SUVREMENI MATERIJALI – TEHNOLOGIJA I OKOLIŠ Edukacija Inovativne metode poučavanja u kemiji - projekt „Inovativna škola za zelenu budućnost” Doc.dr.sc. Berislav Marković Odjel za kemiju Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku 25. Siječnja 2016.

KEMIJA ČVRSTOG STANJA – ZNANOST O MATERIJALIMA ? SOLID STATE CHEMISTRY – MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING ? KLASIČNI PRISTUP: OPIS ČVRSTOG STANJA (ATOMI, MOLEKULE, STRUKTURE, FAZE, POGREŠKE U STRUKTURAMA…) SVOJSTVA ČVRSTIH MATERIJALA (ELEKTRIČNA, OPTIČKA, MAGNETSKA, MEHANIČKA) REAKCIJE U ČVRSTOM STANJU (DIFUZIJA, PRECIPITACIJA, RAST KRISTALA…) SINTEZA I PROIZVODNJA (SINTERIRANJE, KALCINACIJA…) UPOTREBA ČVRSTIH MATERIJALA ODNOS STRUKTURE – SVOJSTAVA – PRIPREME - PRIMJENE

SUVREMENI BIOMATERIJALI “NEVJEROJATAN USPJEH” ISTRAŽIVANJA U PODRUČJU BIOMATERIJALA TIJEKOM PROTEKLIH 50 GODINA “TOTALNI PROMAŠAJ”

SUVREMENI BIOMATERIJALI UPOTREBA: SRČANI ZALISCI, KRVNI SUDOVI, ZGLOBOVI (KOLJENA I KUKOVI), PACEMAKERI, UMJETNE LEĆE, ZUBNI I OSTALI IMPLANTATI... MATERIJALI: METALI ČELIK, TITAN, PLATINA SINTETSKI POLIMERI SILIKONI, POLIURETANI, BIO-RAZGRADIVI POLIESTERI PRIRODNI POLIMERI PROTEINI KERAMIKE HIDROKSIAPATIT, KALCIJEV KARBONAT, FOSFATI JEDNAK “MENU” KAO I U VRIJEME DRUGOG SVJ. RATA

SUVREMENI BIOMATERIJALI PROBLEM: SVI NAVEDENI MATERIJALI SU RAZVIJENI POSTAVLJAJUĆI NA PRVO MJESTO MEHANIČKA, FIZIKALNA I KEMIJSKA SVOJSTVA I LAKOĆU IZRADE – NISU BAZIRANI NA BIOLOGIJI (FIZIOLOGIJI) RJEŠENJE: MODIFICIRATI POVRŠINU BIOMATERIJALA TAKO DA TIJELO MOŽE MEĐUDJELOVATI (PRIHVATITI) ISTI

SUVREMENI BIOMATERIJALI - SCENARIJ ZUBNIH IMPLANTATA 1. PLAZMA PROTEINI ADSORBIRAJU SE (ILI NE?) NA POVRŠINU 2. STANIČNA REAKCIJA – STANICE “TRAŽE” ADHEZIJSKE PROTEINE (FIBRONEKTIN) I REAGIRAJU (VEŽU SE I ŠIRE) AKO SE PROTEINI NALAZE U ODREĐENOJ KRITIČNOJ GUSTOĆI I KONFORMACIJI(?) FIBRONEKTIN (PLAZMA PROTEIN) INTEGRIN (MEMBRANSKI PROTEIN) RhoA (ENZIM KOJI DAJE SIGNAL STANICI DA REAGIRA) SPECIFIČNA REAKCIJA

Fibronektin - ekstracelularni glikoprotein visoke molekulske mase (~ 440 kDa). Građen je od dvije, gotovo identične podjedinice vezane parom S-S veza, - među više domena ističe se tzv. RGD (Arg–Gly–Asp), odgovoran za vezu sa stanicama, - topljivi dimeri vezanjem uz α5β1 integrin prelaze u netopiva vlakna (S-S veze pucaju i struktura se odmotava, molekule se međusobno povezuju)

SUVREMENI BIOMATERIJALI - SCENARIJ IMPLANTATA NE-SPECIFIČNA REAKCIJA - BIOMATERIJAL JE TRETIRAN KAO “STRANO TIJELO” – ODBACUJE SE ILI PREKRIVA SLOJEM PROTEINA I BIVA IZOLIRAN - VEZANJE “KRIVIH” STANICA (EPITEL)

SUVREMENI BIOMATERIJALI - MODIFICIRANJE MODIFICIRANJE POVRŠINE BIOMATERIJALA PRIVLAČENJE STANICA (RECEPTORI) ODBIJANJE STANICA (BEZ RECEPTORA) ZAGAĐIVANJE POVRŠINE GRUŠANJE KRVI IMPLANTAT

SUVREMENI BIOMATERIJALI - MODIFICIRANJE POVRŠINA NEPRIKLADNA ZA ADSORPCIJU PROTEINA - PREKRIVANJE POVRŠINE POLI(ETILEN GLIKOLOM) - PEG ILI POLI(ETILEN OKSIDOM) - PEO - (CH2CH2O)n - - POVRŠINSKI VEZANE MOLEKULE VODE

SUVREMENI BIOMATERIJALI POVRŠINA BIOMATERIJALA - “KRITIČNA TOČKA” KEMIJA MORFOLOGIJA “STANICE NE VIDE UNUTRAŠNJOST MATERIJALA VEĆ SAMO NJEGOVU POVRŠINU” MEHANIČKA I FIZIKALNA SVOJSTVA

ISPITIVANJE ADSORPCIJE FIBRONEKTINA NA DETALJNO KARAKTERIZIRANIM ČESTICAMA TiO2 - 1

ISPITIVANJE ADSORPCIJE FIBRONEKTINA NA DETALJNO KARAKTERIZIRANIM ČESTICAMA TiO2 - 2 D.E. MacDonald, B. Markovic, A.L. Boskey, P. Somasundaran, Physico-chemical properties of human plasma fibronectin binding to well characterized titanium dioxide, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 11 (1998) 131–139

MIKROSKOP ATOMSKE SILE – ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM)

ADSORPCIJA FIBRONEKTINA NA Ti

ADSORPCIJA FIBRONEKTINA NA Ti D.E. MacDonald, B. Markovic, M. Allen, P. Somasundaran, A.L. Boskey, Surface analysis of human plasma fibronectin adsorbed to commercially pure titanium materials, Journal of Biomedical Materials Research, 41 (1998) 120 - 130

MATERIJALI - OBLIKOVANJE - SVOJSTVA IZRADA TRGOVAČKI BRODOVI 2. SVJ. RATA (LIBERTY, VICTORY) - IZGRAĐENO 5777 BRODOVA (trajanje gradnje smanjeno s početnih 230 na prosjek od 23 dana – rekord 4 dana i 15,5 sati) - NEKOLIKO DESETAKA “PUKLO” - NA OKO 1000 POJAVILE SE PUKOTINE OBLIKOVANJE – KVADRATNE PLOČE (oštri kutovi) IZRADA – BRZO ZAVARIVANJE (PRE-PLITKO) MATERIJAL – ČELIK NEDOVOLJNE ŽILAVOSTI I NEOTPORAN NA HLADNOĆU (KRT) - BRITANSKI MLAŽNJAK - KOMET

IZRADA - STRUKTURA - SVOJSTVA – UPOTREBNA VRIJEDNOST STRUKTURA - SVOJSTVA: KORELACIJA IZMEĐU ATOMSKE I KRISTALNE GRAĐE (STRUCTURE) I ŽELJENIH SVOJSTAVA MATERIJALA IZRADA: TRADICIONALA IZRADA - EMPIRIJSKA SUVREMENA IZRADA – ZNANSTVENO POZNAVANJE VARIJABLI PRERADE I NJIHOVOG UTJECAJA NA KONAČNA SVOJSTVA UPOTREBNA VRIJEDNOST: IZRADA + UPOTREBA

ODABIR MATERIJALA 1. OSNOVNA I DODATNA SVOJSTVA 2. MOGUĆNOST IZRADE 3. DOSTUPNOST 4. CIJENA

LITERATURA ZA PREPORUČITI: Philip Ball, Made to Measure – New Materials for the 21st Century, Princeton University Press, Princeton, 1997

HVALA NA PAŽNJI!