, and Public Policy; Ch. 2—The Development of Contact Lenses.

2. Janusz Pluta, Bożena Karolewicz, Hydrożele: właściwości i zastosowanie w technologii postaci leku. I. Charakterystyka hydrożeli.

3. Adam Rojek, Piotr Michałowski, Soczewki kontaktowe.

4. C Maldonado-Codina et al. Optometry in Practice Vol 4 (2003), pp. 101 – 115.

5. http://www.pryzmat.pwr.edu.pl/wiadomosci/1504.

6. http://inzynieria-aparatura-chemiczna.pl/pdf/2014/2014-4/InzApChem_2014_4_274-275.pdf.

7. http://www.polimery.am.wroc.pl/pdf/2014/44/2/83.pdf.

1. Właściwości antybakteryjne

Jak to się zaczęło?

Pierwsze twarde soczewki

Miękkie soczewki kontaktowe

Kilka słów o hydrożelach

Hydrożelowo-silikonowe soczewki kontaktowe

Soczewki sztywne gazoprzepuszczalne RGP

Systemy uwalniania leków

Małe laboratotarium

Facebook

Polecane strony

O blogu

Popularne posty

Tagi

Kontakt

Archiwum

Contact us

Video of the day

Instagram