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Zugfestigkeit resorbierbarer Biomaterialien

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Nähte werden seit Tausenden von Jahren für medizinische Interventionen verwendet, wobei die frühesten Materialien Leinen oder Katzendarm sind.

Die heute verwendeten Nähte werden nun nach zwei verschiedenen Kategorien klassifiziert, zunächst nach Zusammensetzung, entweder natürlichen oder synthetischen Materialien, und nach Absorption, entweder nicht resorbierbar oder resorbierbar. Resorbierbare Materialien abbauen im Körper vor allem durch programmierten Abbau, der durch die Wechselwirkung von Wasser mit bestimmten chemischen Gruppen in der Polymerkette verursacht wird. So werden diese Materialien verwendet, um eine Wunde für einen Zeitraum zusammenzuhalten, der lang genug für die Heilung reicht, ohne dass eine Entfernung erforderlich ist.

In diesem Video werden wir die Mechanismen hinter resorbierbarer Materialdegradation diskutieren und zeigen, wie die Veränderung der Festigkeit der Materialien im Laufe der Zeit bewertet werden kann, wenn sie unterschiedlichen Umgebungen ausgesetzt sind.

Resorbierbare Materialien abbauen im Körper vor allem durch oxidativen, hydrolytischen und enzymatischen Abbau. Materialien können in vivo einer Oxidation unterzogen werden, wenn der Körper auf das Fremdkörper reagiert und oxidative Arten freisetzt, um es anzugreifen. Die oxidative Wirkung auf Polymere kann Kettensission verursachen und zum Abbau beitragen. Beim hydrolytischen Abbau greift Wasser anfällige Bindungen im Polymer an, um Oligomere und schließlich Monomere zu erzeugen.

Polyester wie Polydioxanon werden häufig als resorbierbare Materialien verwendet, da die Estergruppe leicht durch Hydrolyse abgebaut werden kann. Nachdem das Material implantiert wurde, beginnt es Wasser aufzunehmen. Die hydrolytische Sission beginnt dann überall dort, wo das Material mit Wasser in Berührung kommt. Hydrophile Materialien absorbieren mehr Wasser und abbauen daher im Laufe der Zeit schneller. Hydrophobe Materialien absorbieren Wasser jedoch langsamer und neigen dazu, sich von außen zu verschlechtern.

Enzyme im Körper katalysieren verschiedene Reaktionen und katalysieren so auch den hydrolytischen Abbau von Materialien. Die Hydrolysereaktion wird durch Enzyme, die Hydrolasen genannt werden, katalysiert, die die Rate des hydrolytischen Abbaus um das Zehnfache erhöhen können. Mit dem Abbau des Materials ändern sich auch die mechanischen Eigenschaften des Materials.

Werfen wir einen Blick darauf, wie die Veränderung der Festigkeit resorbierbarer Materialien im Laufe der Zeit aufgrund des hydrolytischen Abbaus in sauren, neutralen und alkalischen Umgebungen analysiert werden kann.

Für dieses Experiment erhalten Sie zwei Arten von resorbierbaren Nähten. Hier verwenden wir Polyglyconat und Polydioxanon.

Bereiten Sie sechs Schraubverschlussprobenröhrchen vor, die jeweils mit dem Datum, dem Probentyp und der Lösung beschriftet sind, in die die Probe gelegt wird. Für jeden Probentyp sollte es eine saure, eine alkalische und eine neutrale Lösung geben. Hier zeigen wir eine von jedem Beispiel. Sie sollten jedoch drei Proben jedes Nahttyps für jeden Zeitpunkt vorbereiten.

Öffnen Sie anschließend die Nahtverpackung und entfernen Sie die Naht. Schneiden Sie die Nadel von der Naht ab und entsorgen Sie sie im scharfen Behälter. Schneiden Sie jede Naht in drei Stücke etwa 10 bis 12 Zoll lang. Notieren Sie sich die physikalischen Eigenschaften der Naht. Verwenden Sie einen Bremssattel, um den Durchmesser jeder Naht zu messen und die Anfangsbemaßung zu notieren.

Schließlich wägen Sie jede Naht, zeichnen Sie das Gewicht auf und legen Sie eine Naht in jedes Probenrohr. Füllen Sie die neutralen Probenröhrchen mit genügend entionisiertem Wasser, so dass die Naht vollständig untergetaucht ist, und kappen Sie das Rohr. Dann füllen Sie die sauren Rohre mit verdünnter Salzsäure und füllen Sie die alkalischen Probenröhrchen mit verdünnter Natriumhydroxidlösung. Schließlich alle sechs Probenröhrchen in einem Rack in einem Inkubator bei 37 Grad Celsius platzieren.

Werfen wir nun einen Blick darauf, wie die Stärke der Nähte mithilfe von Zugtests bestimmt werden kann. Der Zugtest lädt eine Probe, indem sie bis zum Ausfall dehnt, was die Bestimmung der Materialfestigkeit ermöglicht.

Testen Sie zunächst frische Nähte, die nicht in Testlösungen inkubiert wurden. Legen Sie die Naht in die Halterung des Instruments und sichern Sie sie an Ort und Stelle. Die Kontrollprobe sollte die gleiche Länge wie das Gerät haben, das etwa 10 bis 12 Zoll beträgt. Als nächstes null das Instrument und notieren Sie die Verschiebungsgeschwindigkeitseinstellung. Stellen Sie sicher, dass die Spitzenhaltung auf dem Bedienfeld angezeigt wird. Dann initiieren Spannung auf der Naht. Die Kraft und Verschiebung beginnt sich auf dem Instrument zu ändern. Laden Sie die Naht bis zum Ausfall. Schalten Sie dann das Instrument aus und nehmen Sie die Spitzenkraft von der Anzeigetafel auf.

Nun wollen wir die Zugfestigkeit der Proben messen, die Lösungen mit unterschiedlichem pH-Wert ausgesetzt waren.

Nach der angegebenen Zeit die Proben aus dem Ofen nehmen. Messen Sie den pH-Wert der Lösung in jedem Rohr mit pH-Papier. Nachdem der pH-Wert aller Lösungen gemessen wurde, entfernen Sie die zu prüfende Naht und spülen Sie sie mit entionisiertem Wasser ab. Notieren Sie sich die physikalischen Eigenschaften des Materials.

Die Probe mit einem Papiertuch trocknen lassen, dann wiegen und die neue Masse aufzeichnen. Als nächstes legen Sie die Probe in die Griffe des Zugtesters und verriegeln Sie sie. Null das Gerät und stellen Sie sicher, dass die Verschiebungsgeschwindigkeit die gleiche ist wie für die Steuerprobe verwendet. Überprüfen Sie auch, ob Spitzenhaltewerte angezeigt werden. Laden Sie nun die Probe bis zum Ausfall. Zeichnen Sie die Spitzenkraft aus dem Display auf. Wiederholen Sie den Zugtest für jede Probe im Laufe der Zeitstudie.

Sehen wir uns nun an, wie die Daten analysiert werden, um die Stärke der Proben zu bestimmen.

Berechnen Sie zunächst die durchschnittliche Zugspannung jeder Probe, indem Sie die Spitzenkraft durch den Querschnittsbereich der Naht dividieren. Berechnen Sie dann die Perzentzugfestigkeit, die von der Naht nach der Inkubation beibehalten wird, mit der angezeigten Formel. Eine Diagramm der Zugfestigkeit im Laufe der Zeit für jede Probe zeigt, dass die Stärke beider Arten von Nähten im Laufe der Zeit in sauren, neutralen und alkalischen Lösungen abnahm.

Die Polydioxanonstrukturen verschlechterten sich stärker in der sauren Lösung, wobei nur 41% der ursprünglichen Zugfestigkeit nach fünf Wochen beibehalten wurden, während 49 bzw. 78% der Festigkeit für die neutralen bzw. alkalischen Lösungen beibehalten wurden. Die Polyglyconat-Nähte degradierten in allen drei Lösungen, die nach fünf Wochen rund 42 % der Festigkeit in sauren, neutralen und alkalischen Lösungen halten, ähnlich. Die Ergebnisse werden erwartet, da die Materialien beide Esterbindungen besitzen, die anfällig für hydrolytische Sission sind, die bei hohem und niedrigem pH-Wert verbessert wird.

Werfen wir nun einen Blick darauf, wo resorbierbare Materialien im Bereich der biomedizinischen Technik verwendet werden.

Resorbierbare Materialien wie die in diesem Video getesteten Nähte werden am häufigsten in chirurgischen Verfahren verwendet, um die Heilung von chirurgischen Stellen zu ermöglichen und gleichzeitig die Notwendigkeit der Nahtentfernung zu beseitigen. Resorbierbare Materialien spielen aber auch in der Gewebetechnik eine Rolle als Gerüst für technisches Gewebe. Resorbierbare Gewebegerüste bilden die anfängliche dreidimensionale Struktur für Gewebe, abbauen sich aber langsam, wenn die Zellen wachsen und ihr eigenes Strukturmaterial bilden. Schließlich wird das anfangsgerüst nicht mehr benötigt und das technische Gewebe ähnelt eher dem einheimischen Gewebe.

Bei der Knochentransplantation wird der fehlende oder beschädigte Knochen ersetzt, um großen Frakturen zu helfen, zu heilen. In dieser Studie verursachten die Forscher einen Defekt im Schädel, indem sie ein Fünf-Millimeter-Loch bohrten. Das Knochenfragment wurde abgetrennt und das Knochentransplantat mit Fibrinkleber am Knochen befestigt. Obwohl Spenderknochen häufig verwendet werden, stellen resorbierbare Materialien eine Alternative dar, die es dem Transplantat ermöglicht, sich zu verschlechtern, wenn der einheimische Knochen wächst.

Sie haben gerade JoVeTs Einführung in resorbierbare Materialien gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie diese Materialien in vivo und in vitro abgebaut werden, wie man Festigkeitsänderungen aufgrund von Degradation testet, und einige Anwendungen dieser Materialien im Bereich der biomedizinischen Technik. Danke fürs Zuschauen!

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