Biomaterialen college 3

Question 1

Wat is biocompatibiliteit?

Answer 1

de mogelijkheid van een materiaal om een gewenste interactie aan te gaan in het lichaam, in een specifieke toepassing (kader, bijvoorbeeld wil je een ontstekingsreactie opwekken).

Question 2

Waarvan is de biocompatibiliteit in grote mate van afhankelijk?

Answer 2

Oppervlakte eigenschappen, wanneer er geen toxische leachables vrijkomen (systemische effecten), dan bepalen de oppervlakte eigenschappen de (acute) respons en de respons op microschaal.

Wanneer wel toxische leachables vrijkomen is het materiaal, ongeacht toepassing, niet biocompatibel.

Question 3

Waarvan is de biocompatibiliteit van een materiaal geheel afhankelijk?

Answer 3

Van zijn toepassing. Per materiaal moet er gekeken worden of deze biocompatibel is. Een ontsteking aan een materiaaloppervlak of toxiciteit van een materiaal is bijvoorbeeld niet altijd ongewenst (toxische leachables wel).

Daarbij gebruiken we de dikte van een fibrotisch kapsel niet als een maat voor biocompatibiliteit. Een fibrotisch kapsel is bindweefselvorming rond bijvoorbeeld een implantaat.

Question 4

Welke factoren zijn van invloed op de biocompatibiliteit? (5)

Answer 4

1. “dood volume”, hoeveelheid materiaal wat je implanteert.
2. oplosbare stoffen afgegeven door het implantaat (ionen, moleculen etc.)
3. onoplosbare deeltjes van het materiaal.
4. veranderingen in rekdistributie in weefsel door modulus mismatch (mechanische eigenschappen afwijkend)/stress shielding.
5. chemische interacties van biologische moleculen met het materiaal oppervlak.

Question 5

Biocompatibiliteit kent een korte (acute) en lange termijn, wat is hierin het onderscheid?

Answer 5

korte termijn wordt bepaald door oppervlakte eigenschappen en de lange termijn wordt bepaald door bulk/mechanische eigenschappen (bewegen etc.)

Question 6

Hoe kun je de biocompatibiliteit (in vitro) testen? (4)

Answer 6

De biocompatibiliteit wordt altijd eerst in vitro getest op:

1. cytotoxiciteit (“celgiftigheid”)
2. bloed (hemo)compatibiliteit
3. mutageniciteit (effecten DNA?)
4. hypersensitiviteit (gevoeligheid materiaal door immuunsysteem)

Question 7

Wat kun je vertellen over cytotoxiciteit?

Answer 7

cel kan necrotisch worden (door bijvoorbeeld ph verschil of osmose verschil) of zelfs apopototisch worden door geïmplanteerd materiaal.

Question 8

Wat kan je vertellen over de in vitro standaard test (cytotoxiciteit)?

Answer 8

Eerste instantie testen in vitro met één bekende cellijn, kweken in kweekplaat afzonderlijk en tegelijkertijd ook in aanwezigheid van materiaal. Wanneer celpopulatie niet iedere 24 uur verdubbeld vindt er remming of celdood plaats. Dit kun je onderscheiden door analytica markers.

Question 9

Wat kan je vertellen over de geconditioneerd medium test (cytotoxiciteit)?

Answer 9

Uitkomstmaten doormiddel van geconditioneerd medium test, kweekvloeistof waarin het materiaal heeft gelegen gebruiken om cellen mee te kweken. Wanneer afname van celpopulatie of celdood optreed kunnen er toxische stoffen in het materiaal zitten die zijn vrijgekomen.

Question 10

Wat kan je vertellen over het transwell experiment (cytotoxiciteit)?

Answer 10

Om zeker te weten gebruik je transwell experiment, cellen gescheiden van materiaal maar wel interactie via medium. Zo kan je zien of er door enzymatische afbraak van materiaal er toxische stoffen vrijkomen.

Question 11

Wat kan je vertellen over de direct contact test (cytotoxiciteit)?

Answer 11

Geeft info over de interactie tussen de cellen en het materiaal. Cellen kweken op het materiaal zelf, hechten de cellen aan of niet?

Zegt niks over de biocompatibiliteit (!) maar wel wat over de mogelijke integratie in het lichaam later. Bijvoorbeeld integratie of inkapseling?

Question 12

Wat is een belangrijk gegeven m.b.t de cytotoxiciteit testen?

Answer 12

met al deze testen kun je nog geen cytotoxiciteit uitsluiten, DNA schade kun je niet zien want dit heeft vertraging en leidt niet gelijk tot apoptose.

Question 13

Wat kun je vertellen over hemocompatibiliteit?

Answer 13

je wil geen coagulatie (trombotische effecten) bij implantatie van het materiaal, of vervorming van rode bloedcellen etc.

Om de hemocompatibiliteit te testen wordt het materiaal in contact gebracht met bloed. Daarna moet blijken of er stolsels optreden aan het materiaal. Gebeurd dit niet, dan is het materiaal bloed compatibel.

Question 14

Wat kun je vertellen over de mutageniciteit/carcinogeniteit/genotoxiciteit?

Answer 14

mutageen betekent dat het leidt tot mutaties in het DNA, carcinogeen dan kunnen deze mutaties kanker verwekken, genotoxiciteit zijn de mutaties zodanig dat de genexpressie beïnvloed wordt.

Question 15

Welke test wordt gebruikt voor het testen van de mutageniciteit?

Answer 15

Om de mutageniciteit te testen wordt er gebruik gemaakt van de Ames test. In de Ames test wordt gebruik gemaakt van een bacterie die geen histidine kan aanmaken (bijvoorbeeld salmonella). Bied kweekplaat aan zonder histidine. In principe zijn de bacteriën niet in staat om te delend dan. Als door het materiaal een mutatie ontstaat in het DNA van de bacterie, zal deze echter wel gaan delen omdat ze histidine aan kunnen maken. In een kweek waarbij materiaal zorgt voor mutaties zal een bacteriekolonie worden gevonden. Controle groep nodig.

Question 16

Wat kun je vertellen over de hypersensitiviteit test?

Answer 16

Bij een hypersensitiviteitstest wordt er gebruik gemaakt van lymfocyten uit het bloed van de te behandelen patiënt. Deze lymfocyten brengt je in contact met een medium waarin materiaal is opgelost wat je in wilt brengen bij de patiënt (bijvoorbeeld nickel ionen). De test is positief wanneer de lymfocyten van de patiënt hechten aan de opgeloste deeltjes van het materiaal. Oftewel het immuunsysteem zal reageren op het materiaal.

Question 17

Wat speelt een grote rol in de biologische respons?

Answer 17

de oppervlakte eigenschappen (atomen en moleculen aan het oppervlak) van het materiaal. De reactiviteit is afhankelijk van de chemische compositie van het materiaal en topografie (glad of ruw, molecuul aan oppervlak meer bindingplaatsen over)

Question 18

Wat zijn feiten over oppervlakken? (5)

Answer 18

1. oppervlakken hebben een unieke reactiviteit
2. oppervlak is onvermijdelijk anders dan de bulk (dus ook niet dezelfde reactiviteit)
3. volume oppervlak is veel kleiner dan het volume van de bulk
4. oppervlakken zijn erg contaminatie gevoelig, wil reageren
5. oppervlakte moleculen kunnen behoorlijk mobiel zijn. In rubberachtige toestand is deze mobiliteit groter dan in glasachtige toestand.

Question 19

Hoe wordt het oppervlak van een materiaal gedefinieerd?

Answer 19

Het oppervlak van een materiaal is dat deel waar structuur en compositie onder invloed van de interface afwijkt van de bulk compositie en structuur.

Question 20

Wat is het verschil in oppervlakte reactiviteit tussen goud en polymeren?

Answer 20

de unieke reactiviteit van goud van het oppervlak gaat maar ca. 5 atomen diep (0.5-1 nm), daarna bulk reactiviteit die overal gelijk is.

Deze unieke reactiviteit aan het oppervlak kan bij polymeren tot wel 100 nm zijn.

Er is dus geen definitie voor de de diepte van het oppervlak want dit kan verschillen.

Question 21

Wat kun je vertellen over de belangrijke oppervlakte eigenschap: chemische reactiviteit/compositie?

Answer 21

belangrijke eigenschap die de (acute) respons met omliggend milieu bepaald, is aan het oppervlak anders dan in de bulk. Dit heeft te maken met het feit dat atomen aan het oppervlak een ongevulde elektronenschil hebben. Gezien het streven naar een gevulde elektronenschil, wil het atoom graag een binding aangaan. Doordat er niks is om mee te binden ontstaat er een asymmetrisch elektrisch veld dat een oppervlaktedipool veroorzaakt.

Om bindingen te verbreken zal er genoeg energie toegevoerd moeten worden om boven de bindingsenergie uit te komen. Hoe zwaarder het element, hoe hoger de reactiviteit.

Verder vind je aan het oppervlak intermoleculaire en intra moleculaire krachten die aantrekkend of afstotend kunnen zijn. Verschillende bindingstypen beïnvloeden de reactie met omliggend weefsel.

Question 22

Wat kun je vertellen over de belangrijke oppervlakte eigenschap: wettability (hydrofiliteit)?

Answer 22

Een maat voor de hydrofiliteit van een materiaal is de contacthoek. Wanneer een waterdruppel aan een materiaal wilt hechten zal de waterdruppel zich uitsmeren over het materiaal. Dit leidt tot een kleinere contacthoek. Hoe groter de contacthoek des te hydrofober is het materiaal.

Question 23

Wat kun je vertellen over de belangrijke oppervlakte eigenschap: elektrische lading?

Answer 23

Een oppervlak kan een bepaalde elektrische lading hebben. Hierdoor is het geneigd om te binden aan een oppervlak met tegenovergestelde lading.

Bepaald ook deels de contacthoek door water en eiwit interactie, positief of negatief. Sommige materialen zijn gelayerd (positief of negatief, of bilayers).

Question 24

Wat kun je vertellen over de belangrijke oppervlakte eigenschap: kristalliniteit?

Answer 24

kristalroosters, amorfe of kristallijne domeinen (hoge organisatie). Hoge organisatie is hoge reactiviteit. Dus de kristalliniteit is bepalend voor de reactiviteit met de omgeving, ook bepaalt dit de structuur (gladheid/ruwheid etc.)

Question 25

Wat kun je vertellen over de belangrijke oppervlakte eigenschap: ruwheid?

Answer 25

Niet alle oppervlakken zijn even egaal. Dit kan komen doordat moleculen zo geordend zijn dat de ene boven de andere uitsteekt. Wanneer er sprake is van een ruw oppervlak, zal de hydrofiliteit (wettability) toenemen wanneer je de contacthoek als maat gebruikt voor hydrofiliteit.

Question 26

Wat kun je vertellen over de belangrijke oppervlakte eigenschap: patronen en topografie?

Answer 26

Op een oppervlak kan zich een bepaald patroon voordoen. Dit kan/heeft invloed op de differentiatie va de cel en (groei)richtingen.

Daarnaast kan een cel mogelijk beter hechten op een bepaalde plek (bijvoorbeeld pilaren)

Question 27

Wat kun je vertellen over de belangrijke oppervlakte eigenschap: oppervlakte mobiliteit?

Answer 27

Oppervlak ook nog heel mobiel zijn. Elementen in een oppervlak (denk aan een celmembraan) kunnen bijvoorbeeld roteren, lateraal diffunderen en transversaal diffunderen.

Question 28

Wat kun je vertellen over de biologische respons van het materiaal in het lichaam?

Answer 28

Wanneer een biomateriaal wordt ingebracht in het lichaam is een host reactie op het biomateriaal denkbaar. De effecten van een implantaat kunnen we verdelen in een lokale respons en een systemische respons.

De biologische respons is tijdsafhankelijk. Over de tijd heen zijn er meerdere elementen uit het immuunsysteem die een rol spelen.

Question 29

Wat zijn voorbeelden voor een lokale (biologische) respons? (7)

Answer 29

1. ontstekingsreactie en FBR (foreign body response)
2. Fibrose en capsulatie
3. Bloed-materiaal interactie
4. Toxiciteit
5. Modificatie van normale heling
6. Infectie
7. Tumorgenese

Question 30

Wat zijn voorbeelden voor een systemisch (biologische) respons? (4)

Answer 30

1. embolisatie
2. hypersensitiviteit
3. toename implantaat element in bloed
4. lymfatisch transport van deeltjes

Question 31

Een ontsteking is een lokale (biologische) respons van het lichaam op materiaal, wat kun je hierover zeggen? (6)

Answer 31

1. één van de eerste aspecten van een immuunreactie. 2. Ontsteking is onvermijdelijk (hoe schoon etc. ook, altijd schade bij moment van inbrengen).
2. Ontsteking is een reactie van gevasculariseerd levend weefsel op weefselschade.
3. De functie van een ontstekingsreactie is om schadelijke stoffen te controleren, te neutraliseren en te isoleren.
4. Het proces omvat een sequentie van gebeurtenissen die helpen bij het herstellen van de locatie van implantatie.
5. Nieuw weefsel wordt gevormd via parenchymale cellen of door de formatie van fibrotische littekens.

Question 32

Wat gebeurd er in de laatste fase van een ontsteking?

Answer 32

vorming van granulatieweefsel: snelle, slordige aanmaak van nieuw weefsel, collageen en celrijk, voorstadium van litteken weefsel.

Kan ook “overgroeien”. Dit levert ongewenst veel litteken vorming.

Question 33

Bij het inbrengen van biomateriaal treed er vaak een foreign body response (FBR) op, wat is dit?

Answer 33

immuunreactie specifiek in het geval van implantaten, typeert zich dus anders dan in het geval van infectie, wordt gekenmerkt door aanwezigheid van foreign body giant cells en de componenten van granulatieweefsel.

Het oppervlakte van het materiaal bepaalt de compositie van de FBR.

Een FBR kan ook doorslaan, dit heet gefrustreerde fagocytose (heel veel fagocyten actief).

Question 34

Wat is fibrotische encapsulatie?

Answer 34

in de laatste fase van de FBR en het helingsproces kan een fibreus kapsel gevormd worden. Dit kan materiaal afhankelijk zijn en de functie bepalen van het geïmplanteerde materiaal (flexibiliteit, beleving patiënt). Poreuze structuren kunnen hier soms aan ontkomen door weefselintegratie.

Question 35

Welke twee processen zijn belangrijk bij kapsel formatie/inkapseling?

Answer 35

1. weefselvervanging door parenchymale cellen.
2. weefselvervanging door bindweefsel dat littekenweefsel creëert.

Deze processen worden gecontroleerd door proliferatie en groeicapaciteit van de cellen in het weefsel, aanwezigheid van intacte weefselstructuur en ernst van de schade.

Question 36

Wat zijn nog meer effecten van het implantaat op de gastheer, naast FBR/fibrose & encapsulatie? (7)

Answer 36

Bloed-materiaal interacties:

1. eiwit absorptie (niet per se ongewenst)
2. coagulatie (bloedstolling)
3. fibrinolyse (tegenovergestelde van coagulatie, namelijk afbraak van een bloedstolsel)
4. bloedplaatjes aanhechting, activatie en afgifte (embolisatie)
5. complement activatie
6. leukocyte adhesie en activatie
7. Hemolyse (uiteenvallen van rode bloedcellen)

Question 37

Hoe wordt de hemocompatibiliteit vaak getest?

Answer 37

Door de ISO-test, het materiaal in de vorm van een bloedvat aan te bieden. Door het materiaal laat men bloed stromen en de interactie wordt bekeken. Er wordt gelet op trombosevorming, coagulatie, bloedplaatjes hechting, hematologie en immunologie (denk aan aanhechting van lymfocyten).

Question 38

Wat zijn nog meer twee lokale effecten (host reactie op het materiaal)?

Answer 38

Toxiciteit en tumorgenese:

• Toxiciteit; Het kan lokaal voorkomen dat er bijvoorbeeld metaalionen vrijkomen door een chemische reactie of slijtage van een heup kop die voor weefselsterfte zorgen (metallosis). Wanneer deze ionen in hoge concentraties in de bloedbaan terechtkomen kan dit ook elders in het lichaam schade veroorzaken.
• Tumorgenese; naast mutageniteit moet er ook uitgesloten worden of er zich geen interacties voordoen waardoor het weefsel zich tumorgeen gaat gedragen, bijvoorbeeld enorme celdeling. Hoe gladder het materiaal, hoe minder interactie en hoe minder de kans op tumor vorming. Desondanks kan dit dan nog wel voorkomen.

Question 39

Wat is embolisatie?

Answer 39

het afsluiten van een bloedvat, kan een gevolg zijn van (schadelijke) stoffen of deeltjes die in de bloedbaan terecht gekomen zijn. Kan ook bewust veroorzaakt worden (lokaal) ter behandeling van fistels, tumoren of aneurysma’s.

Question 40

Naast reactie van de host op het materiaal, kan het materiaal ook op het lichaam reageren. Wat voor effecten kunnen dit zijn? (2)

Answer 40

1. Fysische, mechanische en chemische effecten

2. Biologische effecten

Question 41

Wat zijn voorbeelden van fysische, mechanische en chemische effecten? (4)

Answer 41

1. materiaal slijtage (erosie), kan voortkomen door fysische verplaatsing van het materiaal.
2. materiaal vermoeidheid (fatigue), Wanneer materiaal vaker onder spanning komt te staan, raakt het materiaal steeds vermoeider. Op den duur treedt er dan een breuk op.
3. Spanningscorosie, Door de chemische samenstelling van een materiaal treedt er op den duur corrosie op (ook in combinatie met mechanische belasting). Wordt veroorzaakt door het materiaal zelf.
4. Dissolutie, materiaal valt uiteen in (waterig) milieu of oplosmiddel.

Question 42

Wat zijn voorbeelden van biologische effecten? (3)

Answer 42

1. absorptie van substanties van weefsels
2. enzymatische degradatie
3. calcificaties (calcium deposities)

Question 43

Wat is biodegradatie?

Answer 43

wanneer het materiaal door een chemische omzetting afgebroken wordt in de tijd, in het lichaam. Niet water oplosbaar maar het proces verloopt echt door een chemische reactie die nodig is om de covalente verbindingen in het materiaal te verbreken. Wordt echter bij omzetting wel omgezet in wateroplosbare materialen (erosie speelt hierbij geen rol).

Question 44

Wat is bioerosie?

Answer 44

Bioerosie is een fysisch proces met afname of verplaatsing van volume (slijtage als gevolg van biologische reactie). Erosie kan ook plaatsvinden zonder biodegradatie (als gevolg van mechanische belasting dus) en biodegradatie kan plaatsvinden zonder erosie.

Question 45

Welke termen worden er gebruikt om aan te geven dat een materiaal na implantatie op den duur zal verdwijnen?

Answer 45

1. biodegradatie
2. bioerosie
3. bioabsorptie
4. bioresorptie

Question 46

Welke types degradeerbare implantaten zijn er? (5)

Answer 46

1. een tijdelijke ondersteuning (mechanisch)
2. een tijdelijke barriére (diffusie tegengaan, filter etc.)
3. een implanteerbaa medicijnafgifte systeem (degraderen zodat er iets vrijkomt)
4. een tissue engineering scaffold (materiaal kweekt weefsel en verdwijnt vervolgens)
5. multifunctioneel (meerdere van bovenstaande units)