Wpływ wybranych własności krzemionkowych warstw wierzchnich na możliwości ich zastosowania jako pokrycia na stenty wieńcowe

Pełen tekst

(1)

(2) . !" # $ % &$ . ' (% %( )(#* +%(%.

(3) Dla mojego kochanego taty, który spoglĈda teraz na mnie zza drugiej strony tčczy….

(4) SPIS TREĝCI. 3. SPIS TREĝCI. Spis treĞci .................................................................................... 3. Wprowadzenie ............................................................................ 6. 1. WstĊp .......................................................................................... 8. 1.1.. 1.2.. 1.3.. 1.4.. Problem zdrowotny ................................................................. 8. 1.1.1.. Choroba niedokrwienna serca ............................................ 8. 1.1.2.. MiaĪdĪyca tĊtnic wieĔcowych ........................................... 9. 1.1.3.. Interwencje medyczne ........................................................ 11. Stenty wieĔcowe ...................................................................... 12. 1.2.1.. Historia implantów ............................................................. 13. 1.2.2.. Mechanizmy rozprĊĪania zwĊĪonej tĊtnicy........................ 13. 1.2.3.. WłasnoĞci charakteryzujące implant .................................. 16. 1.2.4.. Klasyfikacja stentów wieĔcowych ..................................... 16. 1.2.5.. Materiały przeznaczone na stenty ...................................... 18. Restenoza.................................................................................. 20. 1.3.1. Mechanizmy powstania restenozy...................................... 21. 1.3.2. Czynniki ryzyka restenozy ................................................. 22. 1.3.3. Metody leczenia zmian restenotycznych............................ 23. 1.3.4. Implanty odporne na restenozĊ........................................... 23. Proponowana metoda modyfikacji powierzchni stentu ........... 26. 1.4.1. Technologia zol-Īel ............................................................ 26. 1.4.2. Metoda nanoszenia powłok ................................................ 29. 1.4.3. WłasnoĞci powłok zol-Īelowych........................................ 30. 1.4.4. MoĪliwoĞci aplikacyjne powłok SiO2 ................................ 31.

(5) SPIS TREĝCI. 4. 2. Teza i cel pracy .......................................................................... 34 2.1. 2.2. 2.3.. Teza pracy ............................................................................... Cel naukowy............................................................................ Zakres pracy ............................................................................. 34 34 35. 3. Metodyka badaĔ......................................................................... 38 3.1.. Mikroskopowe oraz histologiczne badania materiałów biologicznych .......................................................................... 3.2. Badania z zastosowaniem metod mikroskopii Ğwietlnej i skaningowej mikroskopii elektronowej ................................ 3.3. Badania z zastosowaniem metod elektronowej mikroskopii transmisyjnej ........................................................................... 3.4. Rentgenograficzna analiza strukturalna .................................. 3.5. Ocena budowy fazowej metodami spektralnymi .................... 3.6. Mikroanaliza składu chemicznego.......................................... 3.7. Badania elektrochemiczne....................................................... 3.8. Pomiary gruboĞci..................................................................... 3.9. Analiza wytrzymałoĞci połączenia adhezyjnego powłok z podłoĪem .............................................................................. 3.10. Badania odpornoĞci warstw krzemionkowych na działanie sił rozciągających ................................................................... 3.11. Badania topografii powierzchni ............................................. 3.12. Badania cytotoksycznoĞci metodą bezpoĞredniego kontaktu .. 39 39 40 40 41 41 41 42 42 43 43 44. 4. Analiza procesów zachodzących w tĊtnicy wieĔcowej po implantacji stentu ....................................................................... 45 4.1. 4.2.. TĊtnice po kilku dobach od implantacji stentu ....................... TĊtnica po 5 latach od implantacji stentu................................. 45 50. 5. Syntezowanie warstw krzemionkowych metodą zol-Īel............ 53 5.1. 5.2. 5.3.. PodłoĪa pod warstwy SiO2 ...................................................... Preparatyka warstw SiO2 ......................................................... WstĊpna analiza jakoĞci wysyntezowanych warstw SiO2 ....... 53 54 57. 6. Analiza własnoĞci fizykochemicznych warstw SiO2 .................. 61 6.1. 6.2. 6.3.. Analiza składu chemicznego................................................... Ocena budowy fazowej metodami spektralnymi .................... Rentgenograficzna analiza strukturalna ................................... 61 64 67.

(6) SPIS TREĝCI. 6.4.. 5. Badania z zastosowaniem elektronowej mikroskopii transmisyjnej ............................................................................ 71. 7. Badania elektrochemiczne ......................................................... 74 8. Badania własnoĞci mechanicznych warstw SiO2 ....................... 81 8.1. 8.2. 8.3. 8.4.. Badania odpornoĞci warstw krzemionkowych na działanie sił rozciągających ................................................................... Analiza wytrzymałoĞci połączenia adhezyjnego powłok z podłoĪem .............................................................................. Pomiary gruboĞci..................................................................... Badania topografii powierzchni ............................................... 81 88 90 91. 9. Laboratoryjny test aplikacyjny................................................... 95 10. Badania cytotoksycznoĞci .......................................................... 103 11. Podsumowanie wyników badaĔ ................................................. 107 12. Wnioski koĔcowe....................................................................... 113 13. Aneks - anatomia i fizjologia krąĪenia wieĔcowego.................. 116 Literatura ........................................................................................... 120.

(7) WPROWADZENIE. 6. WPROWADZENIE Choroby układu naczyniowo-sercowego wysuwają siĊ na czołowe miejsce w statystyce zgonów naszego stulecia. Obecnie w Polsce choroba niedokrwienna serca dotyczy prawie miliona mieszkaĔców, a rocznie z jej powodu umiera około 90 000 ludzi. Stosowana obecnie metoda angioplastyki wieĔcowej nie zapewnia stu procentowej skutecznoĞci leczenia,. powaĪnym. jej. problemem. pozostaje. nawrót. zwĊĪenia. (restenoza). dotyczący ok. 15–30% pacjentów poddanych zabiegowi. Analiza problemu wykazuje, Īe zdecydowanie najlepszą metodą hamującą powstanie wtórnego zwĊĪenia jest zastosowanie dodatkowych warstw wierzchnich na powierzchni stentu, mających na celu wytworzenie obojĊtnej bariery pomiĊdzy metalowym szkieletem, a tkankami układu krwionoĞnego, a takĪe pełniących rolĊ noĞników leków. Obecnie na rynku znajduje siĊ wiele implantów pokrytych róĪnymi materiałami, pomimo tego nadal prowadzone są w licznych oĞrodkach badania nad nowymi technologiami, zapewniającymi lepsze własnoĞci mechaniczne i fizykochemiczne powłok oraz usprawniającymi sposoby uwalniania leków. W rozprawie doktorskiej na pokrycia stentów wieĔcowych proponuje siĊ zastosowanie krzemionkowych warstw wierzchnich wytwarzanych nową technologią zol-Īelową. Jest to obecnie jedna z najbardziej progresywnych metod modyfikacji właĞciwoĞci warstwy wierzchniej biomateriałów metalicznych. Biorąc pod uwagĊ dynamiczny rozwój tej technologii oraz pozytywne wyniki dotychczasowych badaĔ na implantach kostnych, prowadzonych w wielu oĞrodkach badawczych moĪna stwierdziü, Īe powłoki syntezowane tą metodą bĊdą mogły znaleĨü zastosowanie w produkcji warstw wierzchnich przeznaczonych na implanty wewnątrznaczyniowe. Ocena przydatnoĞci powłok, syntezowanych metodą zol-Īel przeznaczonych na pokrycia. stentów. wieĔcowych,. wymagała. wykonania. szeregu. badaĔ,. miĊdzy. innymi: strukturalnych, wytrzymałoĞciowych, oceny chropowatoĞci powierzchni, badaĔ biotolerancji w Ğrodowisku tkankowym oraz odpornoĞci na korozjĊ..

(8) WPROWADZENIE. 7. Uzyskane rezultaty badaĔ wykazały, iĪ zastosowany dobór prekursorów krzemowych umoĪliwił uzyskanie ciągłych, gładkich, odpornych na obciąĪenia powłok zol-Īelowych, charakteryzujących siĊ nanometrową gruboĞcią oraz niewielkim stopniem rozwiniĊcia powierzchni. Opisywane właĞciwoĞci mechaniczne spełniały wymagania stawiane powłokom przeznaczonym na pokrycia implantów wewnątrznaczyniowych. Wyniki przeprowadzonych analiz elektrochemicznych wskazały dodatkowo na biodegradowalny charakter materiału powłokowego dający moĪliwoĞü zastosowania analizowanych warstw wierzchnich jako noĞników leków lub innych substancji aktywnych. Ocena budowy fazowej metodami spektralnymi wytworzonych warstw SiO2 wskazała niestety na toksyczny charakter badanych materiałów. Negatywne rezultaty badaĔ potwierdzone zostały równieĪ w analizach cytotoksycznoĞci, metodą bezpoĞredniego kontaktu. W przypadku przeznaczenia tych materiałów do produkcji powłok na implanty medyczne bĊdzie moĪna spodziewaü siĊ reakcji mutagennych lub immunologicznych organizmu, co całkowicie dyskwalifikuje ten materiał w zakresie zastosowaĔ wewnątrz Īywych organizmów..

(9) 1. WSTĉP. 8. 1. WSTĉP 1.1.PROBLEM ZDROWOTNY 1.1.1. CHOROBA NIEDOKRWIENNA SERCA Terminem „choroba niedokrwienna serca” (ischemic heart disease IHD) okreĞla siĊ zróĪnicowany patofizjologicznie i klinicznie stan czynnoĞciowego lub trwałego uszkodzenia ludzkiego miĊĞnia sercowego, wywołany zachwianiem równowagi miĊdzy wielkoĞcią przepływu wieĔcowego, a zapotrzebowaniem serca w tlen [1]. MoĪe byü ono spowodowane zmianami strukturalnymi lub zaburzeniami czynnoĞciowymi w krąĪeniu wieĔcowym (anatomia i fizjologia krąĪenia wieĔcowego patrz Aneks). Wyniki projektu badawczego POL-MONICA, bĊdącego czĊĞcią miĊdzynarodowego badania koordynowanego przez ĝwiatową OrganizacjĊ Zdrowia - The WHO MONICA Project, wykazały Ğcisłą korelacjĊ pomiĊdzy rozwojem choroby niedokrwiennej serca, a obecnoĞcią czynników ryzyka tej choroby. Badania prowadzone na duĪych populacjach, dowiodły stałego wzrostu czĊstoĞci wystĊpowania choroby niedokrwiennej serca w Polsce. Dla Polski czĊstoĞü zachorowania wynosi Ğrednio 620 przypadków na 100 tysiĊcy dla mĊĪczyzn i 220 przypadków na 100 tysiĊcy u kobiet. ZapadalnoĞü jest mniejsza we wsiach niĪ w duĪych miastach [2]. CzĊstoĞü wystĊpowania dławicy roĞnie gwałtownie z wiekiem u obojga płci: od 0,1–1% u kobiet w wieku 45–54 lat do 10–15% u kobiet w wieku 65–74 lat oraz od 2–5% u mĊĪczyzn w wieku 45–54 lat do 10–20% u mĊĪczyzn w wieku 65–74 lat [3]. W Polsce obserwuje siĊ równieĪ wzrost wystĊpowania tej choroby wĞród kobiet i ludzi młodych miĊdzy innymi wĞród 20 - 30 latków [4]. Problem jest tym istotniejszy, iĪ choroba dotyczy populacji osób w Ğrednim wieku, czynnych zawodowo i społecznie, co powaĪnie rzutuje na szereg elementów Īycia społecznego i rodzinnego..

(10) 1. WSTĉP. 9. Według Polskiego Towarzystwo Kardiologicznego, za najwaĪniejsze czynniki ryzyka wystąpienia choroby niedokrwiennej miĊĞnia sercowego uwaĪa siĊ: − styl Īycia, − palenie papierosów, − dieta obfitująca w kaloriĊ i tłuszcze zwierzĊce, − czynniki fizjologiczne i biochemiczne, − podwyĪszone stĊĪenie cholesterolu, zwłaszcza LDL, − podwyĪszone stĊĪenie trójglicerydów, − hiperglikemia lub cukrzyca, − zwiĊkszone stĊĪenie homocysteiny, − zwiĊkszone stĊĪenie czynników zakrzepowych (trombogennych) np. fibrynogenu. Styl Īycia i czynniki biochemiczne uwaĪane są za czynniki modyfikowalne. Za czynniki nie poddające siĊ modyfikacji i jednoczeĞnie niezaleĪne od chorego Polskie Towarzystwo Kardiologiczne uwaĪa: − wiek powyĪej 45 lat u mĊĪczyzn i 55 lat u kobiet, − przedwczesną menopauzĊ, − chorobĊ innych tĊtnic (koĔczyn dolnych, mózgu) na tle miaĪdĪycowym. 1.1.2. MIAĩDĩYCA TĉTNIC WIEēCOWYCH NajczĊstszą przyczyną (ponad 90%) wystąpienia choroby niedokrwiennej serca jest miaĪdĪyca tĊtnic wieĔcowych ale poza przewlekłymi i postĊpującymi zmianami miaĪdĪycowymi waĪną rolĊ w rozwoju tej choroby odgrywają równieĪ bodĨce zewnĊtrzne i sposób, w jaki reaguje na nie serce. Te dodatkowe czynniki mogą powodowaü przedłuĪający siĊ skurcz naczynia, uszkodzenie jego Ğcian i powstanie zakrzepu Ğródnaczyniowego lub wylewu ĞródĞciennego. MiaĪdĪyca naczyĔ krwionoĞnych przez wiele lat była rozpoznawana jako proces degeneracyjny Ğciany naczyĔ, nierozerwalnie związany ze „starzeniem siĊ” organizmu. Badania von Rokitanky’ego (1852r.) i Virchova (1956r.) nad rolą hipercholesterolemii i aktywacji układu krzepniĊcia w rozwoju tego schorzenia utorowały drogĊ do zupełnie innego sposobu pojmowania patomechanizmu tego schorzenia. Kontynuowane do dnia dzisiejszego badania Russela Rossa udowodniły, Īe zmiany miaĪdĪycowe są wynikiem długotrwałego procesu zapalnego, pojawiającego siĊ w Ğcianie naczyĔ w odpowiedzi na.

(11) 1. WSTĉP. 10. czynniki takie jak niedotlenienie, wolne rodniki czy siły Ğcinające, uszkadzające komórki nabłonka [5]. Rozwój zmian miaĪdĪycowych w tĊtnicach wieĔcowych rozpoczyna siĊ z chwilą przenikania nadmiaru lipoprotein przez warstwĊ Ğródbłonka. W wyniku upoĞledzenia funkcji Ğródbłonka nastĊpuje produkcja substancji łatwo wiąĪących siĊ z monocytami, związki te włączane są w obrĊb włókien kolagenowych i tworzą wczesne nacieki tłuszczowe. NastĊpnie rozpoczyna siĊ proces migracji komórek miĊĞni gładkich z błony Ğrodkowej do wewnĊtrznej i w obrĊbie powstałego nacieku, tworzą siĊ komórki tkanki łącznej. Mechanizm ten ostatecznie powoduje zmianĊ ogniska stłuszczenia w niestabilną blaszkĊ miaĪdĪycową – rys. 1, [6].. a). b). c). d). Rys. 1. Kolejne stadia powstawania zmian miaĪdĪycowych w tĊtnicach wieĔcowych: a) zdrowa tĊtnica, b) wczesne nacieki tłuszczowe, c) blaszka miaĪdĪycowa, d) blaszka miaĪdĪycowa i zakrzep [6].. Włóknisto–rozrostowe zmiany miaĪdĪycowe, zarówno nowo powstałe, jeszcze z zachowanym Ğródbłonkiem, jak i zaawansowane z czopem zakrzepu, moĪna ogólnie podzieliü na dwa typy. Typ pierwszy – (rys. 2a) najczĊĞciej spotykany, prowadzi do asymetrycznego zwĊĪenia Ğwiatła naczynia. Typ drugi – (rys. 2b) pojawia siĊ.

(12) 1. WSTĉP. 11. w naczyniach poddanych zabiegom lub przy wystĊpowaniu cukrzycy i nadciĞnienia. W tym przypadku uszkodzenie Ğródbłonka jest bardziej rozległe i prowadzi do powstania zmian głównie przerostowych miĊĞni gładkich w warstwie wewnĊtrznej, co symetrycznie zwĊĪa Ğwiatło naczynia [5].. a). b). Rys.2. Dwa typy zmian obserwowanych w zmienionych miaĪdĪycowo naczyniach, a) typ pierwszy, b) typ drugi [5].. 1.1.3. INTERWENCJE MEDYCZNE Ostatnie lata przyniosły gwałtowny rozwój badaĔ z dziedziny kardiologii, mający na celu zmniejszenie liczby operacji na otwartym sercu przy jednoczesnym zastąpieniu ich zabiegami małoinwazyjnymi. Leczenie pacjentów z chorobą niedokrwienną miĊĞnia sercowego ma na celu poprawĊ jakoĞci Īycia przez zmniejszenie nasilenia objawów dławicowych oraz wydłuĪenie Īycia dziĊki zmniejszeniu ryzyka zawału serca. Obejmuje ono leczenie zachowawcze oraz leczenie chirurgiczne, w którym główną rolĊ odgrywają zabiegi rewaskularyzacyjne [1]. Leczenie zachowawcze obejmuje zmianĊ stylu Īycia oraz leczenie farmakologiczne. Nakierowane jest ono na eliminacjĊ czynników sprzyjających rozwojowi miaĪdĪycy oraz propagowanie zachowaĔ prozdrowotnych. Pacjentowi podawane są leki o działaniu: wieĔcowym. (zmniejszającym. zapotrzebowanie. miĊĞnia. sercowego. na. tlen),. przeciwpłytkowym, przeciwkrzepliwym, hipolipemizującym oraz leki działające ochronnie na komórki miĊĞnia sercowego. Leczeniem typowo chirurgicznym, inwazyjnym jest zabieg wszczepienia pomostów aortalno-wieĔcowych (CABG - Coronary Artery Bypass Grafting). Polega on na zastąpieniu odcinka chorobowo zmienionej tĊtnicy fragmentem Īylnym (najczĊĞciej Īyłą.

(13) 1. WSTĉP. 12. odpiszczelową) lub tĊtniczym (tĊtnicą piersiową wewnĊtrzną), pobranym od tego samego pacjenta. Takich pomostów moĪna, w trakcie jednego zabiegu, wykonaü kilka pomiĊdzy wszystkimi trzema tĊtnicami wieĔcowymi. Metoda ta znalazła zastosowanie u pacjentów, z ciĊĪszymi postaciami IHD, przede wszystkim w sytuacjach, gdy zmiany miaĪdĪycowe są wielonaczyniowe lub rozsiane i wystĊpuje wysokie ryzyko zawału serca [7]. Podstawową zaletą CABG jest duĪa skutecznoĞü, natomiast zasadniczymi wadami tej metody są wysokie koszty, znaczne obciąĪenie dla pacjenta, dłuĪszy pobyt w szpitalu oraz powolny przebieg procesu rekonwalescencji po zabiegu. Jedną z obecnie najbardziej popularnych metod leczenia choroby niedokrwiennej serca jest przeskórna Ğródnaczyniowa angioplastyka wieĔcowa (PTCA - Percutaneous Transluminal Coronary Angioblasty). Zabieg polegający na poszerzeniu zmienionego miaĪdĪycowo odcinka tĊtnicy wieĔcowej za pomocą zakoĔczonego balonem cewnika, wprowadzonego w miejsce zwĊĪenia. Klasyczną angioplastykĊ uzupełniają inne techniki z zastosowaniem róĪnych instrumentów. NajczĊĞciej stosuje siĊ implanty wewnątrznaczyniowe, nazywane stentami, utrwalające efekt poszerzenia tĊtnicy, aterektomy, odsysające blaszkĊ miaĪdĪycową oraz lasery ekscimerowe, stosowane przy zwapniałych zwĊĪeniach. Obecnie PTCA jest wskazane w stabilnych oraz w ostrych zespołach IHD, w zwĊĪonym pomoĞcie aortalno-wieĔcowym oraz w ostrym okresie zawału serca. Rocznie wykonuje siĊ setki tysiĊcy tego typu zabiegów, szczególnie, iĪ nie jest on obciąĪający dla pacjenta i nie wymaga długiej rekonwalescencji.. 1.2. STENTY WIEēCOWE. Jednym z najwaĪniejszych osiągniĊü ostatnich lat w dziedzinie kardiologii zabiegowej w leczeniu choroby niedokrwiennej serca było wprowadzenie wewnątrznaczyniowych implantów, nazywanych stentami. Stenty są rodzajem metalowego, sprĊĪystego rusztowania o przestrzennej konstrukcji walcowej i milimetrowych wymiarach, które wszczepia siĊ w miejsce krytycznie zwĊĪonego odcinka tĊtnicy wieĔcowej, w celu podparcia jego Ğcian i poszerzenia Ğwiatła [6]..

(14) 1. WSTĉP. 13. 1.2.1. HISTORIA IMPLANTÓW. Implantacje stentów do Ğwiatła tĊtnic zostały zapoczątkowane przez Dottera w 1960 roku [7]. Zabieg polegał na wszczepieniu stalowej rurki do tĊtnicy obwodowej psa. Po ponad dwóch latach 2 spoĞród 3 stentów pozostawały droĪne. W 1982 roku D. Maass oraz w 1985 roku Julio Palmaz przeprowadzili kolejne doĞwiadczenia na zwierzĊtach ze stentami. Początkiem klinicznego ich zastosowania było wszczepienie w 1986 roku przez Sigwarta stentów do natywnych tĊtnic wieĔcowych człowieka po zabiegu koronaroplastyki [8]. Początkowe doĞwiadczenia związane z implantowaniem stentów nie były zbyt zachĊcające, czĊsto wystĊpujące zjawisko wykrzepiania krwi, powodujące wtórne zamykanie Ğwiatła tĊtnicy i ostre powikłania, prowadziło do zawałów serca lub zgonów pacjentów. Przełomowym był rok 1993, w którym Antonio Colombo wprowadził wysokociĞnieniową metodĊ rozprĊĪania stentów oraz jednoczesną kontrolĊ wyników zabiegu przy pomocy ultrasonografii wewnątrznaczyniowej [96]. Spowodowało to obniĪenie wystĊpowania zjawiska wykrzepiania prawie do zera.. 1.2.2. MECHANIZM POSZERZANIA ZWĉĩONEJ TĉTNICY. Przed cewnikowaniem naleĪy zapoznaü pacjenta z ogólnymi celami, przebiegiem, czĊstoĞcią wystĊpowania oraz rodzajem powikłaĔ zabiegu i uzyskaü jego akceptacjĊ. Planowany zabieg wykonuje siĊ na czczo, nie wczeĞniej niĪ po 6 h po ostatnim posiłku [5]. W czasie cewnikowania naleĪy monitorowaü elektrokardiogram, a po wprowadzeniu cewnika do układu tĊtniczego równieĪ ciĞnienie tĊtnicze przez cały czas trwania zabiegu, z wyjątkiem kilku sekundowych przerw podczas wstrzykiwania Ğrodka cieniującego. W trakcie trwania zabiegu lekarz powinien widzieü wszystkie fragmenty tĊtnicy i jej odgałĊzieĔ z dwóch stron w taki sposób, aby wszystkie gałĊzie były od siebie oddzielone przynajmniej w pewnych fazach cyklu pracy serca. Obraz taki moĪna uzyskaü stosując odpowiednie skoĞne projekcje rentgenowskie z pochyleniem dogłowowym i doogonowym. Zabieg PTCA rozpoczyna siĊ od umieszczenia cewnika prowadzącego o Ğrednicy 2,3–2,7 mm, w koszulce załoĪonej do tĊtnicy udowej lub ramiennej (w przypadku zaawansowanych zmian miaĪdĪycowych w aorcie brzusznej). UjĞcie poszerzanej tĊtnicy wieĔcowej naleĪy cewnikowaü w taki sposób, aby cewnik prowadzący tkwił osiowo.

(15) 1. WSTĉP. w. Ğwietle. 14. ujĞcia. i. dawał. dostateczne. podparcie. dla. wprowadzenia. cewnika. angioplastycznego w miejsce zwĊĪenia. W tym celu naleĪy, w zaleĪnoĞci od anatomii aorty, ujĞcia tĊtnic wieĔcowych i lokalizacji zwĊĪenia, dobraü odpowiedni typ cewnika, kierując siĊ obrazem angiograficznym. Po cewnikowaniu tĊtnicy wieĔcowej rutynowo wykonuje siĊ wstrzykniĊcie Ğrodka cieniującego w celu dobrego uwidocznienia miejsca zwĊĪenia i doboru odpowiedniej Ğrednicy balonu dopasowanej do szerokoĞci poszerzanego naczynia. NastĊpnie wprowadza siĊ zestaw do PTCA; cewnik z przodującym o około 20–30 cm prowadnikiem. Delikatnie manewrując prowadnikiem pokonuje siĊ zwĊĪenie i umieszcza w obwodowej czĊĞci tĊtnicy. Po nim, jak po szynie wsuwa siĊ cewnik do Ğwiatła tĊtnicy tak, aby balon znalazł siĊ dokładnie w miejscu zwĊĪenia. Wszystkich manewrów dokonuje siĊ pod kontrolą fluoroskopową aparatu rentgenowskiego o wysokim stopniu rozdzielczoĞci. Metalowy prowadnik moĪe pełniü rolĊ elektrody do monitorowania ĞródwieĔcowego EKG i elektrody do stymulacji serca. Przy PTCA prawej tĊtnicy wieĔcowej zakłada siĊ elektrodĊ endokawitarną do prawej komory, gdyĪ stymulacja za pomocą prowadnika jako elektrody nie zawsze bywa skuteczna. Balonik ustawiony dokładnie w obrĊbie zwĊĪenia tĊtnicy wieĔcowej wypełnia siĊ rozcieĔczonym Ğrodkiem cieniującym za pomocą specjalnej strzykawki z manometrem do ciĞnienia 2–4 atm. przez 20–30 s, dla oceny wraĪliwoĞci chorego na niedokrwienie spowodowane zamkniĊciem tĊtnicy. W przypadku złej tolerancji podaje siĊ dowieĔcowo 0,1–0,3 mg rozcieĔczonej nitrogliceryny. Podczas kolejnych wypełnieĔ balonu stosuje siĊ ciĞnienie rzĊdu 6–12 atm., w zaleĪnoĞci od rodzaju cewnika i oczekiwanego efektu zabiegu. Czas wypełnienia balonu zaleĪy od reakcji chorego na niedokrwienie i wynosi zwykle 1–3 min. LiczbĊ wypełnieĔ i wielkoĞü stosowanego ciĞnienia w kaĪdym przypadku naleĪy ograniczyü do niezbĊdnego minimum, koniecznego dla uzyskania dobrego wyniku poszerzenia bez nadmiernego urazu Ğciany tĊtnicy. Zwykle są to dwa do trzech wypełnieĔ balonu. WstrzykniĊcie Ğrodka cieniującego pomiĊdzy kolejnymi wypełnieniami balonu pozwala na wstĊpną ocenĊ wyniku zabiegu. JeĞli wynik spełnia oczekiwania operatora, cewnik angioplastyczny usuwa siĊ z tĊtnicy wieĔcowej pozostawiając prowadnik w jej Ğwietle na kilka minut. UmoĪliwi on w razie ostrego zamkniĊcia tĊtnicy poszerzanej, które najczĊĞciej wystĊpują w pierwszych minutach po PTCA, ponowne wprowadzenie cewnika w celu udroĪnienia naczynia, a takĪe załoĪenie stentów wieĔcowych – rys. 3..

(16) 1. WSTĉP. 15. Rys.3. Schemat przedstawiający mechanizm angioplastyki z uĪyciem stentu [6].. Prowadnik jest usuwany dopiero po upewnieniu siĊ, Īe zabieg przebiegł bez powikłaĔ, a nastĊpnie wykonywana jest rutynowa kontrola koronarograficzna w celu ostatecznej oceny wyniku zabiegu. Wynik zabiegu uwaĪa siĊ za bardzo dobry, jeĞli zwĊĪenie resztkowe wynosi poniĪej 30%, brak jest ubytków zacieniowania w miejscu poszerzanym i objawów rozwarstwienia Ğcian tĊtnicy. W uzyskaniu poszerzenia zwĊĪonej tĊtnicy za pomocą stentu na balonie zasadniczą rolĊ odgrywają dwa mechanizmy: rozerwanie blaszki miaĪdĪycowej i oderwanie jej błony od błony wewnĊtrznej oraz rozciągniĊcie Ğciany tĊtnicy pod wpływem ucisku przez balon i stent znajdujące siĊ wewnątrz tĊtnicy [5]. Od głĊbokoĞci i kierunku pĊkniĊcia blaszki miaĪdĪycowej, które trudno przewidzieü, zaleĪą z jednej strony skutecznoĞü zabiegu i jego odległy wynik, z drugiej zaĞ stopieĔ i rozległoĞü rozwarstwienia błony wewnĊtrznej, a czĊsto równieĪ Ğrodkowej. Kontrolowane rozciąganie Ğciany tĊtnicy poddawanej zabiegowi pozwala uzyskaü optymalne Ğwiatło tĊtnicy, jednakĪe jej nadmierne rozciągniĊcie prowadzi do uszkodzenia komórek miĊĞniowych błony Ğrodkowej, przejawiającego siĊ zwiotczeniem Ğciany tĊtnicy bezpoĞrednio po zabiegu, opisywanym jako „elastic recoil”. Zastosowanie wewnątrznaczyniowej angioskopii i echokardiografii w czasie zabiegu PTCA udowodniło, Īe odpowiednie „zgniecenie” i przestrzenna przebudowa blaszki miaĪdĪycowej bez nadmiernego rozciągania Ğciany tĊtnicy za pomocą balonu i stentu.

(17) 1. WSTĉP. 16. o Ğrednicy dokładnie dobranej do Ğwiatła poszerzanej tĊtnicy, jest podstawowym warunkiem uzyskanie dobrego i trwałego wyniku zabiegu, przy minimalizacji zagroĪenia wystąpienia wtórnego zamkniĊcia tĊtnicy wieĔcowej.. 1.2.3. WŁASNOĝCI CHARAKTERYZUJĄCE IMPLANT. SkutecznoĞü zabiegu angioplastyki wieĔcowej w duĪej mierze zaleĪy równieĪ od odpowiedniego dobrania własnoĞci mechanicznych i fizykochemicznych metalowych konstrukcji stentów. Na podstawie długoletnich doĞwiadczeĔ klinicznych w literaturze prezentowane. są. podstawowe. własnoĞci. charakteryzujące. prawidłowy. implant. wewnątrznaczyniowy [8, 9, 10, 11, 14]: -. giĊtkoĞü, umoĪliwiająca przeprowadzanie stentu poprzez zakrĊty proksymalnych odcinków naczyĔ wieĔcowych i zaimplantowanie w miejscu zwĊĪenia,. -. łatwoĞü przesuwania w cewniku i tĊtnicach,. -. niski profil stentu na balonie,. -. dobra widzialnoĞü fluoroskopowa, ułatwiająca precyzyjne umieszczenie stentu i ewentualne rozpoznanie w przypadku przemieszczenia,. -. niska trombogennoĞü, chroniąca przez zakrzepami i nawrotami choroby,. -. neutralnoĞü tkankowa,. -. dobra rozciągalnoĞü, ułatwiająca mechanizm rozprĊĪania,. -. wytrzymałoĞü na siły zewnĊtrzne, zmniejszająca cykliczne rozciąganie Ğciany naczynia i redukująca tworzenie siĊ komórek miĊĞni gładkich,. -. mała całkowita powierzchnia stentu,. -. dobre własnoĞci reologiczne,. -. dobre pokrycie stentem Ğciany naczynia.. 1.2.4. KLASYFIKACJA STENTÓW WIEēCOWYCH. Wymagania stawiane stentom są bardzo ogólne i nie precyzują szczegółowych cech iloĞciowych czy jakoĞciowych. Dodatkowo, duĪe zainteresowanie Ğrodowiska lekarskiego tą metodą leczenia skłoniło przemysł do produkcji zróĪnicowanych modeli tych implantów. Obecnie na rynku znajduje siĊ wiele rodzajów stentów, które moĪna podzieliü ze w wzglĊdu na [9, 10, 11,12, 6, 13, 107]:.

(18) 1. WSTĉP. 17. − TechnikĊ ich rozprĊĪania wewnątrz naczynia krwionoĞnego, wyróĪnia siĊ: a) Stenty samorozprĊĪalne wykonane z drutu zwiniĊtego w sprĊĪystą spiralĊ, która rozprĊĪa siĊ po wprowadzeniu do naczynia i przyjmuje róĪne wymiary, przy zachowaniu. odĞrodkowej. siły. rozprĊĪającej.. Po. przeprowadzeniu. badaĔ. klinicznych okazało siĊ jednak, Īe stenty tego typu charakteryzują siĊ podwyĪszonym ryzykiem wykrzepiania krwi. b) Innym rodzajem stentów samorozprĊĪalnych są konstrukcje, które ulegają rozprĊĪeniu pod wpływem ciepła. Zbudowane są one ze stopu wykazującego efekt pamiĊci kształtu (stopy niklu i tytanu). Po wprowadzeniu do miejsca zwĊĪonego naczynia, stent zostaje ogrzany w wyniku, czego spirala ulega rozprĊĪeniu do poĪądanego wymiaru. Ten typ stentów klinicznie nie znalazł zastosowania ze wzglĊdu na skomplikowany proces wprowadzania i trudny do przewidzenia stopieĔ ich rozprĊĪenia. c) W 1984 roku Julio Palmaz wprowadził stenty implantowane przy uĪyciu balonu. Zastosowanie. balonu. wykorzystuje. plastyczne. właĞciwoĞci. tworzywa. metalicznego, z którego wykonany jest stent, a takĪe ułatwia precyzyjne jego załoĪenie. Zaletą tego typu stentów jest niski profil i mała całkowita powierzchnia implantu.. a). c). b). d). Rys.4. Przykłady rozwiązaĔ konstrukcyjnych stentów wieĔcowych: a) siateczkowy, b)pierĞcieniowy, c) w kształcie zwoju, d) rurkowy z naciĊciami [10]..

(19) 1. WSTĉP. 18. − KonstrukcjĊ implantów wieĔcowych moĪna sklasyfikowaü równieĪ, ze wzglĊdu na technologiĊ wykonania (rys. 4.), wyróĪnia siĊ wĞród nich nastĊpujące stenty: a) siateczkowe, produkowane z nachodzących na siebie metalowych włókien, b) rurkowe z naciĊciami, wyciĊte laserowo z ciągłej metalowej rurki, c) w kształcie zwoju, produkowane z jednego docinka metalowego drutu, d) pierĞcieniowe, zbudowane z powtarzających siĊ modułów, krótkich zwojów. − Stenty wieĔcowe produkowane są ponadto w róĪnych kształtach (rys. 5.), ze wzglĊdu na miejsce implantacji, wyróĪnia siĊ: a) stenty w kształcie litery „T”, zakładane są w miejscach, gdzie odchodzą bocznice tĊtnic wieĔcowych, b) stenty w kształcie litery „Y”, stosowane w miejscach rozgałĊzieĔ tĊtnic, c) stenty w kształcie litery „I”, implantowane w odcinkach prostych tĊtnic wieĔcowych.. b) a) Rys.5. Przykłady stentów o róĪnych kształtach: a) stent w kształcie litery „Y”, b) stenty w kształcie litery „I” [10].. 1.2.5. MATERIAŁY PRZEZNACZONE NA STENTY. Biomateriał wprowadzony do układu krwionoĞnego nie moĪe powodowaü nieodwracalnych uszkodzeĔ struktury białek, blokowania działania enzymów, zmian składu elektrolitu oraz uszkodzeĔ elementów morfotycznych krwi. Jednoczenie nie powinien inicjowaü reakcji toksycznych, mutagennych lub immunologicznych [13, 14]..

(20) 1. WSTĉP. 19. Obecnie na rynku wystĊpuje wiele stentów wieĔcowych wykonanych z róĪnych typów materiałów, do najbardziej popularnych zalicza siĊ [10, 13]: -. stal austenityczną AISI 316L (wiĊkszoĞü stentów),. -. nitinol (RadiusTM , CardicoilTM, HARTSTM, ParagonTM),. -. stopy platyny z irydem (AngiostentTM),. -. tantal (Wiktor®, CordisTM , StreckerTM),. -. kobalt (Magic WallstentTM),. -. złoto (NIROYALTM),. -. polimery (fosforylocholina - DyvYsioTM stent, PTFE - Jostent®),. -. stopy kobaltu (DriverTM, VisionTM),. -. tytan (TTS).. Wszystkie wyĪej wymienione rodzaje materiałów spełniają wymagania stawiane materiałom przeznaczonym do zastosowaĔ w medycynie implantacyjnej NajczĊĞciej jednak stosowanym tworzywem do produkcji stentów wieĔcowych jest stal austenityczna kwasoodporna AISI 316L. Austenityczne stale kwasoodporne stanowią grupĊ tworzyw, które najwczeĞniej zostały przystosowane do implantowania w organizmie ludzkim [9, 15, 97, 98, 109]. Systematyczne modernizowanie składu chemicznego i fazowego stali było konsekwencją wieloletnich badaĔ nad ich biotolerancją. Stale przeznaczone na implanty mają ĞciĞle ustalone składy chemiczne, które zapewniają im paramagnetyczną strukturĊ austenityczną. Do głównych pierwiastków stopowych w stalach tego typu zaliczyü naleĪy chrom, nikiel i molibden, natomiast wprowadzenie innych dodatków wpływa na przesuniĊcie granic wystĊpowania poszczególnych faz, a takĪe oddziaływuje na stabilnoĞü struktury austenitycznej. W stalach przeznaczonych na stenty wieĔcowe stosunek Cr-Ni-Mo powinien wynosiü około: 18% – 15% – 2,5%. W wyniku zwiĊkszenia stĊĪenia niklu wzrasta odpornoĞü stali na korozjĊ naprĊĪeniową, ponadto wysoka energia tworzenia chlorku niklu utrudnia penetracjĊ jonów chloru do tlenkowej warstwy pasywnej. ZawartoĞü molibdenu w sposób wyraĨny oddziaływuje na kształt krzywej polaryzacji anodowej, zwiĊksza on takĪe odpornoĞü na korozjĊ wĪerową. Chrom podobnie jak molibden, poprawia odpornoĞü na korozjĊ wĪerową poprzez polepszenie własnoĞci pasywujących stali oraz przyczynia siĊ do wytworzenia na jej powierzchni warstw tlenkowych..

(21) 1. WSTĉP. 20. Bardzo waĪnym aspektem dotyczącym stali stosowanej do produkcji stentów wieĔcowych jest ich stopieĔ zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi, pozostałymi po procesach metalurgicznych. Rodzaj wtrąceĔ, ich kształt, iloĞü oraz sposób rozmieszczenia moĪe mieü olbrzymi wpływ na anizotropiĊ własnoĞci mechanicznych materiału szczególnie, jeĪeli mamy do czynienia z miniaturyzacją implantu. Nie bez wpływu równieĪ pozostaje wielkoĞü ziaren austenitu. Zgodnie z zaleĪnoĞcią Halla-Petcha rozmiar ziaren w sposób istotny wpływa na wytrzymałoĞü zmĊczeniową tworzyw konstrukcyjnych. Wyniki badaĔ przedstawiane przez Paszende, wykazują, iĪ optymalny dla stentów rozmiar ziaren nie powinien byü wiĊkszy niĪ odpowiadający wzorcowi G = 4 wg. normy PN-ISO 5832-1/1997 [13, 14]. Wymusza to koniecznoĞü stosowania stali wysokiej jakoĞci, charakteryzującej siĊ drobnoziarnistą strukturą austenitu i minimalną iloĞcią zanieczyszczeĔ o duĪej dyspersji. 1.3. RESTENOZA PowaĪnym zjawiskiem dotyczącym około 15–30% wszystkich chorych poddanych zabiegowi implantacji stentu [5] jest wtórny nawrót zwĊĪenia, nazywany restenozą. Zjawisko to obserwowane jest w badaniu angiograficznym jako nagłe zmniejszenie Ğrednicy naczynia, o co najmniej 50% w stosunku do wartoĞci uzyskanej w trakcie zabiegu angioplastyki. Przyczyną wystąpienia zmian restenotycznych są liczne komórkowe i molekularne mechanizmy zachodzące w Ğwietle oraz Ğcianie naczynia wieĔcowego na. skutek. mechanicznego. uszkodzenia. tĊtnicy. implantowanym. stentem,. rys. 6 [5,16-21].. Rys.6. Przypuszczalne mechanizmy powstania restenozy po angioplastyce wieĔcowej [5]..

(22) 1. WSTĉP. 21. Klinicznie restenoza manifestuje siĊ nasileniem objawów dławicowych, zmianą wyników testu wysiłkowego, a takĪe zawałem miĊĞnia sercowego w obszarze poszerzonej tĊtnicy. Przyjmuje siĊ, Īe objawy te Ğwiadczą o wystąpieniu restenozy, jeĪeli pojawiają siĊ w okresie 6 miesiĊcy po wykonaniu zabiegu angioplastyki wieĔcowej [1].. 1.3.1. MECHANIZM POWSTANIA RESTENOZY W procesie zmian zachodzących w naczyniu po implantacji stentu moĪna wyróĪniü trzy etapy [17,21] – rys. 7: •. faza wczesnej odpowiedzi na uszkodzenie spowodowane mechanicznym rozprĊĪeniem stentu wieĔcowego, dochodzi do powstania skrzepu i szybkiej reakcji Ğciany naczynia na rozciąganie,. •. faza degranulacji komórek układu białokrwinkowego z pobudzeniem fibroblastów i mioblastów do proliferacji prowadzącej do zwiĊkszenia iloĞci miĊdzykomórkowej macierzy bĊdącej główną przyczyną formowania siĊ neointimy,. •. faza póĨna związana z przebudową Ğciany naczynia, odpowiedzialną za ostateczne zamkniĊcia Ğwiatła naczynia.. a). b). c). d). Rys.7. Proces zmian zachodzących w naczyniu po implantacji stentu; a) powstanie skrzepu na powierzchni implantu, b) migracja komórek miĊĞni gładkich i przydanki, c) tworzenie siĊ neointimy, d) restenotyczne zmniejszenie przekroju naczynia..

(23) 1. WSTĉP. 22. Podczas implantacji stentu wewnątrz naczynia wieĔcowego dochodzi do przerwania ciągłoĞci Ğródbłonka i odsłoniĊcie macierzy podĞródbłonkowej oraz kolagenu błony wewnĊtrznej. Przerwanie ciągłoĞci Ğródbłonka powoduje upoĞledzenie jego funkcji przeciwzakrzepowych, spowodowanych produkcją tlenku azotu i prostacykliny, bĊdących warunkiem prawidłowego przepływu krwi w naczyniu [1]. Dodatkowo, odsłoniĊcie włókien tkanki łącznej i macierzy miĊdzykomórkowej sprzyja adhezji oraz aktywacji płytek krwi i wiązaniu fibrynogenu, co prowadzi do powstania skrzepu w obszarze poszerzanego naczynia. W skrajnych przypadkach moĪe wystąpiü ostra zakrzepica zwiĊkszająca ryzyko wystąpienia zawału serca [19-23]. Po okresie 3-7 dni od zaimplantowania stentu komórki zapalne przemieszczają siĊ w kierunku Ğciany naczynia i inicjują miejscowy proces zapalny. JednoczeĞnie w wyniku uwolnienia czynników mitogennych dochodzi do proliferacji i migracji komórek miĊĞni gładkich, tworzących nową błonĊ wewnĊtrzna naczynia, nazywaną neointimą. Tworzenie neointimy wymaga dostarczenia nowych komórek oraz udziału substancji miĊdzykomórkowej [18, 19, 21, 23]. W pierwszych tygodniach od zabiegu aktywowane komórki miĊĞni gładkich medii i przydanki migrują do uszkodzonej błony wewnĊtrznej, gdzie proliferują tworząc zewnątrzkomórkową macierz. Nowo powstałe zmiany restenotyczne są ubogiekomórkowo, zbudowane głównie z kolagenu i elastyny oraz z fibronektyny i proteoglikanów. Pomimo zabezpieczenia Ğcian naczynia poprzez stent w ostatniej fazie dochodzi do przebudowy tĊtnicy, powodującej ostatecznie utratĊ jej Ğwiatła [16, 17, 24, 25]. Proces ten opisywany jest w literaturze jako przystosowawcze zmiany strukturalne zachodzące w całym naczyniu wieĔcowym w odpowiedzi na jego mechaniczne uszkodzenie.. 1.3.2. CZYNNIKI RYZYKA RESTENOZY Badania nad zjawiskiem restenozy doprowadziły do okreĞlenia szeregu czynników, mogących sprzyjaü jej rozwojowi. MoĪna je podzieliü na czynniki kliniczne i anatomiczne. Do klinicznych zalicza siĊ niestabilną dusznicĊ bolesną, płeü mĊską, cukrzyce, hipercholesterolemiĊ, niewydolnoĞü nerek oraz palenie papierosów. Czynniki anatomiczne to: duĪy stopieĔ zwĊĪenia naczynia przed zabiegiem, obecnoĞü zwapnieĔ w poszerzanej blaszce miaĪdĪycowej, długie zwĊĪenia, mała Ğrednica naczynia oraz zwĊĪenie w miejscu rozwidlenia naczynia. WystĊpują jeszcze dodatkowe czynniki ryzyka, związane z samym.

(24) 1. WSTĉP. 23. zabiegiem, są to miĊdzy innymi koĔcowe zwĊĪenia naczyĔ, zastosowanie małego cewnika balonowego oraz minimalny wymiar Ğwiatła naczynia po PTCA [5,17,21]. 1.3.3. METODY LECZENIA ZMIAN RESTENOTYCZNYCH. U. chorego. z. restenozą. najczĊĞciej. wykonuje. siĊ. kolejną. angioplastykĊ.. Jej skutecznoĞü jest wiĊksza niĪ w zmianach pierwotnych, a odsetek powikłaĔ mniejszy. Kolejny nawrót zwĊĪenia wystĊpuje jednak czĊĞciej. Zastosowanie stentów lub aterektomów do leczenia kolejnych restenoz jest obecnie poddawane ocenie klinicznej. UwaĪa siĊ, Īe pojawienie siĊ trzeciej restenozy po kolejnych zabiegach PTCA stanowi bezwzglĊdnie wskazanie do leczenia kardiochirurgicznego [1]. Analiza problemu wykazała jednak, Īe zdecydowanie lepszą metodą hamującą powstanie zwĊĪenia jest zastosowanie dodatkowych warstw wierzchnich na powierzchni stentu, mających na celu wytworzenie obojĊtnej bariery pomiĊdzy metalowym szkieletem implantu, a tkankami układu krwionoĞnego, a takĪe pełniących rolĊ noĞników leków [21].. 1.3.4. IMPLANTY ODPORNE NA RESTENOZĉ. Wprowadzenie metalowego stentu do układu naczyniowego inicjuje kompleksową reakcjĊ pomiĊdzy składnikami krwi a jego powierzchnią. Proces ten stanowi o niebezpieczeĔstwie wykrzepiania krwi na powierzchni implantu sprzyjającego nawrotom zwĊĪenia w Ğwietle tĊtnicy wieĔcowej. Jedną z metod mającą na celu ograniczenie tych powikłaĔ jest stosowanie stentów pokrytych odpowiednimi lekami przeciwzakrzepowymi oraz powlekanych materiałami obniĪającymi trombogennoĞü [26, 27]. W ostatnim dziesiĊcioleciu obserwuje siĊ zwiĊkszające zainteresowanie aplikacją materiałów niemetalicznych na potrzeby implantów stosowanych w kardiologii zabiegowej.. Do. najpopularniejszych. obecnie. naleĪą. materiały. polimerowe,. charakteryzujące siĊ dobrą biotolerancją w Ğrodowisku krwi oraz atrombogennoĞcią. Stosowane są one obecnie do produkcji samodzielnych konstrukcji implantów, elementów kompozytowych stentów oraz warstw wytwarzanych na ich powierzchni. Liczba gatunków polimerów syntetycznych niebiodegradowalnych stosowanych na powłoki. ochronne. na. powierzchni. stentów. jest. duĪa. i. ciągle. wzrasta,. do najpopularniejszych naleĪą: poliuretan, silikon, politereftalan etylenu, fosforycholina [13, 28-31]. Wyniki badaĔ wykazały skutecznoĞü tego typu warstw jedynie w ograniczeniu.

(25) 1. WSTĉP. 24. procesu wczesnego wykrzepiania krwi, nie rozwiązały natomiast problemu proliferacji błony wewnĊtrznej naczynia powodującej nawrót zwĊĪenia w postaci restenozy. Uzyskane rezultaty tych prac badawczych spowodowały zainteresowanie grupą polimerów naturalnych (m.in. polikwasy mlekowe, poliglikolid, polisacharyd) [26, 32]. Materiały te charakteryzuje zróĪnicowana budowa oraz własnoĞci, dziĊki czemu niektóre z nich ulegają biodegradacji w Ğrodowisku biologicznym. Wyniki badaĔ publikowane przez Lincoffa wykazały skutecznoĞü tego rodzaju powłok zarówno w ograniczeniu procesu wykrzepiania, jak i restenozy [6, 13, 33]. Inną metodą kształtowania własnoĞci fizykochemicznych powierzchni stentów jest heparynizacja [13, 34-37]. Metoda ta umoĪliwia wyeliminowanie podawania pacjentom w okresie pooperacyjnym leków o działaniu przeciwzakrzepowym. Otrzymane wyniki z. badaĔ. in. vivo. potwierdziły. skutecznoĞü. tych. powłok. w. ograniczeniu. aktywacji płytek krwi i tworzenia skrzepów. Jednak dalsze badania histomorfometryczne wykazały brak skutecznoĞci tak przygotowanych implantów w ograniczeniu procesu restenozy. Koncepcja zastosowania powłok ze złota miała na celu poprawĊ widocznoĞci fluoroskopowej stentów oraz zwiĊkszenie działania antybakteryjnego implantu [94, 95]. Zaletą wykorzystania tego materiału było ograniczenie ryzyka wykrzepiania krwi oraz obniĪenie toksycznoĞci wszczepu. Wyniki badaĔ wykazały jednak, Īe warstwa ta moĪe ulegaü korozji w Ğrodowisku płynów ustrojowych i ostatecznie nie zapewnia zabezpieczenia poszerzonego naczynia przed restenozą. W ostatnich latach prowadzone są równieĪ badania nad zastosowaniem amorficznego wĊglika krzemu, na pokrycia stentów wieĔcowych [6, 13, 38]. Uzyskane wstĊpne wyniki wykazują dobrą odpornoĞü korozyjną tego typu materiału w Ğrodowisku płynów ustrojowych. Znane są równieĪ doniesienia o skutecznoĞci tych powłok w ograniczaniu aktywacji płytek krwi i agregacji leukocytów. Pojawiły siĊ takĪe w literaturze informacje o korzystnym wpływie warstw wĊglowych na zwiĊkszenie biotolerancji implantów metalicznych w Ğrodowisku naczyniowym [6, 39, 40]. W grupie tych materiałów znajdują siĊ powłoki typu DLC (Diamond Like Carbon), które ze wzglĊdu na strukturĊ moĪna podzieliü na zawierające wodór a-C:H oraz niezawierające wodoru a-C. Pomimo wielu korzystnych własnoĞci warstw typu DLC ich aplikacja do pokrywania powierzchni stentów jest obecnie uwaĪana za kontrowersyjną. WątpliwoĞci związane są głównie z kruchoĞcią tego typu materiału, mogącą inicjowaü.

(26) 1. WSTĉP. 25. pĊkanie stentów podczas implantacji, a takĪe w czasie ich uĪytkowania w warunkach zmiennych obciąĪeĔ, panujących w naczyniu wieĔcowym. DuĪym postĊpem w profilaktyce procesu wykrzepiania oraz w leczeniu zmian restenotycznych było zastosowanie stentów uwalniających leki. Do struktury powłok polimerowych osadzonych na stentach wprowadzane są substancje atrombogenne i przeciwzapalne, które po wprowadzeniu implantu do tĊtnic uwalniane są stopniowo do krwi i tkanek naczynia. Wyniki badaĔ klinicznych wykazują, Īe jest to jedno z najbardziej znaczących osiągniĊü w kardiologii zabiegowej [13, 41-45]. Obecnie na rynku znajduje siĊ wiele stentów róĪniących siĊ rodzajem, dawką leku, a takĪe sposobem jego uwalniania oraz czasem działania na komórki Ğcian naczyĔ wieĔcowych – rys. 8. Leki stosowane w warstwach wierzchnich stentów moĪna sklasyfikowaü ze wzglĊdu na sposób działania na ĞcianĊ tĊtnic i na cały układ krąĪenia wieĔcowego, spoĞród najczĊĞciej stosowanyh wyróĪnia siĊ nastĊpujące substancjĊ: -. antyproliferacyjne: Paclitaxel, aktynomycyna, Vinkrystyna, Metotrexat,. -. immunosupresyjne: Sirolimus, tacrolimus, tranilast, dexametazon, cyklosporyna,. -. hamujące migracjĊ komórek: Halofuginan, inhibitor C-proteinazy, Inhibitor metaloproteinazy, batimastat, inhibitor hydroksylazy propylowej,. -. pobudzające proces gojenia i poprawiające funkcjĊ Ğródbłonka: VEGF, 17-b estradiol, statyny, BCP 671,. -. hamujące wykrzepianie: Hirudyna, heparyna, iloprost, abciximab.. Rys.8. RóĪne konstrukcje stentów uwalniających lek..

(27) 1. WSTĉP. 26. Obecnie wĞród badanych substancji najkorzystniejszy efekt w prewencji restenozy wykazano dla dwóch leków: repamecyny oraz paclitaxelu [21, 44, 45]. Wyniki wielooĞrodkowych, randomizowanych badaĔ, wykazały wysoką skutecznoĞü stentów pokrywanych tymi lekami w porównaniu ze stentami bez powłoki.. 1.4. PROPONOWANA METODA MODYFIKACJI POWIERZCHNI STENTU Obecnie na rynku znajduje siĊ wiele stentów pokrytych róĪnymi materiałami, pomimo tego nadal prowadzone są w licznych oĞrodkach badania nad nowymi technologiami, zapewniającymi lepsze własnoĞci mechaniczne i fizykochemiczne powłok oraz usprawniającymi sposoby uwalniania leków [26-45]. W rozprawie doktorskiej na pokrycia stentów wieĔcowych proponuje siĊ zastosowanie krzemionkowych warstw wierzchnich wytwarzanych nową technologią zol-Īelową. Jest to obecnie jedna z najbardziej progresywnych metod modyfikacji właĞciwoĞci warstwy wierzchniej biomateriałów metalicznych.. 1.4.1. TECHNOLOGIA ZOL-ĩEL. Metoda zol-Īel polega na sporządzaniu roztworów koloidalnych (zoli) w wyniku hydrolizy i kondensacji uĪytych prekursorów. Zaawansowany proces kondensacji, połączony z odparowaniem rozpuszczalnika, prowadzi do otrzymania Īeli, z których po wypaleniu moĪna uzyskaü powłokĊ ceramiczną na podłoĪu implantu metalicznego [46-48] – rys. 9.. Rys.9. Procesy zachodzące w poszczególnych etapach otrzymywania warstwy metodą zol-Īel [48].. Pierwszym etapem syntezy jest połączenie ciekłego prekursora (alkoholanu) alkoksykrzemowego w odpowiednim stosunku molowym z rozpuszczalnikiem [47, 49]. NajczĊĞciej. stosowanymi. prekursorami. krzemionki. są. tetraetoksysilan. oraz.

(28) 1. WSTĉP. 27. tetrametoksysilan, oznaczane jako TEOS oraz TMOS. Rozpoczyna siĊ proces hydrolizy roztworu wyjĞciowego: Ł Si-O-C2H5 + H2O ↔ Ł Si-OH + C2H5OH Niemal jednoczeĞnie z uzyskaniem homogenicznego hydrolizatu (zolu) nastĊpuje proces kondensacji (Īelowania). Polega on na utworzeniu sieci wiązaĔ Ł Si-O-Si Ł, bĊdących w stanie utrzymaü fizyczną spójnoĞü próbki i zachowaü kształt nadany przez naczynie. Za tworzenie mostków siloksanowych odpowiedzialne są procesy kondensacji [47, 50]: Ł Si-O-C2H5 + HO-Si Ł ↔ Ł Si-O- Si Ł + C2H5OH Ł Si-OH + HO-Si Ł ↔ Ł Si-O- Si Ł + H2O W tym etapie moĪliwe jest łączenie siĊ fragmentów sieci w jedną makroczĊteczkĊ. Cząstki roztworu koloidalnego ulegają agregacji tworząc cząstkĊ o rozmiarach makroskopowych, obejmujących całą objĊtoĞü pierwotnego roztworu. ĩel jest ciałem, co najmniej dwuskładnikowym, w którym rozproszona jest w duĪej iloĞci ciecz. ĩel zachowuje kształt, lecz ulega łatwo deformacji pod wpływem małych sił [50, 51]. Czasowe rozgraniczenie procesów hydrolizy i kondensacji jest praktycznie niemoĪliwe. Obie reakcje chemiczne biegną równolegle, tworząc skomplikowany układ stanów. równowagi. wraĪliwych. na. szereg. czynników.. WaĪnymi. parametrami. technologicznymi przy otrzymywaniu materiałów zol-Īelowych są: stosunek molowy wody do prekursora, pH hydrolizatu oraz temperatura procesu [47]. Kolejnym etapem procesu zol-Īel jest dojrzewanie, podczas którego ulega rozbudowie trójwymiarowa struktura Īelu. Ma to związek z uwalnianiem wody i alkoholu. Otrzymane po dojrzewaniu Īele zostają poddane procesowi suszenia. Proces ten składa siĊ z dwóch etapów (rys. 10): − etap CRP (Constant Rate Period), w którym prĊdkoĞü ubywania wody z Īelu jest stała, − etap FRP (Falling Rate Period), w którym ulega zmniejszeniu prĊdkoĞü ubywania wody z Īelu. Suszenie jest najtrudniejszym etapem otrzymywania materiałów metodą zol-Īel. Bardzo trudnym do unikniĊcia zjawiskiem podczas tego procesu jest pĊkanie powłoki. NaprĊĪenia w powłoce są porównywalne z napiĊciem powierzchniowym cieczy [47, 52, 53]. Gdy powłoka sztywnieje, jej napiĊcie jest równe naprĊĪeniom kapilarnym, a niejednorodnoĞci w systemie porów prowadzą do nierównomiernego rozkładu tych.

(29) 1. WSTĉP. 28. naprĊĪeĔ. Wyniki badaĔ wykazały, Īe powłoki o gruboĞci do ok. 0,5μm nie ulegają pĊkaniu, natomiast w przypadku powłok grubszych zjawisko to wystĊpuje niemal zawsze [54, 55].. Rys.10. Dynamika utraty wody w trakcie procesu suszenia Īelu [49].. Ostatni etap procesu zol-Īelowego, wypalanie, jest konieczny tylko wtedy, jeĪeli syntezowany materiał został przeznaczony do pracy w szczególnych warunkach np. w otoczeniu wody lub innych płynów, miĊdzy innymi fizjologicznych. Celem wypalania jest usuniĊcie pozostałych grup hydroksylowych oraz organicznych [47, 56, 57]. W przypadku powłok na implanty medyczne wszystkie czĊĞci organiczne mogą powodowaü reakcje toksyczne, mutagenne lub immunologiczne, co w konsekwencji moĪe doprowadziü do odrzutu implantu [13, 60]. Mechanizmy termicznej i chemicznej stabilizacji wymagają stosowania temperatur rzĊdu 500 – 800˚C. Wraz ze wzrostem temperatury obserwuje siĊ nastĊpujące zmiany w powłoce [49]: − w temp do ok. 250˚C nastĊpuje usuniĊcie wody fizycznie zaadsorbowanej przez Īel, − w temp. 250-600˚C nastĊpuje wypalenie substancji organicznych, co objawia siĊ brązowym zabarwieniem próbki, − w temp. 700-1300˚C nastĊpuje zamkniĊcie porów i formowanie materiału nieporowatego np. szkła w przypadku uĪycia prekursora krzemowego..

(30) 1. WSTĉP. 29. 1.4.2. METODA NANOSZENIA POWŁOK Powłoki wytwarzane metodą zol-Īel mogą byü nanoszone poprzez zanurzanie, wirowanie lub natryskiwanie [47, 48, 57]. W rozprawie doktorskiej zastosowano metodĊ zanurzeniową, nazywaną równieĪ w literaturze metodą dip-coating. Scriven [47, 48, 58] w badaniach nad tą metodą nanoszenia powłok wyróĪnił piĊü etapów procesu: zanurzenie, wynurzenie, nanoszenie, odciekanie nadmiaru cieczy oraz odparowanie – rys. 11. W przypadku zastosowania lotnych rozpuszczalników, takich jak alkohol, naleĪy pamiĊtaü, Īe odparowanie zawsze towarzyszy wynurzaniu, nanoszeniu oraz początkowi ociekania. Dodatkowo, w praktyce, na kinetykĊ procesu odparowywania ma wpływ ruch powietrza nad roztworem wyjĞciowym.. ZANURZANIE. WYNURZANIE. OCIEKANIE. NANOSZENIE I POCZĄTEK OCIEKANIA. ODPAROWANIE. Rys.11. Poszczególne etapy procesu nanoszenia powłok metodą zanurzeniową [47].. Podczas nanoszenia bardzo waĪnymi parametrami decydującymi o gruboĞci otrzymanych powłok są: lepkoĞü roztworu oraz prĊdkoĞü zanurzania i wynurzania podłoĪa. JeĪeli lepkoĞü cieczy η oraz prĊdkoĞü podłoĪa U są dostatecznie duĪe i zmniejszają.

(31) 1. WSTĉP. 30. krzywiznĊ menisku, wówczas gruboĞü uzyskiwanej powłoki h równowaĪy lepki opór (αηU/h) oraz siły ciĊĪkoĞci (ρgh) [47, 58]: h = c1(ηU/ρg)1/2, gdzie c1=0,8 to stała proporcjonalnoĞci dla cieczy newtonowskich. W sytuacji, kiedy lepkoĞü cieczy i prĊdkoĞü ruchu podłoĪa nie są dostatecznie duĪe, równowaga ta jest opisywana poprzez stosunek lepkiego oporu cieczy do napiĊcia powierzchniowego pary. γLν zgodnie z zaleĪnoĞcią [47]: h = 0,94(ηU)2/3/γLν1/6(ρg)1/2. Wyniki badaĔ Strawbridga i Jamesa, przeprowadzone dla roztworu krzemionkowego wykazały, iĪ wraz ze wzrostem lepkoĞci cieczy wzrasta gruboĞü powłoki [55]. Natomiast praca Schrerera [47, 53] prezentująca wyniki badaĔ zaleĪnoĞci pomiĊdzy gruboĞcią powłoki, a prĊdkoĞcią ruchu podłoĪa dla róĪnych zoli krzemionkowych udowodniła, Īe im mniejsza prĊdkoĞü wynurzania tym cieĔsza powłoka. Rezultaty badaĔ, prowadzonych w róĪnych Ğwiatowych oĞrodkach wskazują, iĪ gruboĞci amorficznych warstw krzemionkowych wytwarzanych metodą zol-Īel wahają siĊ w granicach od 50 do 1000nm [48, 56, 59].. 1.4.3. WŁASNOĝCI POWŁOK ZOL-ĩELOWYCH. Metoda zol-Īel pozwala na pokrywanie cienkimi warstwami – powłokami powierzchni o róĪnych, nawet bardzo skomplikowanych kształtach. Z przedstawionych informacji na temat tej technologii wynika, Īe powłoki moĪna modyfikowaü w róĪny sposób, nadając im np. oczekiwaną chropowatoĞü, porowatoĞü, a stosując odpowiednie prekursory moĪna regulowaü ich mikrotwardoĞü lub właĞciwoĞci mechaniczne [46-48, 59]. Zol-Īele moĪna równieĪ domieszkowaü substratami, które nadają powłoce poĪądane parametry, np. biokompatybilnoĞü lub atrombogennoĞü. Dodatkowo technologia ta wykazuje wiele cennych własnoĞci, które wskazują, iĪ powłoki syntezowane tą metodą bĊdą mogły znaleĨü zastosowanie w produkcji warstw wierzchnich przeznaczonych na stenty wieĔcowe. Do najwaĪniejszych naleĪą [46, 48, 61, 62]: −. moĪliwoĞü nanoszenia powłoki na implanty o rozwiniĊtych powierzchniach,. −. niska temperatura wypalania nie powodująca zmian strukturalnych w metalicznym materiale podłoĪa,.

(32) 1. WSTĉP. −. 31. procesowi nakładania powłoki nie towarzyszy elektroliza wody, dziĊki czemu w powłoce nie wystĊpują pĊcherzyki tlenu lub wodoru,. −. naniesione powłoki charakteryzują siĊ dobrą przyczepnoĞcią do podłoĪa,. −. charakterystyczną cechą powłok jest ich mała gruboĞü - do 1000nm,. −. powłoki posiadają wysoką odpornoĞü korozyjną, wyĪszą niĪ typowy biomateriał metaliczny,. −. charakteryzują siĊ bardzo wysoką biotolerancją w Ğrodowisku tkankowym,. −. metoda. ta. daje. moĪliwoĞü. nanoszenia. powłok. zarówno. jedno. jak. i wieloskładnikowych oraz wielowarstwowych, −. jest to metoda stosunkowo tania, nie wymagająca duĪych nakładów finansowych na aparaturĊ niezbĊdną do prowadzenia syntez,. −. budowĊ makroskopową Īeli moĪna kontrolowaü, poniewaĪ takie właĞciwoĞci jak gĊstoĞü czy pole powierzchni moĪna zmieniaü w doĞü szerokich przedziałach,. −. moĪna uzyskaü porowatoĞü materiału, która pozwala na kontakt substancji aktywnej zamkniĊtej w próbce z otoczeniem.. 1.4.4. MOĩLIWOĝCI APLIKACYJNE POWŁOK SiO2 Początki badaĔ nad procesem zol-Īelowym siĊgają połowy XIX wieku, kiedy to Ebelman i Graham badali Īele krzemionkowe [50]. Pomimo wielu laboratoryjnych osiągniĊü technologia ta początkowo nie znajdowała zastosowania technologicznego. Dopiero na początku lat 70-tych XX wieku, po tym jak poznano czynniki wpływające na katalizĊ Īelowania i znacznie przyspieszono ten proces, nastąpił gwałtowny wzrost zainteresowania przemysłu metodą zol-Īelową. Technologia zol-Īelowa jest obecnie szeroko stosowana do produkcji powłok optycznych, elektronicznych, porowatych oraz ochronnych [47, 46, 89]. Wzrosło równieĪ zainteresowanie zastosowaniem tej technologii w zakresie wytwarzania warstw wierzchnich przeznaczonych na implanty, miĊdzy innymi stomatologiczne, ortopedyczne oraz traumatologiczne [48, 62, 63, 64, 90, 91]. Dwutlenek krzemu SiO2 wytwarzany metodą zol-Īel uwaĪany jest obecnie jako jeden z najbardziej obiecujących materiałów przeznaczony na antykorozyjne powłoki ochronne. Problem zastosowania stali AISI 316L na wszczepy długotrwałe, miĊdzy innymi stenty wieĔcowe, moĪe zostaü rozwiązany poprzez pokrycie powierzchni implantu tym materiałem..

(33) 1. WSTĉP. 32. Modyfikacją powierzchni stali nierdzewnej w celu zwiĊkszenia jej odpornoĞci korozyjnej zajĊli siĊ Masalski i Głuszek [47, 65, 66] oraz ChĊcmanowski i Szczygieł [67–68]. Próbki wykonane ze stali nierdzewnej gatunku AISI 316L pokrywane były,. w. róĪnych. kombinacjach,. powłokami. krzemionkowymi. otrzymywanymi. z tetraetoksysilanu (TEOSu). Wyniki badaĔ wykazały, Īe nawet jednowarstwowa powłoka SiO2 poprawia odpornoĞü korozyjną próbki w porównaniu z próbką bez powłoki. JednoczeĞnie. stwierdzono,. Īe. zdecydowanie. wiĊkszą. poprawĊ. właĞciwoĞci. antykorozyjnych osiąga siĊ nakładając powłoki kilkuwarstwowe. W procesie analiz zaobserwowano równieĪ, iĪ nawet niewielkie zmiany w procesie preparatyki, wywierają czĊsto nieproporcjonalnie duĪy wpływ na jakoĞü powłoki. Dotyczyło to zarówno metodyki oraz zakresu temperatur zastosowanych w procesie wypalania, jak i dodatków wprowadzanych do roztworu wyjĞciowego. Z analiz literaturowych wynika równieĪ, Īe powłoki SiO2 moĪna nanosiü na implanty tytanowe jako powierzchnie ochronne pod warstwy hydroksyapatytu. Powłoki hydroksyapatytowe wytwarzane metodami konwencjonalnymi charakteryzują siĊ słabą adhezją do podłoĪa, powoduje to czĊste obluzowania implantu i koniecznoĞci wykonania reoperacji. Michalik i inni wykazali, Īe obecnoĞü krzemionkowej podwarstwy zapewnia dobrą przyczepnoĞü uzyskanej powłoki do metalicznego podłoĪa, duĪo wyĪszą aniĪeli stosowane obecnie w implantologii tradycyjne warstwy hydroksyapatytu lub powłoki diamentopodobne [48, 69-71]. Warstwy krzemionkowe wzbogacane jonami wapnia oraz sodu nadają równieĪ zdolnoĞü wzrostu hydroksyapatytu na powierzchni implantu, stymulując jednoczeĞnie tkankĊ. kostną. do. szybszej. regeneracji. (materiały. osteoindukcyjne). [72–74].. OsteoindukcyjnoĞü przypisuje siĊ coraz czĊĞciej materiałom ceramicznym pochodzenia zol-Īelowego. Dodatkowo, porowaty charakter amorficznych warstw SiO2 umoĪliwia wytworzenie trwałego, stabilnego połączenia koĞü-implant, w czasie duĪo krótszym, niĪ w przypadku zastosowania implantu nie pokrytego [72, 75]. Doniesienia literaturowe wskazują, iĪ metoda zol-Īelowa moĪe byü równieĪ stosowana do otrzymywania materiałów stanowiących matryce dla innych substancji. Technologia ta pozwala na zamykanie w powłoce substancji nieorganicznych lub organicznych, enzymów, leków oraz innych związków aktywnych [76–79]. MoĪliwe jest to głównie dziĊki niskiej temperaturze procesu. Immobilizacja tych cząsteczek moĪe byü przeprowadzona na dwa sposoby: poprzez impregnacjĊ matryc (najpierw syntezuje siĊ powłokĊ, a nastĊpnie umieszcza ją w roztworze indykatora, cząsteczki przez pory.

(34) 1. WSTĉP. 33. dyfundują do jej wnĊtrza) lub poprzez domieszkowanie na etapie zolu (substancjĊ aktywną dodaje siĊ do roztworu w czasie syntezy matrycy, w procesie kondesacji molekuły zamykane są w powłoce). Badania prowadzone w róĪnych oĞrodkach [80–85] wykazały, Īe amorficzne powłoki SiO2 ulegają resorpcji w Ğrodowisku płynów ustrojowych. Wprowadzenie do struktury powłok leków oraz substancji aktywnych umoĪliwia ich kontrolowane dawkowanie oraz lokalne leczenie tkanek ludzkiego organizmu. W procesie testów in vivo oraz in vitro zaobserwowano bezpoĞredni związek czasu uwalniania (od kilku dni do kilku miesiĊcy) z gruboĞcią powłok krzemionkowych, stopniem rozbudowania ich powierzchni aktywnej oraz wielkoĞcią i iloĞcią porów. Wyniki analiz wykazały ponadto wysoką biotolerancjĊ materiału krzemionki, syntezowanego metodą zol-Īel, w Ğrodowisku tkanek Īywych..

(35) 2. TEZA I CEL PRACY. 2.. 34. TEZA I CEL PRACY. 2.1. TEZA PRACY Literaturowe rozpoznanie stanu wiedzy na temat technologii zol-Īel wykazało, Īe jest to obecnie jedna z najbardziej progresywnych metod modyfikacji właĞciwoĞci warstwy wierzchniej biomateriałów przeznaczonych na implaty. Napotkane problemy, podczas syntezy powłok krzemionkowych, są ciągle badane przez naukowców w wielu oĞrodkach. Biorąc pod uwagĊ dynamiczny rozwój tej technologii oraz wyniki dotychczasowych badaĔ moĪna sformułowaü nastĊpującą tezĊ pracy:. Odpowiedni dobór stosunków objĊtoĞciowych prekursorów krzemowych oraz wprowadzenie do hydrolizatów substratu winylowego umoĪliwi uzyskanie zol-Īelowych warstw wierzchnich o właĞciwoĞciach mechanicznych spełniających wieĔcowych.. wymagania Dodatkowo. stawiane. powłokom. materiały. powłokowe. na. pokrycia. uzyskane. stentów. dziĊki. tej. technologii bĊdą mogły pełniü funkcje matryc uwalniających leki do tkanek i płynów ustrojowych ludzkiego organizmu.. 2.2. CEL NAUKOWY. Celem naukowym pracy jest identyfikacja i interpretacja czynników, związanych z materiałami stosowanymi na pokrycia stentów wieĔcowych, ograniczających nawrót zwĊĪenia w Ğwietle tĊtnicy po zabiegu angioplastyki. BĊdzie on realizowany poprzez analizĊ wybranych mechanicznych oraz fizykochemicznych własnoĞci krzemionkowych warstw wierzchnich wytwarzanych metodą zol-Īel. Przeprowadzona zostanie ponadto analiza porównawcza powłok SiO2, wysyntezowanych z zoli uzyskanych z trzech wybranych prekursorów krzemowych połączonych w róĪnych stosunkach objĊtoĞciowych..

(36) 2. TEZA I CEL PRACY. 35. 2.3. ZAKRES PRACY. RealizacjĊ przedstawionego w rozprawie doktorskiej celu naukowego zaplanowano w jedenastu etapach. Poszczególne etapy scharakteryzowano nastĊpująco:. Etap I Rozpoznanie stanu zagadnienia dotyczącego zastosowania metody angioplastyki wieĔcowej w leczeniu choroby niedokrwiennej serca oraz problemu nawrotu zwĊĪenia po zabiegu implantacji stentu do naczyĔ wieĔcowych. OkreĞlenie czynników, związanych z implantem, wpływających na czĊstoĞü wystĊpowania restenoz. Podstawowy obszar rozpoznania powinien skupiü siĊ na zagadnieniach związanych z reakcją organizmu na wprowadzenie biomateriału metalicznego. Etap I zakłada równieĪ krytyczną analizĊ dotychczas stosowanych metod kształtowania własnoĞci. fizykochemicznych. warstwy. powierzchniowej. stentów. wieĔcowych.. W przedkładanym etapie badawczym zakłada siĊ wykonanie podstawowej chrakterystyki tworzyw niemetalicznych stosowanych na powłoki implantów wewnątrznaczyniowych oraz ich wpływu na ograniczenie procesów restenotycznych w poszerzanych tĊtnicach.. Etap II Udowodnienie słusznoĞci koncepcji zastosowania, na pokrycia stentów wieĔcowych, krzemionkowych warstw wierzchnich wytwarzanych technologią zol-Īelową. Etap zawiera analizĊ literaturową z zakresu preparatyki powłok, ich własnoĞci mechanicznych oraz fizykochemicznych, a takĪe rozpoznanie moĪliwoĞci aplikacyjnych warstw krzemionkowych.. Etap III Przeprowadzenie próby wyjaĞnienia zjawiska restenozy wystĊpującego po zabiegach angioplastyki. Etap zawiera mikroskopową oraz histologiczną analizĊ procesów zachodzących w Ğwietle oraz Ğcianie naczynia wieĔcowego bĊdących przyczyną wystąpienia wtórnego zwĊĪenia w miejscu poszerzenia tĊtnicy stentem. Planuje siĊ wykonanie badaĔ tĊtnic bezpoĞrednio po implantacji stentu jak i po okresie kilku lat od zabiegu..

(37) 2. TEZA I CEL PRACY. 36. Etap IV Opracowanie preparatyki syntezowania krzemionkowych warstw wierzchnich metodą zol-Īel. W przedkładanym etapie zakłada siĊ opracowanie metodyki przygotowania stalowych podłoĪy pod warstwy SiO2, wybór prekursorów krzemowych oraz ich stosunków objĊtoĞciowych, zaprojektowanie i wykonanie urządzenia do wyciągania cienkich filmów, dobór czasów schniĊcia oraz temperatur wypalania powłok.. Etap V Wykonanie, zgodnie z opracowaną preparatyką, krzemionkowych warstw wierzchnich metodą zol-Īel na podłoĪach stalowych. Etap badawczy zawiera wysyntezowanie kilku powłok róĪniących siĊ stosunkami objĊtoĞciowymi wybranych prekursorów oraz mikroskopowa ocenĊ ich jakoĞci. Dopuszcza siĊ równieĪ moĪliwoĞü modyfikacji metodyki otrzymywania warstw w celu uzyskania zadowalających wyników.. Etap VI Przeprowadzenie. analizy. własnoĞci. fizykochemicznych. otrzymanych. warstw. krzemionkowych. Planuje siĊ wykonanie badaĔ strukturalnych otrzymanych materiałów, analizĊ ich składów chemicznych oraz ocenĊ budowy fazowej, ze szczególnym uwzglĊdnieniem moĪliwoĞci aplikacyjnych powłok w zakresie pokryü na implanty wewnątrznaczyniowe.. Etap VII Wykonanie badaĔ potencjodynamicznych otrzymanych powłok SiO2 w roztworze fizjologicznym Ringera, symulującym warunki elektrochemiczne ludzkiego organizmu. Celem etapu bĊdzie ocena moĪliwoĞci zastosowania analizowanych materiałów w roli matryc uwalniających leki lub inne substancje aktywne do krwioobiegu wieĔcowego.. Etap VIII Wykonanie badaĔ własnoĞci mechanicznych wysyntezowanych warstw zol-Īelowych, ze szczególnym uwzglĊdnieniem warunków panujących podczas implantacji stentów wieĔcowych oraz czynników sprzyjających rozwojowi zmian restenotycznych. Etap VIII zakłada analizĊ wytrzymałoĞci połączenia adhezyjnego powłok ze stalowym podłoĪem, badania odpornoĞci warstw krzemionkowych na działanie sił rozciągających, pomiary gruboĞci powłok oraz stopnia rozwiniĊcia ich powierzchni aktywnej..

(38) 2. TEZA I CEL PRACY. 37. Etap IX RealizacjĊ. laboratoryjnych. testów. aplikacyjnych. otrzymanych. powłok. krzemionkowych. Planuje siĊ pokrycie analizowanymi warstwami powierzchnie rzeczywistych stentów wieĔcowych oraz ich ocenĊ mikroskopową, w warunkach przed rozprĊĪeniem przy uĪyciu balonu.. Etap X Przeprowadzenie oceny cytotoksycznoĞci krzemionkowych wasrstw wierzchnich zgodnie z normą PN-EN ISO 10993-5 „Biologiczna ocena wyrobów medycznych – CzĊĞü 5: Badania cytotoksycznoĞci: metody in vitro.”. Przedkładany etap bĊdzie miał na celu analizĊ moĪliwoĞci bezpiecznego zastosowania badanych materiałów w ludzkim organizmie.. Etap XI Podsumowanie wyników badaĔ własnych krzemionkowych warstw wierzchnich otrzymanych metodą zol-Īel. Przeprowadzenie analizy porównawczej uzyskanych rezultatów badawczych z własnoĞciami tych powłok opisywanymi przez innych badaczy. Sformułowanie wniosków uzyskanych w wyniku przeprowadzenia badaĔ własnych..

(39) 3. METODYKA BADAē. 38. 3. METODYKA BADAē. Zapewnienie odpowiedniej trwałoĞci biomateriału w Ğrodowisku tkankowym wymaga wykonania wielu badaĔ, miĊdzy innymi: strukturalnych, wytrzymałoĞciowych, oceny chropowatoĞci powierzchni, badaĔ biotolerancji w Ğrodowisku tkankowym oraz odpornoĞci na korozjĊ. Obecnie zastosowanie w inĪynierii biomedycznej znajdują wszystkie metody i techniki badawcze szeroko stosowane w inĪynierii materiałowej. Wysokie wymagania, jakie stawia siĊ biomateriałom przyczyniają siĊ do zastosowania najnowszych technik badania struktury i właĞciwoĞci materiałów. Zastosowana w rozprawie doktorskiej metodyka badawcza obejmowała: − mikroskopowe oraz histologiczne badania materiałów biologicznych, − badania z zastosowaniem metod mikroskopii Ğwietlnej i skaningowej mikroskopii elektronowej, − badania z zastosowaniem metod elektronowej mikroskopii transmisyjnej, − rentgenograficzną analizĊ strukturalną, − ocenĊ budowy fazowej metodami spektralnymi, − mikroanalizĊ składu chemicznego, − badania elektrochemiczne, − pomiary gruboĞci, − analizĊ wytrzymałoĞci połączenia adhezyjnego powłok z podłoĪem, − badania odpornoĞci warstw krzemionkowych na działanie sił rozciągających, − badania topografii powierzchni, − badania cytotoksycznoĞci metodą bezpoĞredniego kontaktu..

(40) 3. METODYKA BADAē. 39. 3.1.MIKROSKOPOWE ORAZ HISTOLOGICZNE BADANIA MATERIAŁÓW BIOLOGICZNYCH. Badania. materiałów. biologicznych. przeprowadzone. zostały. we. współpracy. z Profesorem Krzysztofem Moroniem z Katedry Radiologii Akademii Medycznej we Wrocławiu oraz z dr Piotrem Kuropką z Katedry Anatomii i Histologii Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Badaniom poddano cztery tĊtnice wieĔcowe pochodzące od pacjentów po zabiegach angioplastyki wieĔcowej z zastosowaniem stentów. We wszystkich przypadkach zastosowano ten sam typ implantów. Trzy tĊtnice typu pierwszego pobrane zostały do badaĔ po 3–5 dobach od implantacji stentu, natomiast tĊtnica drugiego typu pochodziła od pacjenta, poddanego zabiegowi angioplastyki 5 lat temu. Materiał do badaĔ histologicznych oraz mikroskopowych został utrwalony w 2,5% i 5% roztworze aldehydu glutarowego na 0,1 M oraz w buforze fosforanowym o pH 7,2–7,4. Próbki nastĊpnie płukano oraz odwadniano w szeregu alkoholowym i zatapiano w parafinie. WyciĊte z przekroju poprzecznego skrawki o gruboĞci 5 ȝm barwiono hematoksyliną i eozyną. Uzyskane preparaty histologiczne obserwowano za pomocą mikroskopu Ğwietlnego stosując powiĊkszenia z zakresu od 40× do 400×. Po wykonanych badaniach histologicznych, materiał odparafinowano w kilku, nastĊpujących po sobie kąpielach w ksylenie. Po wysuszeniu materiał napylono warstwą amorficznego złota. Preparaty analizowano przy uĪyciu elektronowego mikroskopu skaningowego JEOL 5800LV (SEM) stosując powiĊkszenia z zakresu od 150× do 3000×. Skład chemiczny materiałów wykazujących zmiany restenotyczne wyznaczono przy uĪyciu mikroanalizatora rentgenowskiego Oxford Link ISIS 300, stanowiącego integralną czĊĞü mikroskopu skaningowego.. 3.2.BADANIA Z ZASTOSOWANIEM METOD MIKROSKOPII ĝWIETLNEJ I SKANINGOWEJ MIKROSKOPII ELEKTRONOWEJ. Do oceny rezultatów badaĔ wytrzymałoĞci połączenia adhezyjnego powłok krzemionkowych z podłoĪem, austenityczną stalą kwasoodporną AISI 316L, wykorzystano mikroskop Ğwietlny Neophot 32. Obserwacje powierzchni poddanych badaniom przyczepnoĞci prowadzono przy powiĊkszeniach w zakresie od 25× do 1000×. RejestracjĊ.

(41) 3. METODYKA BADAē. 40. obrazów wykonano sprzĊĪoną z mikroskopem kamerą cyfrową Visitron Systems z wykorzystaniem oprogramowania Spot Advanced. ObserwacjĊ powierzchni wykonanych powłok krzemionkowych przeprowadzono z zastosowaniem elektronowego mikroskopu skaningowego JEOL 5800LV, stosując powiĊkszenia od 150× do 3000×. W trakcie badaĔ stosowano napiĊcie przyspieszające 20 i 25 kV. ObserwacjĊ prowadzono w kontraĞcie materiałowym wykorzystując detektory SE i BSE.. 3.3.BADANIA Z ZASTOSOWANIEM METOD ELKTRONOWEJ MIKROSKOPII TRANSMISYJNEJ. AnalizĊ mikrostruktury materiału badanych powłok SiO2 realizowano przy uĪyciu elektronowego. mikroskopu. transmisyjnego. Philips. EM400. stosując. napiĊcie. przyspieszające 120 kV. Stosowano powiĊkszenia z zakresu od 22 000× do 60 000×. Badania prowadzono w laboratorium naukowym University of Duisburg – Essen, Institute of Product Engineering. Materiał do badaĔ przygotowano w postaci drobnego proszku, pochodzącego z materiału powłokowego, naniesionego w kropli alkoholu na błonkĊ noĞną, wykonaną z amorficznego wĊgla, umieszczoną na siatce preparatowej. Proszek uzyskano poprzez wysuszenie i wypalenie niewielkiej iloĞci roztworów wyjĞciowych.. 3.4.RENTGENOGRAFICZNA ANLIZA STRUKTURALNA. Do badaĔ warstw zol-Īelowych metodą rentgenowskiej analizy strukturalnej zastosowano dyfraktometr rentgenowski URD-6 z filtrowanym promieniowanie lampy kobaltowej CoKα. Wykorzystano standardowe wyposaĪenie do analizy ugiĊtego promieniowania rentgenowskiego. Stosowano zakresy pomiarowe od 2θmin = 10° do 2θmax = 60° z krokiem wynoszącym 0,06°. Próbki do badaĔ rentgenograficznych przygotowano w postaci stalowych płytek z naniesionymi powłokami krzemionkowymi. Dyfraktogramy. wykreĞlono. z. wykorzystaniem. oprogramowania. XRAYAN..

(42) 3. METODYKA BADAē. 41. Do identyfikacji faz wykorzystano zasoby elektroniczne bazy danych krystalograficznych ICDD-PDF2 znajdującej siĊ w Zakładzie Materiałoznawstwa Politechniki Wrocławskiej. 3.5.OCENA BUDOWY FAZOWEJ METODAMI SPEKTRALNYMI. OcenĊ budowy fazowej wytworzonych warstw SiO2 przeprowadzono metodą spektroskopii Ramana (RS) oraz spektrometrii w podczerwieni (IRS). Stosowano spektrofotometr Ramana firmy Ocean Optics R-2000 z przystawką do pomiarów spektralnych w podczerwieni. Badania prowadzono w laboratorium Instytutu Niskich Temperatur i BadaĔ Strukturalnych Polskiej Akademii Nauk we Wrocławiu. Wyniki badaĔ w postaci widm ramanowskich i absorpcyjnych opracowano z wykorzystaniem oprogramowania ORIGIN. Do identyfikacji pierwiastków wystĊpujących w wykonanych materiałach, oraz okreĞlenia związków, w jakich one wystĊpują wykorzystano zasoby literaturowe [101–106].. 3.6.MIKROANALIZA SKŁADU CHEMICZNEGO. Mikroanalizy składów chemicznych materiałów powłok krzemionkowych wykonano z zastosowaniem mikroanalizatora promieniowania rentgenowskiego Oxford LINK ISIS-300 sprzĊĪonego z mikroskopem skaningowym JEOL 5800LV. Do analiz stosowano napiĊcia przyspieszające 20 i 25 kV. Wyniki mikroanaliz rejestrowano graficznie w formie wykresów widm energetycznych promieniowania rentgenowskiego, które ze wzglĊdu na wykryte pierwiastki poddawano analizie iloĞciowej z zastosowaniem metody korekcji ZAF. Próbki, w postaci proszków, przed badaniami, w celu zapewnienia przewodnoĞci elektrycznej, napylano warstwą amorficznego wĊgla i z tego wzglĊdu pierwiastek ten nie był analizowany pod wzglĊdem iloĞciowym.. 3.7.BADANIA ELEKTROCHEMICZNE. Elektrochemiczne pomiary stałoprądowe, słuĪące do oceny odpornoĞci korozyjnej stalowych próbek pokrytych warstwami zol-Īelowymi, polegały na rejestrowaniu.