What are the main types of degradation that resorbable biomaterials undergo in the body?

Resorbable biomaterials degrade through three primary mechanisms: oxidative, hydrolytic, and enzymatic degradation. Oxidative degradation occurs when the body releases oxidative species that attack polymer chains, causing chain scission. Hydrolytic degradation involves water attacking susceptible bonds in the polymer to generate oligomers and monomers. Enzymatic degradation is catalyzed by hydrolases, which can increase the rate of hydrolytic degradation by up to 10 times.

How does pH affect the degradation rate of resorbable sutures?

pH significantly influences resorbable suture degradation rates. Polydioxanone degraded most rapidly in acidic solutions, retaining only 41% of original tensile strength after five weeks, compared to 49% in neutral and 78% in alkaline solutions. Polyglyconate sutures degraded similarly across all pH conditions, retaining approximately 42% of strength. The ester bonds in both materials are susceptible to hydrolytic scission, which is enhanced at high and low pH levels.

What is the difference between hydrophilic and hydrophobic resorbable materials during degradation?

Hydrophilic resorbable materials absorb water rapidly and degrade uniformly throughout their structure. Hydrophobic materials absorb water more slowly and degrade from the outside inward, creating a degradation gradient. This difference in water absorption directly affects the degradation pattern and timeline of the material within the body, influencing how long the suture maintains its mechanical strength.

How is tensile strength measured in resorbable biomaterials during degradation studies?

Tensile strength is determined by loading a sample until failure using a tensile tester. The peak force at failure is divided by the cross-sectional area of the suture to calculate tensile stress. Percent tensile strength retained is calculated by comparing the post-incubation stress to the initial control sample stress. This method enables researchers to track how mechanical properties change as materials degrade over time in different environments.

Why are polyesters like polydioxanone commonly used as resorbable suture materials?

Polyesters like polydioxanone are widely used because their ester groups are easily degraded via hydrolysis. When implanted, the material absorbs water and hydrolytic scission begins wherever the material contacts water. This predictable degradation mechanism allows the suture to hold wounds together long enough for healing before the material breaks down, eliminating the need for surgical removal while maintaining controlled strength loss.

What are the main applications of resorbable biomaterials in biomedical engineering?

Resorbable materials are used in surgical procedures as sutures that eliminate the need for removal after healing. In tissue engineering, they serve as scaffolds providing three-dimensional structure for engineered tissue, degrading gradually as cells create their own structural material. Resorbable materials also support bone grafting procedures, where they degrade as native bone grows, offering an alternative to donor bone while maintaining structural support during healing.

How do natural and synthetic resorbable sutures differ in composition and use?

Natural resorbable sutures include materials like silk and catgut, historically used for thousands of years. Synthetic resorbable sutures are created from materials such as polyglycolic acid, polydioxanone, and polycaprolactone, offering more predictable degradation rates. Both types are typically used for internal procedures like general surgery, where the suture must maintain strength during healing and then safely degrade without requiring removal. Understanding how these materials function supports broader biomedical imaging and analysis techniques used to visualize tissue healing and material integration.

قوة الشد للمواد الحيوية القابلة للامتصاص

0 مشاهدة10:09 دقيقة

< p class = "jove_title" >1. تحضير العينة

قم بإنشاء ستة ملصقات تحتوي على المعلومات أدناه ، وقم بإرفاق الملصقات على أنابيب اختبار لولبية.
1. التاريخ: الشهر واليوم
2. نوع العينة: بولي جليكونات أو بولي ديوكسانون
3. نوع المحلول: محلول حمضي (أ) أو قلوي (ب) أو محايد (N) مع درجة حموضة تتراوح بين 2-14.
افتح عبوة الخيط وقم بإزالة الخياطة. اقطع الإبرة وتخلص منها في حاوية الأدوات الحادة.
قطع الخيط إلى 3 قطع يبلغ طولها حوالي 10-12 بوصة.
لاحظ اللون والخصائص الفيزيائية للخياطة.
استخدم الفرجار لقياس قطر كل خياطة.
قم بوزن كل خياطة وضع عينة واحدة في كل أنبوب اختبار.
املأ أنابيب الاختبار المسماة "N" بما يكفي من الماء منزوع الأيونات لتغطية الخيط ، ثم قم بتغطية أنابيب الاختبار.
استخدم ماصة لملء أنابيب الاختبار المسماة "A" بمحلول 0.001 M HCl كاف لتغطية الخيط. تذكر أن تضع تغطية أنابيب الاختبار.
استخدم ماصة لملء أنابيب الاختبار المسماة "B" بمحلول هيدروكسيد الصوديوم 0.001 M لتغطية الخيط. تذكر أن تضع تغطية أنابيب الاختبار.
ضع جميع أنابيب الاختبار الستة في الرف المعدني في فرن على حرارة 37 درجة مئوية.

< p class = "jove_title" >2. اختبار الشد لعينة التحكم

احصل على خياطة جديدة ، عينة التحكم ، وضعها في تركيبات UTM وثبتها في مكانها.
قبل بدء التوتر على العينة ، قم بصفر UTM بالضغط على مفتاحي F1 (القوة الصفرية) و F2 (صفر ext). سجل إعداد سرعة الإزاحة في ورقة البيانات.
تأكد من عرض تثبيت الذروة على لوحة عرض UTM.
ابدأ تشغيل UTM بالضغط على مفتاح السهم لأعلى. ستبدأ القوة والإزاحة في التغيير على UTM.
قم بتحميل العينة حتى الفشل. ثم أوقف UTM.
سجل ذروة القوة من شاشة UTM.

< p class = "jove_title" >3. ملف فقدان القوة

أخرج واحدة من كل عينة (أ ، ب ، ن) من الفرن كل أسبوع لمدة خمسة أسابيع.
قم بقياس درجة الحموضة للمحلول في أنبوب الاختبار بورق الأس الهيدروجيني.
اشطف الخيط بالماء منزوع الأيونات ، ولاحظ أي تغييرات فيزيائية أو لونية في المادة في كل عينة.
إذا لزم الأمر ، جفف العينة بمنشفة ورقية.
وزن كل عينة وتسجيل الوزن الجديد
ضع العينة في مقابض UTM وأغلقها في مكانها.
قبل بدء التوتر على العينة ، قم بصفر UTM بالضغط على مفتاحي F1 (القوة الصفرية) و F2 (صفر ext).
تأكد من عرض تثبيت الذروة على لوحة عرض UTM ، وتحقق من أن سرعة الإزاحة على UTM هي نفسها عند اختبار عينة التحكم.
قم بتحميل العينة حتى الفشل. ثم أوقف UTM.
سجل قوة الذروة عند الفشل من شاشة UTM.

تم استخدام الغرز منذ آلاف السنين للتدخل الطبي ، وأقدم المواد هي الكتان أو أمعاء القطط.

يتم

الآن تصنيف الغرز المستخدمة اليوم حسب فئتين مختلفتين ، أولا حسب التركيب ، إما المواد الطبيعية أو الاصطناعية ، والامتصاص ، إما غير قابلة للامتصاص أو قابلة للامتصاص. تتحلل المواد القابلة للامتصاص في الجسم بشكل أساسي من خلال التحلل المبرمج الناجم عن تفاعل الماء مع مجموعات كيميائية معينة في سلسلة البوليمر. وبالتالي ، يتم استخدام هذه المواد لتثبيت الجرح معا لفترة زمنية كافية للشفاء دون الحاجة إلى الإزالة.

في هذا الفيديو ، سنناقش الآليات الكامنة وراء تدهور المواد القابلة للامتصاص ونوضح كيفية تقييم التغير في قوة المواد بمرور الوقت أثناء تعرضها لبيئات مختلفة.

تتحلل المواد القابلة للامتصاص بشكل أساسي في الجسم عن طريق التحلل المؤكسد والتحلل المائي والأنزيمي. قد تخضع المواد للأكسدة في الجسم الحي حيث يتفاعل الجسم مع الجسم الغريب ويطلق الأنواع المؤكسدة لمهاجمته. يمكن أن يتسبب التأثير التأكسدي على البوليمرات في حدوث انقسام متسلسل ويساهم في التدهور. في التحلل المائي ، يهاجم الماء الروابط الحساسة في البوليمر لتوليد القلة وأخيرا المونومرات.

تستخدم

البوليستر مثل polydioxanone بشكل شائع كمواد قابلة للامتصاص لأن مجموعة الإستر تتحلل بسهولة عن طريق التحلل المائي. بعد زرع المادة ، تبدأ في امتصاص الماء. ثم يبدأ القص المائي أينما كانت المادة ملامسة للماء. تمتص المواد المحبة للماء المزيد من الماء ، وبالتالي تتحلل بسرعة أكبر في جميع الأنحاء. ومع ذلك ، فإن المواد الكارهة للماء تمتص الماء بشكل أبطأ وتميل إلى التحلل من الخارج إلى الداخل.

تحفز

الإنزيمات الموجودة في الجسم تفاعلات مختلفة وبالتالي تحفز التحلل المائي للمواد أيضا. يتم تحفيز تفاعل التحلل المائي بواسطة إنزيمات تسمى الهيدرولاز والتي يمكن أن تزيد من معدل التحلل المائي بما يصل إلى 10 مرات. عندما تتحلل المادة ، تتغير الخواص الميكانيكية للمادة أيضا.

دعونا نلقي نظرة على كيفية تحليل التغير في قوة المواد القابلة للامتصاص بمرور الوقت بسبب التحلل المائي في البيئات الحمضية والمحايدة والقلوية.

لهذه التجربة ، احصل على نوعين من الغرز القابلة للامتصاص. هنا ، نستخدم البولي جليكونات والبولي ديوكسانون.

قم بإعداد ستة أنابيب عينة ذات غطاء لولبي تحمل كل منها التاريخ ونوع العينة والمحلول الذي سيتم وضع العينة فيه. يجب أن يكون هناك محلول حمضي واحد وقلوي واحد ومحايد لكل نوع عينة. هنا ، نعرض واحدة من كل عينة. ومع ذلك ، يجب عليك تحضير ثلاث عينات من كل نوع خياطة لكل نقطة زمنية.

بعد ذلك ، افتح عبوة الخيط وقم بإزالة الخياطة. اقطع الإبرة عن الخيط وتخلص منها في حاوية الأدوات الحادة. قطع كل خياطة إلى ثلاث قطع بطول 10 إلى 12 بوصة تقريبا. قم بتدوين الخصائص الفيزيائية للخياطة. استخدم الفرجار لقياس قطر كل خياطة ولاحظ البعد الأولي.

أخيرا ، قم بوزن كل خياطة ، وسجل الوزن ، وضع خياطة واحدة في كل أنبوب عينة. املأ أنابيب العينة المحايدة بما يكفي من الماء منزوع الأيونات بحيث يتم غمر الخيط بالكامل ، وقم بتغطية الأنبوب. بعد ذلك ، املأ الأنابيب الحمضية بحمض الهيدروكلوريك المخفف واملأ أنابيب العينة القلوية بمحلول هيدروكسيد الصوديوم المخفف. أخيرا ، ضع جميع أنابيب العينات الستة في رف في حاضنة عند 37 درجة مئوية.

الآن دعونا نلقي نظرة على كيفية تحديد قوة الغرز باستخدام اختبار الشد. يقوم اختبار الشد بتحميل العينة عن طريق تمديدها حتى الفشل ، مما يتيح تحديد قوة المواد.

أولا ، اختبر الغرز الطازجة التي لم يتم احتضانها في محاليل الاختبار. ضع الخيط في تركيبات الجهاز وثبته في مكانه. يجب أن تكون عينة التحكم بنفس طول الأداة التي تتراوح من 10 إلى 12 بوصة تقريبا. بعد ذلك ، قم بتصفير الأداة وسجل إعداد سرعة الإزاحة. تأكد من عرض تثبيت الذروة على لوحة التحكم. ثم ابدأ التوتر على الخياطة. ستبدأ القوة والإزاحة في التغيير على الأداة. قم بتحميل الخيط حتى الفشل. بعد ذلك ، قم بإيقاف تشغيل الجهاز وتسجيل قوة الذروة من لوحة العرض.

الآن دعونا نقيس قوة الشد للعينات التي تعرضت للمحاليل بدرجة حموضة متفاوتة.

بعد المدة الزمنية المحددة ، أخرج العينات من الفرن. قم بقياس درجة الحموضة في المحلول في كل أنبوب باستخدام ورق الأس الهيدروجيني. بعد قياس درجة الحموضة لجميع المحاليل ، قم بإزالة الخيط المراد اختباره واشطفه بالماء منزوع الأيونات. قم بتدوين الخصائص الفيزيائية للمادة.

جفف العينة بمنشفة ورقية ، ثم وزنها وسجل الكتلة الجديدة. بعد ذلك ، ضع العينة في مقابض جهاز اختبار الشد وأغلقها في مكانها. قم بتصفير الأداة وتأكد من أن سرعة الإزاحة هي نفسها المستخدمة في عينة التحكم. تحقق أيضا من عرض فترة تعليق الذروة. الآن ، قم بتحميل العينة حتى الفشل. سجل ذروة القوة من الشاشة. كرر اختبار الشد لكل عينة على مدار الدراسة الزمنية.

الآن دعونا نرى كيفية تحليل البيانات لتحديد قوة العينات.

أولا ، احسب متوسط إجهاد الشد لكل عينة بقسمة قوة الذروة على مساحة المقطع العرضي للخياطة. بعد ذلك ، احسب النسبة المئوية لقوة الشد التي تحتفظ بها الخيط بعد الحضانة باستخدام الصيغة الموضحة. تظهر مخططة قوة الشد بمرور الوقت لكل عينة أن قوة كلا النوعين من الغرز انخفضت بمرور الوقت في المحاليل الحمضية والمحايدة والقلوية.

تدهورت هياكل البولي ديوكسانون أكثر في المحلول الحمضي ، مع الاحتفاظ ب 41٪ فقط من قوة الشد الأصلية بعد خمسة أسابيع ، بينما تم الاحتفاظ ب 49 و 78٪ من القوة للمحاليل المحايدة والقلوية ، على التوالي. تحللت خيوط البولي جليكونات بالمثل في جميع المحاليل الثلاثة واحتفظت بحوالي 42٪ من القوة في المحاليل الحمضية والمحايدة والقلوية بعد خمسة أسابيع. من المتوقع أن تكون النتائج لأن كلا المادتين يمتلكان روابط إستر معرضة للانقسام المائي ، والذي يتم تعزيزه عند درجة الحموضة العالية والمنخفضة.

الآن دعنا نلقي نظرة على مكان استخدام المواد القابلة للامتصاص في مجال الهندسة الطبية الحيوية.

تستخدم

المواد القابلة للامتصاص مثل الغرز التي تم اختبارها في هذا الفيديو بشكل شائع في العمليات الجراحية لتمكين التئام المواقع الجراحية مع التخلص من الحاجة إلى إزالة الخيط. ومع ذلك ، تلعب المواد القابلة للامتصاص أيضا دورا في هندسة الأنسجة كسقالة للأنسجة الهندسية. توفر سقالات الأنسجة القابلة للامتصاص البنية الأولية ثلاثية الأبعاد للأنسجة ، ولكنها تتحلل ببطء مع نمو الخلايا وإنشاء المواد الهيكلية الخاصة بها. في النهاية ، لم تعد هناك حاجة إلى السقالة الأولية وتشبه الأنسجة الهندسية إلى حد كبير الأنسجة الأصلية.

يتضمن تطعيم العظام استبدال العظام المفقودة أو التالفة من أجل المساعدة في التئام الكسور الكبيرة. في هذه الدراسة ، أنشأ الباحثون عيبا في الجمجمة عن طريق حفر حفرة بطول خمسة ملليمترات. تم فصل جزء العظم وربط الطعم العظمي بالعظم باستخدام غراء الفيبرين. على الرغم من استخدام عظم المتبرع غالبا ، إلا أن المواد القابلة للامتصاص تقدم بديلا يمكن الكسب غير المشروع من التحلل مع نمو العظام الأصلية.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للمواد القابلة للامتصاص. يجب أن تفهم الآن كيف تتحلل هذه المواد في الجسم الحي وفي المختبر ، وكيفية اختبار تغيرات القوة بسبب التدهور ، وبعض تطبيقات هذه المواد في مجال الهندسة الطبية الحيوية. شكرا للمشاهدة!