RUȘANU Oana -Andreea [602400]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea de Design de Produs și Mediu
Departamentul Design de Produs, Mecatronică și Mediu

PROIECT LA DISCIPLINA
TEHNOLOGIA MICRO – ȘI NANOSISTEMELOR

Student: [anonimizat]: Inginerie Medicală
Grupa: IMED 171011

Coordonator :
Prof. dr. ing. Dumitru Gheorghe BEJINARU MIHOC

BRAȘOV
2014 -2015

2

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV
Facultatea de Design de Produs și Mediu
Departamentul Design de Produs, Mecatronică și Mediu

RUȘANU Oana -Andreea

BIOMATERIALE
– Materiale inteligente –

Proiect la disciplina
TEHNOLOGIA MICRO – ȘI NANOSISTEMELOR

Program de studii: Inginerie Medicală

BRAȘOV
2014 – 2015

3
CUPRINS
1. INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 4
1.1 Stadiul actual al de zvoltării și cercetării din domeniul biomaterialelor ………………………….. ………… 5
2. NOȚIUNI GENERALE PRIVIND BIOMATERIALELE ………………………….. ………………………….. …….. 8
2.1 Caracteristicile optime ale biomaterialelor ………………………….. ………………………….. …………………… 8
2.2 Clasificarea și caracterizarea fiecărui tip de biomaterial ………………………….. ………………………….. . 10
2.3 Proprietățile specifice biomateriale lor ………………………….. ………………………….. ……………………….. 13
2.3.1 Rezistența la presiune și deformare ………………………….. ………………………….. ……………………. 13
2.3.2 Proprietăți specifice materialelor vâscoelastice ………………………….. ………………………….. ……. 14
2.3.3 Alte proprietăți (termice, electrice, optice, acustice și ultrasonice, difuziune) …………………… 14
3. MATERIALE INTELIGENTE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 15
3.1 Generalități privind materialele inteligente ………………………….. ………………………….. ………………… 15
3.2 Caracterizarea și clasificarea principalelor tipuri de materiale inteligente ………………………….. …… 16
3.3 Proprietăți specifice materialelor inteligente ………………………….. ………………………….. ………………. 19
3.4 POLIMERI INTELIGENȚI ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 21
3.4.1 Noțiuni introductive ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 21
3.4.2 Polimeri inteligenți în soluție ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 22
3.4.3 Bioconjugate polimeri inteligenți -proteine în soluți e ………………………….. ………………………… 22
3.4.4 Polimeri inteligenți pe suprafețe ………………………….. ………………………….. ………………………… 23
3.4.5 Bioconjugate polimeri inteligenți -zone specifice a unor proteine pe supraf ețe ………………….. 23
3.4.6 Hidrogeluri polimerice inteligente ………………………….. ………………………….. ……………………… 24
3.4.7 Geluri inteligente care răspund la stimuli biologici ………………………….. ………………………….. . 24
3.4.8 Concluzii privind analiza polimerilor inteligenți ………………………….. ………………………….. ….. 25
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 25

4

1. INTRODUCERE

Această lucrar e abordează o temă fundamentală și relevantă programului de studiu Inginerie
medicală – Biomaterialele – și particularizând, este prezentată amănunțit o subtemă de actualitate –
Materialele inteligente. Importanța acestui domeniu de cercetare – Biomaterial ele – este confirmată
printr-o varietate impresionantă de aplicații practice care demonstrează potențialul lor sporit,
perfecționarea continuă și utilizarea lor intensă la momentul actual.
Semnificația principală a realizării acestui studiu , cu caracter general privind biomaterialele
constă în evidențierea rolul ui benefic și esențial pe care acestea l -au avut în extinderea duratei
medii de viață a oamenilor prin satisfacerea cererii lor permanente de înlocuire a țesuturilor sau
organelor și respectiv, de restaurare a funcțiilor vitale ale sistemelor biologice prin proiectarea unor
produse eficiente și inovatoare. Aceste produse medicale, solicitate atât de medici cât și de pacienți,
sunt mai întâi testate in vitro, în cadrul laboratoarelor de cercetare, a poi sunt supuse experimentelor
clinice in vivo, urmând să fie introduse în producția de masă dacă au fost îndeplinite anumite
standarde impuse inițial. În ceea ce privește funcția de restaurare îndeplinită de biomateriale, încă
din cele mai vechi timpuri, oamenii au încercat să găse ască soluții alternative de reabilitare a unor
segmente ale corpului, afectate ca urmare a unor accidente sau boli suferite. De obicei, dantura era
prima care trebuia înlocuită astfel că fenicienii, etruscii iar mai târziu, greci i și romanii au folosi t
aurul pentru a construi cele dintâi proteze dentare. Aurul, unul dintre materialele cu cea mai
îndelungată istorie, este cunoscut pentru utilitatea lui în stomatologie încă dinaintea erei noastre.
Disciplina aferentă studiului biom aterialelor poartă denumirea de „Știință a
Biomaterial elor”, care reprezintă un domeniu de cercetare vast și complex prin integrarea unei baze
elaborate de cunoștințe multidisciplinare din fizică, chimie, biologie, inginerie și medicină.
Cunoașterea princi palelor aspecte relevante disciplinelor enumerate anterior constituie temelia
studiului, înțelegerii în profunzime și aplicării eficiente a principiilor sau conceptelor specifice
Științei biomaterialelor. Deși în prezent nu există niciun document oficial c are să ateste evoluția
istorică a acestei științe, dezvoltarea sa în continuă ascensiune este confirmată de numeroasele
descoperiri revoluționare din medicină, tehnică sau artă care au marcat ultimele milenii. Proiectarea
unor astfel de sisteme excepțional e a fost posibilă prin realizarea unor cercetări translaționale, care
înglobează atât investigațiile științifice cât și aplicabilitatea sau practica specifică ingineriei.
De-a lungul ultimilor 20 de ani, concomitent cu tranziția cercetării fundamentale că tre
aplicațiile comerciale, domeniul biomaterialelor și -a extins granițele astfel că, începând cu anul
1990, acestor materiale li s -a atribuit caracteristica specifică de a fi inteligente. Materialele
inteligente presupun asocieri între diferite proprietăț i fizice de bază astfel încât ele să -și găsească
aplicabilitate în multiple sisteme tehnice. Prin urmare se pot realiza sisteme care convertesc
semnalele electrice în deformație mecanică, acest proces fiind posibil și în sens invers. De
asemenea, există si steme care pot transforma energia termică în solicitare mecanică. Materialele
inteligente sunt caracterizate prin unele proprietăți precum abilitatea de a genera forțe, de a estima
intervalul în care va avea loc o mișcare, de „a răspunde” rapid la un anumi t stimul, de a -și modifica
volumul atunci când sunt supuse unui potențial electric.
Materialele inteligente reprezintă un subdomeniu captivant și provocator inclus în câmpul
extins de cercetare a biomaterialelor. Printre aplicațiile care evidențiază pote nțialul sporit al acestui
tip de materiale în dezvoltarea Ingineriei medicale, se regăsesc: conceperea protezelor care permit

5
pacienților să perceapă senzațiile tactile, presiunea sau vibrațiile din mediu, proiectarea unor
nanoparticule care să răspândeasc ă în organism un anumit medicament prin care să fie distruse
celulele maligne, dispozitive de dimensiuni reduse care să permită captarea unor imagini sau a unor
înregistrări prin intermediul unei camere video atașate asemenea intervențiilor endoscopice cu
mențiunea că de această dată, procedura este total non -invazivă.
În continuare, este prezentat stadiul actual al dezvoltării și cercetării din domeniul
biomaterialelor, fiind evidențiate cu precădere cele mai recente aplicații ale materialelor inteligente .
Structura acestei lucrări este următoarea: prezentarea succintă a unor generalități privind
biomaterialele (clasificare, proprietăți, avantaje, dezavantaje, principii teoretice din fizică și
chimie), descrierea în ansamblu a materialelor inteligente și o analiză deliată asupra polimerilor
inteligenți, aliajelor cu memoria formei și a materialelor piezoelectrice.

1.1 Stadiul actual al dezvoltării și cercetării din domeniul biomaterialelor

Dezvoltarea actuală a biomaterialelor se află în continuă ascensiun e, cuprinzând domenii de
aplicabilitate variate însă utilitatea lor este evidențiată în cel mai înalt grad posibil prin descoperirile
impresionante care au marcat lumea medicală.
Printe aceste tehnologii inovatoare din sectorul biomedical, se regăsește pi elea sintetică
folosită la conceperea unor proteze a membrelor superioare. Obținerea acestui tegument artificial a
fost posibilă prin utilizarea unei asocieri de materiale precum nanotuburile de carbon și un anumit
tip de polimeri. Datorită unui astfel de țesut artificial, pacientului i se redă abilitatea de a percepe
senzații naturale precum o atingere ușoară, temperatura unei anumite suprafețe, presiunea sau
vibrația. Polimerul utilizat poart ă denumirea de poliamidă și este caracterizat prin următoarele
proprietăți: flexibilitate, extensibilitate, greutate redusă, durabilitate ridicată, rezistență la
temperaturi înalte și producerea efectului piezoelectric. Acest polimer permite măsurarea presiunii
aplicate asupra unei suprafețe deoarece presiunea sau forț a respectivă generează curent electric.
Nanotuburile de carbon intensifică efectul piezoelectric produs de poliamindă și permite transferul
de căldură prin suprafața polimerului. [1]

Cercetătorii de la Universitatea Națională din Seul intențione ază să creeze un „petic”
medical care să permită colectarea unor informații privind starea de sănătate a pacienților și
administrarea unor medicamente la nivelul tegumentului. Materialele concepute de cercetători
Fig. 1 Piele artificială de tip senzor compus cu
nanoparticule din aur montate pe un electrod de metal și
un substrat din plastic flexibil [2]

6
pentru un astfel de „petic” medical sunt ur mătoarele: nanomateriale care integrează un senzor de
mișcare alcătuit din nanomembrane de silicon , o memorie de nanoparticule de aur și
nanoparticule încăracate cu medicamente. [3]

Cel mai elocvent exemplu care atestă nivelul înalt al dezvoltării biomaterialelor la momentul
actual îl reprezintă utilizarea acestora în conceperea unui model precum omul bionic . Acest prototip
imită cu fidelitate un robot deoarce integrează tehnologia ultra -avansată pentru a substitui anumite
segmente din organismul um an sau a restaura complet funcțiile sistemelor biologice.
În structura unui astfel de om bionic, biomaterialele își găsesc utilitatea și aplicabilitatea în
cadrul următoarelor aplicații medicale [4]:
 electrozi flexibili prin care se înregistrează activitat ea cerebrală a creierului
 lentile de contact sensibile prin care se monitorizează nivelul de glucoză din sânge
 dispozitiv magnetic atașat la nivelul limbii care este integrat într -un sistem de
asistare a pacienților cu dizabilități neuromotorii
 plasture cu microace pentru administrarea non -invazivă a vaccinurilor
 dispozitiv de asistare ventriculară sau „pompă” implantabilă prin care este susținută
acțiunea pulsatorie a inimii
 senzor interstițial de presiune util în administrarea chimioterapiei sau radiotera piei
 electrozi necesar i în stimularea electrică la nivelul măduvei spinării în cazul
pacienților cu paraplegii , pentru a restabili controlul voluntar asupra locomoției
precum și alte funcții metabolice
 senzori implantabili utili în controlul unei proteze l a nivelul membrului superior
 rinichi artificial implantabil chirurgical care să elimine necesitatea dializei renale
 adeziv sintetic pentru repararea țesuturilor din organismul uman
 biogel și adeziv biologic cu rol în regenerarea cartilajului de la nivelul genunchiului






Fig. 2 Petic medical „smart” cu nanomateriale
integrate [3]
a). b). c).
Fig. 3 a). adeziv sintetic; b). plasture cu microace; c). electrozi pentru electrostimulare
[4]

7
 senzori sofisticați pentru controlul aproape natural al unei proteze robotice de picior
 senzori integrați într -un dispozitiv compact implantabil la nivelul cortexului cerebral
în vederea obținerii unei interfețe creier -computer cu tra nsmisie wireless

Fig. 4 Prototipul omului bionic
a). b). c).
Fig. 5 a). Rinichi artificial; b). Senzori implantabili pentru controlul unei proteze;
c). Dispozitiv de asistare ventr iculară [4]

8
2. NOȚIUNI GENERALE PRIVIND BIOMATERIALELE

2.1 Caracteristicile optime ale biomaterialelor

Biomaterialele pot fi definite drept materiale utilizate pentru fabricarea unor dispozitive
biologice implantate la om sau care vin în contact cu fluidele sale biologice, clasificându -se în
următoarele categorii: metale și aliaje, ceramici și polimeri. Utilizările biomaterialelor cuprind
aplicații diverse care vizează, în general, substituirea unor țesuturi moi sau dure [5] , tratarea
funcțiitor deteriorate a unor organe precum și acțiunea accelera re a acest or procese. Prin urmare,
biomaterialele se folosesc în următoarele specialități medicale: ortopedie, chirurgie estetică,
oftalmologie, chirurgie maxilo -facială, cardiologie, urologie ș i neurologie. [6]
Biomaterialele sunt produse sub formă sintetică sau naturală și reprezintă obiectul de studiu al
disciplinei numite „Știința biomaterialelor”, care se ocupă cu analiza interacțiunilor existente între
organismele vii și materiale. [6]
Bioma terialele utilizate la momentul actual se împart în două categorii: biologice și sintetice.
Materialul biologic este produs de un sistem biologic și se referă, spre exemplu, la smalțul dinților
sau configurația osoasă. Printre materialele biologice , se reg ăsesc substanțe organice precum
polipeptide sau proteine (colagen, gelatină, fibrină, albumină), polizaharide (celuloză, dextran,
chitină, chitosan, acid hialuronic), acizi nucleici, poliesteri (PHB sau 2 -hidroxi -butirat) și substanțe
anorganice precum hid roxiapatite (fosfat de tricalciu), carbonat de calciu și compozite alte acesora.
Din cauza proprietăților precare pe care le posedă, acizii nucleici încă nu și -au găsit aplicabilitate ca
și biomateriale. [7]
Spre deosebire de materialele sintetice, materia lele biologice prezintă unele precum avantaje
posibilitatea de a întreprinde procese sau activități fiziologice excelente (adeziune celulară selectivă
față de colagen și fibrină) și posedă proprietăți mecanice similare celor de la țesuturile naturale, aici
fiind relevante valvele de inimă implantate la animale precum și conceperea unor vase de sânge
artificiale. [7]
Asemenea materialelor sintetice, materialele biologice prezintă precum riscul dezavantaje
apariției unor infecții virale, antigenotoxicitatea, procurarea nesigură sau instabilă a unor astfel de
materiale și deteriorarea care însoțește procesul de implantare pe termen lung ( ). biodegradabilitatea
Aceast ă proprietate descrie fie capacitatea implantului de a se degrada în același interval de timp ca
și țesuturile vii din jur fie abilitatea de a se deteriora numai după îndeplinirea rolului pentru care a
fost introdus în organism. [9] În acest sens, se menționează faptul că biodegradabilitatea
materialelor biologice poate fi atât avantajoasă cât și dez avantajoasă în funcție de aplicațiile
biomedicale. [7]
O altă proprietate, care trebuie avută în vedere atunci când se lucrează cu biomateriale, este
definită prin îndeplinirea unor criterii adecvate sau comune atât implantului cât biocompatibilitatea
și zonei unde are loc inserția acestuia. Aceste criterii sunt evaluate în prealabil pe modele in vitro
sau in vivo. [5] În urma acestei evaluări riguroase, se poate stabili dacă implantul artificial va fi sau
nu acceptat de țesuturile înconjurătoare și implici t de corpul uman, în ansamblu. [8]
Gradul de biocompatibilitate, aflat în interdependență cu premisa unei vindecări mai rapide a
segmentului afectat, este amplificat de o componentă naturală din structura materialelor biosintetice
(bioartificiale) care, de -a lungul ultimelor decenii, au început să înlocuiască materialele sintetice
întâlnite în medicina umană și cea veterinară. Materialele biosintetice cuprind în structura lor o
componentă naturală precum o proteină (elatină, colagen, fibronectina, un poliza harid care face

9
parte din clasa glicozaminoglicanilor (heparină, acid hialuronic, heparan sulfat) și respectiv, o
secvență peptidică care îndeplinește un rol esențial în recunoașterea celulară sau în procesul de
adeziune. [6]
Biocompatibilitatea caracter izează modul în care se manifestă interacțiunea dintre mediul
biologic și materialul folosit pentru implant. Există riscul apariției unor reacții inflamatorii, chiar a
dezvoltării unor formațiuni canceroase, a coroziuni i sau a unor posibile degradări ale m aterialului
inserat în organism. Astfel se pot genera migrații ale unor constituenți cu acțiune toxică sau anumite
proprietăți mecanice vor fi supuse alterării iremediabile. În cazul materialelor care intră în contact
cu sângele, este luată în discuție pro blema hemocompatibilității. [5]
O altă proprietate caracteristică biomaterialelor este , prin care este evaluată biofuncționalitatea
durata de timp, mai redusă sau mai îndelungată, în care implantul reușește să -și îndeplinească
funcția sau rolul stabilit l a introducerea lui în organism. [8]

care trebuie avute în vedere atunci când se realizează o analiză a biomaterialelor Alte proprietăți
din punct de vedere al probabilității de eșec (nereușită) sau al coeficientului de fiabilitate
(reabilitate) al implant urilor aferente, sunt următoarele: caracteristici mecanice precum duritatea și
rezistența la oboseală, principii din domeniul opticii (pentru biomaterialele folosite la nivelul
globului ocular, densitatea corespunzătoare, gradul de prelucrare, designul teh nic adecvat precum și
factori independenți de execuția produsului creat de inginer (măiestria și tehnica de operare a
chirurgului, starea de sănătate și activitățile cotidiene ale pacientului). [8]
Printre prin care în organis m s-a introdus un implant compus din cauzele e șecului intervenției
biomateriale caracterizate prin parametri necorespunzători, se regăsesc următoarele exemple:
apariția neprevăzută a unei infecții la nivelul articulațiilor imediat după finalizarea operației
chirurgicale ceea ce impune înlocuirea acestora, creșterea ricului de slăbire a articulațiilor ca urmare
a trecerii timpului, formarea unui cheag sau diminuarea rezistenței până la rupere a pereților unui
vas artificial de sânge, implant mai complex din punct de vedere al locului de inserare și al funcției
îndeplinite în organism. [8]
Fig. 6 Evidențierea proprietăților pe care trebuie să le îndeplinească biomaterialele din structura
unui dispozitiv implantabil [9]
Biocompatibilitate : adecvarea dintre biomaterialul folosit la implant și țesuturile , respectiv
fluidele din organism .
Cerițe tehnice /fizice : rezistență la oboseală, flexibilitate, duritate.
Cerințe sau aspecte chimice : nontoxicitate, nonreactivitate, biodegradabilitate

10

2.2 Clasificarea și caracterizarea fiecărui tip de biomaterial

Din punct de vedere structural , biomaterialele se clasifică în patru categorii: metalice,
ceramice, polimerice și compozite. [8]
La rândul lo r, cuprind alte trei clase: oțelurile inoxidabile, titanul și metalele și aliajele
aliajele sale și aliajele pe bază de cobalt și crom. Cel mai frecvent utilizat oțel inoxidabil este
AISI 316 a cărui compoziție include: crom, 17 -20% ; nichel, 10 -24% ; moli bden, 2 -4% ; fier,
restul până la 100% . Modificările acestei compoziții influențează proprietățile mecanice și
rezistența la coroziune a acestor materiale. [5] În general, la proiectarea implanturilor se
utilizează în cantități reduse materiale metalice p recum Fe, Cr, Co, Ni, Ti, Ta, Mo și W datorită
toleranței pe care o manifestă țesuturile vii față de ele. Mai mult decât atât, unele elemente
metalice au rol esențial în funcționarea optimă la nivel celular. [8]
Aliajele de titan sunt cele mai de preferat componente în construirea unui implant dar
prezintă dezavantajul obținerii dificile, ceea ce impune utilizarea aliajelor cu aluminiu -vanadiu
și mangan. De asemenea, aliajele cobalt -crom prezintă proprietăți similare celor de oțel. [5]
O categorie aparte de aliaje o reprezint ă , care se deosebesc materialele cu memoria formei
prin particularitatea că după ce au fost supuse la deformare plastică, ele au capacitatea de a
reveni la poziția inițială, în condiția în care sunt încălzite. [8]

În prez ent, materialele cu memoria formei se obțin atât prin tehnologia clasică (topire –
turnare -deformare) cât și prin alte metode precum metalurgia pulberilor și solidificarea
ultrarapidă. Primele descoperiri care atestă efectul propriu -zis de memoria formei au avut loc în
1951, la Au -Cd și respectiv în 1953, la In -Ti. Fenomenele de memoria formei sunt excelent
evidențiate prin structura cristalină a aliajului Ni-Ti. Caracteristicile principale ale acestuia
sunt date de capacitatea de înmagazinare a energiei el astice la încărcarea izotermă (42 MJ /m³)
sau deformațiile maxime care pot fi recuperate în cadrul memoriei mecanice (10%) sau termice
(8%). [10]
La rândul lor, prezintă o utilizare din ce în ce mai intensă și se clasifică în trei ceramic ele
clase constitue nte: ceramici inerte, biodegradabile și bioactive. Printre cele mai utilizate
biomateriale ceramice, se numără următorii compuși policristalini anorganici: oxizi metalici
(alumina), carburi, hibride refractare, sulfide și selenide. [5]
Fig. 7 Materiale cu memoria formei utiliza te pentru conceperea unei proteze
mioelectrice de mână [11]

11
cu porozitate ridicată sunt folosite pentru a ușura creșterea tisulară după Ceramicile inerte
implantare, ceea ce permite sudarea și fixarea între implant și țesuturile vecine. Ele conțin
substanțe oxidoceramice, spre exemplu oxid de aluminiu, oxid de magneziu și respectiv, o xid de
zinc, care reprezintă produși termodinamici slabi și creează o inerție perfectă pe suprafețele de
contact. [5]
fosfocalcice, sunt resorbite fără a provoca reacții tisulare, fiind Ceramicile biodegradabile ,
urmate, de obicei, de o proliferare a țesut ului osos, care se substituie ceramicii. Acest tip de
ceramici prezintă un inconvenient: datorită rezistenței mecanice mai reduse, nu pot fi utilizate
decât la elementele scheletului asupra cărora nu acționează sarcini prea mari. [5]
fosfotricalcice, cu structură densă, stabilesc legături cu țesutul osos Ceramicile bioactive,
adiacent în anumite condiții. Sub acțiunea unei presiuni de suprafață apare un strat de legătură,
care îndeplinește rolul de barieră de difuzie a ionilor, de la implant la țesut. [5]
În principal, biomaterialele ceramice se utilizează în stomatologie în cadrul structurii
coroanelor dentare, datorită proprietăților deosebite pe care le posedă, precum: rezistență sporită
la compresiune, design robust sau aspect estetic atractiv și non -reactivitatea față lichidele din
corpul uman, cu care intră în contact. [8]

sunt constituiți din lanțuri lungi de molecule minuscule numite meri, aceste Polimerii
legături fiind de natură covalentă primară și formând un lanț principal. [8] Datori tă proprietății
de reversibilitate, a elongației structurilor lor reticulare, polimeri precum elastomerii și siliconii
prezintă o largă răspândire ca biomateriale. [5]
Polimerii, datorită proprietăților fizice și chimice diverse, printre care caracterul no ncoroziv,
varietatea condiționării ( membrane, paste solide, substanțe uleioase ) și alte analogii cu
structurile biologice, prezită o largă arie de utilizare. Totuși, aceasta este limitată de gradul lor
redus de elasticitate și indicele vâsco -elastic, precu m și de polimerizarea incompletă care
antrenează riscul biodegradabilității. [5] P rintre aplicațiile medicale specifice polimerilor, se
regăsesc implanturile pentru substituirea și reabilitarea unor țesuturi moi umane, precum
prototipuri pentru vasele de s ânge, pielea artificială și suturile. [8] Materialele utilizate pentru
obținerea pielii artificiale, în vederea protecției temporare a celor arși, trebuie să adere pe
suprafețe mari pentru a preveni deperdiția hidrică și electrolitică până la cicatrizare. Metodele
cele mai utilizate sunt auto – și hemogrefajul. Polimerii de clorură de vinil și acetat sau metil 2
cianoacetat au fost utilizați cu succes ca și metoda incluziunii în silicon lichid. [5]
a contribuit la reușita su bstituției țesuturilor moi, cel mai Dezvoltarea polimerilor sintetici
utilizat fiind siliconul, sub forma unor filme, a unor bureți, a unor gume elastice, sub formă
Fig. 8 Aplicații medicale specifice biomaterialelor ceramice [12]

12
lichidă sau pastă. El interacționează cu componente sangvine, absoarbe colesterol și lipide,
inițiază adeziunea la plachetar e și nu mai favorizează procesele formării cheagurilor. [5]

sunt constituite din două sau mai multe faze separate caracterizate Biomaterialele compozite
prin proprietăți distincte față de materialul omogen. În structura materialului compozit, se
găsește materialul de adaos sub formă de benzi, particule sau fibre. Compozitele anizotrope
cuprind materialele compozite sub formă de fibre sau de benzi laminate. Compozitele izotrope
includ materialele compozite sub formă de incluziuni uniform distribuit e în matrice. Cea mai
mare rezistență o prezintă componentele anizotrope, a căror utilizare este condiționată de
cunoașterea direcției de aplicare a tensiunii. Este necesară realizarea biocompatibilității între
constituenții materialului compozit astfel în cât să nu se producă degradarea în raport cu mediul
biologic din organism. Printre aplicațiile medicale specifice biomaterialelor compozite, se
regăsesc plombele dentare, zirconia, cimentul osos, metilmetacrilatul ranforsat cu fibre de
carbon sau cu incluz iuni osoase. [8]

BIOMATERIALE Avantaje Dezavantaje Aplicații practice
POLIMERI
(nylon, silicon, teflon,
dacron)
Elasticitate ridicată
Ușurință de fabricare Rezistență redusă
Deformabile în timp
Degradabile

Vase sanguine,suturi
articulația șoldului,
țesuturi moi, ureche,
nas
METALE
(titan, oțeluri
inoxidabile, aliaje
Co-Cr, aur) Duritate ridicată
Elasticitate sporită
Corozive
Dense Implanturi dentare,
substituirea
articulațiilor, plăcilor
de osteosinteză
CERAMICE
(oxid de aluminiu,
carbon, hidroxiapa tită,
zirconia, sticlele
ceramice) Biocompatibilitate
Inerte
Rezistență ridicată
la compresiune Fragile
Neelastice
Dificil de obținut
Articulația șoldului și
alveolele dentare
COMPOZITE
(carbon -carbon) Rezistență ridicată
Maleabili tate Dificil de obținut Înlocuirea
articulațiilor,
implanturi de valve
cardiace

Fig. 10 Prezentarea comparativă a biomaterialelor [8]

Fig. 9 Polimeri utilizați în structura vaselor artificiale de sânge [13]

13

2.3 Proprietățile specifice biomaterialelor

2.3.1 Rezistența la presiune și deformare

Unui material su pus deformării îi este caracteristică presiunea specifică definită ca forța pe
unitatea de suprafață, care uzual se exprimă în Pa (newton pe metru pătrat) sau MPa (newton pe
mm²).
Se consideră următoarea relație matematică:
σ = F / A , [MPa] ,
unde σ est e presiunea, F este forța de acționare iar A este aria secțiunii transversale.
Forța se aplică asupra unui material sub formă de: tensiune de alungire, compresiune ,
forfecare sau orice asociere a acestor forțe de presiune.
Deformația reprezintă deformare a unui solid supus acțiunii unei forțe. Pentru deformație, se
consideră relația matematică:
ε= ( )/ =ΔL/L, [m/m] ,
unde ε este deformația, este lungimea inițială a epruvetei iar L este lungimea după deformare.
Alungirea reprezintă un rapo rt de deformare și permite calculul deformației. Pentru
alungire, este valabilă relația matematică:
λ = L / .
Legea lui Hooke : în regiunea elastică, deformația ε crește direct proporțional cu presiunea
specifică sau forța aplicată (Fig. 11). Este va labilă relația matematică:
σ = E·ε , unde E=tgα, [GPa]

Modulul de elasticitate longitudinal sau modulul lui Young reprezintă panta (E) sau
constanta de proporționalitate a forței de extensie sau de compresiune cu deformația.
Se consideră relați a:
E = 2G (1 + v), [MPa],
unde E este modulul lui Young, G este modulul de elasticitate transversal iar v reprezintă
coeficientul lui Poisson. [8]
Fig. 11 Curba tehnică tensiune – deformație pentru un material ideal
[8]

14

2.3.2 Proprietăți specifice materialelor vâscoelastice

În paragrafele anterioare au fost prezentate proprietăți le mecanice ale biomaterialelor.
Materialele care posedă proprietăți mecanice care nu depind de viteza de aplicare a solicitărilor
poartă denumirea de materiale elastice. Materialele caracterizate prin proprietăți mecanice care
depind de viteza de aplicare a solicitărilor se numesc materiale vâscoelastice. Acestea prezintă două
proprietăți principale precum: detensionarea și fluajul. [8]
Detensionarea constă în reducerea tensiunilor interne din materialul solicitat la o valoare
constantă a deformării. [8]
Fluajul reprezintă o crește în deformare la aplicarea unei solicitări constante. [8]

2.3.3 Alte proprietăți (termice, electrice, optice, acustice și ultrasonice, difuziune)

Principalele proprietăți termice sunt topirea (la încălzire) și solidificarea (la răci re). Aceste
transformări de fază se produc la temperaturi specifice. Temperaturile de transformare depind de
energia de legătură. Exemplificând, o energie de legătură mai ridicată determină o temperatură de
topire mai mare. [8]
Proprietățile de suprafață ș i aderare prezintă importanță în vederea rezolvării unor probleme
privind substanțele. Acestea sunt corelate cu proprietatea de masă având în vedere că suprafața
reprezintă legătura discontinuă între diferitele faze. Exemplificând, pentru gheața topită exi stă trei
faze: lichidă (apa), gazoasă (aer și vapori de apă) și solidă (gheață). [8]
Legătura strânsă dintre două suprafețe poartă denumirea de adeziune, dacă materialele sunt
distincte și respectiv de coeziune, dacă materialele sunt identice. Toate supraf ețele cimentate cu
agent cimentat sunt legate prin adeziune iar acest agent se numește adeziv. [8]
Adezivul își găsește aplicabilitatea în stomatologie și medicină , unde este considerat un remediu
temporar deoarece țesuturile sunt vii, el înlocuind celulel e vechi cu altele noi, legăturile inițiale
fiind distruse. Pentru rezolvarea acestui inconvenient, s -au dezvoltat implanturile poroase, care
permit creșterea țesuturilor în spațiile intersițiale (pori), astfel realizându -se un viabil sistem de
blocaj între implant și țesuturi. De asemenea, materialele poroase sunt întâlnite într -o varietate largă
de aplicații biomedicale cum ar fi filtrele pentru aparatele extracorporale, aparatele cardiace și cele
respiratorii. La plăcileosoase, utilizarea materialelor por oase este nefavorabilă deoarece porii
măresc forța și micșorează rezistența mecanică. [8]
Proprietățile electrice ale biomaterialelor intervin în cazul proiectării unor dispozitive precum
pacemakerul, stimulatorul sau a implantului piezoelectric care stimu lează creșterea oaselor. [8]
Proprietățile optice ale biomaterialelor sunt luate în considerare atunci când ele sunt implicate în
aplicații practice la nivelul globilor oculari, la nivelul danturii sau sub aspect cosmetic. [8]
Capacitatea de absorbi raze X a biomaterialelor reprezintă o proprietate importantă în
examinarea radiografiei unui dispozitiv implantat în corpul pacientului. Razele X sunt unde
electromagnetice similare cu undele luminoase din domeniul vizibil, cu deosebirea că au o lungime
de undă mult mai scurtă și o energie mult mai mare . [8]
Proprietățile acustice și ultrasonice sunt importante și trebuie avute în vedere în cadrul
diagnozei și imagisticii medicale pe bază de ultrasunete. [8]
Proprietățile de difuziune sunt relevante în cazul apli cațiilor care vizează transportul unor
constituenți biologici precum oxigenul sau dioxidul de carbon. [8]

15

3. MATERIALE INTELIGENTE

3.1 Generalități privind materialele inteligente

Materialele inteligente sunt acele materiale care reprezintă asocieri între sist eme fizice multiple.
Cele mai obișnuite aplicații privind astfel de materiale includ sistemeșe care convertesc semnalele
electrice în deformație mecanică și invers, sistemele care transformă deformația mecanică în
semnale de ieșire electrice. De asemenea, se mai regăsesc și materialele care pot converti energia
termică în solicitare mecanică, sau chiar acelea care cuplează mișcarea speciilor chimice dintr -un
material cu un efort de ieșire de tip mecanic sau cu un semnal electric. [14]
Studiul materialelor i nteligente este fundamentat pe abilitatea de a înțelege proprietățile fizice
de bază a diferitelor tipuri de astfel de materiale. Prin urmare, se creează premisa dezvoltării unor
modele matematice ale acestor materiale inteligente care vor fi încorporate î n analiza sistemelor
tehnice. Prin înțelegerea proprietăților fundamentale specifice materialelor inteligente și a modului
în care acestea se integrează în sistemele tehnice, este vizată identificarea unor atribute întâlnite în
inginerie, precum: abilitatea de a genera forțe, viteza de răspuns a materialului și rangul/intervalul
zonelor în care se desfășoară o mișcare. [14]

U
n

Un sistem de materiale inteligente este definit printr -un sistem tehnic care înglo bează un
ansamblu de proprietăți a unor multitudini de materiale inteligente pentru a se obține o bună
funcționalitate. Spre exemplu, un astfel de sistem de materiale inteligente, corespunzător acestei
definiții, presupune un mecanism care utilizează un tr aductor electromecanic ca mijloc de
monitorizare în timp real a stării sale optime de funcționare și un semiconductor în structura unui
sistem industrial care este compus dintr -un material inteligent în vederea controlului mișcării într -o
anumită poziție c u precizie nanometrică. [14]
Alte exemple includ utilizarea unor materiale ceramice inteligente ca mijloc de control a
vibrațiilor produse de avioanele de luptă sau în vederea reducerii vibrațiilor unui echipament optic
sensibil. Sistemele de materiale in teligente mai fac referire și la utilizarea unor fire pseudoelastice
pentru interconexiunea unor forțe de intensitate redusă sau ca și mijloc de control a expansiunii
stenturilor. Stenturile sunt dispozitive biomedicale utile în tratamentul afecțiunilor ca rdiovasculare.
Toate aceste aplicații din domeniuș sistemelor de materiale inteligente implică cunoștințe
privind proprietățile de bază a diferitelor tipuri de materiale inteligente, a metodelor de modelare, a
Fig. 12 Materiale inteligente (polimeri/ aliaje cu memoria formei) utilizate în industria auto
[15]

16
mecanismelor multiple care se regăsesc în st ructura de funcționare a acestor materiale precum și
noțiuni matematice prin care să se realizeze încorporarea modelelor în sistemele tehnice. [14]

3.2 Caracteriza rea și c lasificar ea principalelor tipuri de materiale inteligente

Studiul mater ialelor inteligente și al sistemelor de materiale inteligente reprezintă discipline
deosebite prin gradul lor de noutate. În ultimii 15 -20 de ani, numeroase materiale au fost denumite
cu apelativul „inteligente” datorită proprietăților interesante pe care le înglobează.
Unele dintre aceste materiale manifestă o modificare în volum atunci când sunt supuse unui
stimul extern precum un potențial electric; altele se contractă sau se extind, sau se „mișcă” atunci
când sunt încălzite ori răcite. Există și materia le inteligente care emit semnale electrice dacă sunt
îndoite sau supuse unor forțe de întindere. [14]
În literatura de specialitate, materialele inteligente (intelligent materials) poartă denumirile
următoare: materiale adaptive (smart materials), materia le deștepte (smart materials), materiale
active (active materials) sau chiar materiale structronice (structronic materials).
După cum s -a prezentat anterior, materialele inteligente sunt acelea care convertesc energia
între diferitele domenii ale fizicii. Un domeniu reprezintă orice cantitate fizică pe care o putem
descrie printr -un set de două variabile de stare. Prin variabile de stare, se înțeleg mijloacele prin
care pot fi definite dimensiunea și locația într -un domeniu fizic. Un exemplu de domeniu fiz ic este
cel mecanic, a căror varibile de stare sunt câmpul electric și deplasarea sau „mișcarea” purtătorilor
de sarcină electrică din cadrul materialelor. Alte exemple de domenii fizice sunt cele termice,
magnetice și chimice. [14]
Definirea domeniilor f izice și a variabilelor de stare corespunzătoare va permite perceperea
clară a termenului de asociere utilizat anterior pentru a caracteriza materialele inteligente. Această
asociere sau cuplare apare atunci când o modificare a unei variabile de stare dint r-un domeniu fizic
cauzează o altă modificare a unei variabile de stare dintr -un alt domeniu fizic. Exemplificând, prin
schimbarea temperaturii unui material, care este o variabilă de stare din domeniul termic, rezultă o
modificare a stării de tensiune sau efort, ceea ce constituie o variabilă de stare din domeniul
mecanic. Acest tip de asociere se numește cuplare termomecanică deoarece cuplarea este
determinată între două domenii fizice: termic și mecanic. [14]

Fig. 13 Utilizarea b iomaterialelor în structura stenturilor medicale [16]

17

MECANIC ELECTRIC TERMIC MAGNETIC CHIMIC
Tensiunea Câmpul electric Temperatura Câmpul magnetic Concentrația
Deformația Deplasarea electrică Entropia Fluxul magnetic Fluxul volumetric

Fig. 14 Exemple de domenii fizice și variabilele de stare asociate acestora [14]
O repr ezentare vizuală a noțiunii de domeniu fizic și a celei de cuplare între astfel de entități
este redată în Fig. 15. Fiecare dreptunghi constituie un singur domeniu fizic, fie mecanic, fie
electric, fie termic. În fiecare dreptunghi sunt listate variabilele de stare corespunzătoare unui
anumit domeniu. Puntea din fiecare cadru rectangular reprezintă proprietatea fizică care face
legătura dintre variabilele de stare. De exemplu, proprietatea de elasticitate a materialelor asociază
stările de tensiune și forță din material, iar proprietatea dielectrică corelează variabilele de stare
electrice. Cuplarea între domeniile fizice este reprezentată de săgețile care conectează cadrele
rectangulare. Exemplificând, semnalul electric de ieșire produs de un stimul termic este cunoscut
sub denumirea de efect piroelectric. În mod similar, variația de tensiune sau forță mecanică datorată
unui stimul termic este definită prin expansiune termică. [14]

În continuare, se va face referire la materialele care pr ezintă una dintre cele două tipuri de
cuplare: electromecanică sau termomecanică.
MATERIALELE ELECTROMECANICE sunt caracterizate prin abilitatea de a converti
semnalul electric într -un răspuns mecanic și reciproc, un stimul mecanic într -un răspuns electric .
Fig. 15 Reprezentare grafică a cuplării între diferite domenii fizice [14]
Explica țiile/traducerea privind semnificația schemei se regăsesc mai sus

18
Deoarece există o relație de reciprocitate între cuplarea electrică și cea mecanică, aceste materiale
se definesc prin „cuplare în două sensuri”. [14]
MATERIALELE TERMOMECANICE reprezintă exemple de materiale care prezintă o așa –
numită „cuplare într -un singur sens”. Materialele termomecanice produc deformare mecanică atunci
când sunt încălzite, dar spre deosebire de materialele electromecanice caracterizate prin „cuplare în
două sensuri”, ele nu produc o crește măsurabilă în temperatură cauzată de deforma rea
mecanică. [14]
În următoarele paragrafe, accentul se va pune pe înțelegerea proprietăților de cuplare a trei
tipuri de materiale inteligente.
MATERIALELE PIEZOELECTRICE convertesc energia între domeniile mecanic și
electric. [14]
ALIAJELE CU MEMORIA FOR MEI sunt materiale termomecanice care se deformează
atunci când sunt încălzite sau răcite. [14]
POLIMERII ELECTROACTIVI sunt similari, din punct de vedere funcțional, cu
materialele piezoelectrice dar se diferențiază prin caracteristicile răspunsului elect romecanic și
implicit a aplicațiilor date. [14]

R

Relația dintre domeniile electric, termic și mecanic este reprezentată sugestiv în Fig. 16
pentru materialele descrise în continuare. Cele trei vârfuri ale triunghiului constituie domeniile
fizice iar interconexiunile dintre aceste vertexuri reprezintă materialele care manifestă un
comportament de tip asociativ sau cuplare. [14]
Fig. 16 Tipuri variate de cuplări specifice materialelor inteligente [14]
Explica țiile/traducerea privind semnific ația schemei se regăsesc mai jos
Fig. 17 Materiale inteligente: a). piezoelectrice; b). cu memoria formei; c). polimerice
electroactive [14]

19
3.3 Proprietăți specifice materialelor inteligente

Un aspect demn de remarcat este acela că materialele inteligente sunt în mod evident materiale.
De aceea, este utilă și necesară examinarea proprietăților materialelor inteligente în comparație cu
trăsăturile materialelor convenționale. [14]
Două proprietăți frecvent întâlnite în comparațiile dintre materiale sunt densitatea și modulul de
elasticitate.
Densitatea unui material este dată de masa raportată la volum, iar unitatea de măsură în S.I. este
definită prin kg/m³.
Modulul de elasticitate al unui material constituie o proprietate a acestuia care corelează
sarcinile apli cate asupra materialului solid cu deformarea rezultată. Este important de menționat
fapul că materialele cu un modul de elasticitate mai ridicat vor suferi o deformare mai redusă decât
materialele caracterizate de un modul de elasticitate inferior. De acee a, materialele cu un modul
ridicat de elasticitate vor fi mai rigide decât materialele „moi” sau maleabile cu un modul de
elasticitate mai redus. [14]
Universul materialelor cuprinde o gamă largă de valori ale densității și modului de elasticitate.
Densit atea tuturor materialelor, în general, variază aproximativ cu trei ordine de mărime. Valorile
inferioare ale materialelor sunt de aproximativ 0.01 kg/m³ în cazul materialului de tip „spumos”
(foam material), iar valorile superioare pot atinge densitatea de 20 kg/m³ pentru anumite metale sau
ceramici. În contrast, variația modulului de elasticitate a materialelor cuprinde aproximativ 7 ordine
de mărime, pornind de la 1 kPa pentru materialele elastomerice și ajungând la 1000 GPa la anumite
materiale ceramice. [14]
au modulele de elasticitate cuprinse Materialele piezoelectrice și aliajele cu memoria formei
între 10 și 100 GPa iar densitatea tipică se încadrează în intervalul 7000 -8000 kg/m³. [14]
sunt materiale maleabile al căror modul de elasticitate este de ordinul 1 Polimerii piezoelectrici
până la 3 GPa, iar densitatea este de aproximativ 1000 – 2000 kg/m³. [14]
sunt printre cele mai maleabile și mai puțin dense materiale. Acest tip de Polimerii electroactivi
polimeri prezintă module de elasticitate de ap roximativ 1 -500 MPa iar valoarea densității se
încadrează în intervalul 1000 -3000 kg/m³. [14]
Fig. 18 Reprezentare comparativă a tensiunii induse și a deformației induse pentru materialele
inteligente de tip actuator [14]
Explica țiile/traducerea privind semnificația schemei se regăsesc mai jos

20
De obicei, proiectarea în inginerie implică materiale cu un modul de elasticitate ridicat și care
sunt de categorie ușoară (greutate redusă). Astfel de materiale vor fi plasate în porțiunea superioară
stângă a Fig. 18 a). O proprietate de material care se referă la modulul de elasticitate și densitate
este viteza de undă, definită ca rădăcină pătrată din modulul de elasticitate raportat la densitate.
Linia întrerup tă din Fig. 18 a). reprezintă o linie de viteză contantă a undei; o viteză superioară a
undei indică faptul că materialul este caracterizat printr -un raport mai ridicat între modul și
densitate. Viteza de undă se află într -o interdependență cu proprietățil e dinamice ale materialului iar
caracteristicile de vibrație a structurii sunt proporționale cu viteza de undă a materialului. [14]
Proprietățile materialelor por fi intrinseci sau extrinseci. Forța și mișcarea (deplasarea) sunt
exemple de proprietăți extr inseci (acestea sunt funcții raportate la geometria materialului sau
dispozitivului). Deseorie este util să se compare materialele în funcție de anumite proprietăți
intrinseci, proprietăți care nu depind de o anumită geometrie. [14]
Proprietățile intrinsec i ale materialelor inteligente, importante în analiza comparativă a
actuatoarelor, sunt rezistența și tensiunea produse de stimulul aplicat. Tensiunea este definită prin
forța aplicată pe unitatea de arie, iar deformația este definită prin modificarea dime nsiunii
materialului față de mărimea originală, inițială. [14]
O comparație generală între materialele piezoelectrice, aliajele cu memoria formei și a
polimerilor electroactivi este reprezentată în Fig. 18 b). sub forma unui grafic cu tensiunea maximă
produsă de material pe axa verticală și deformația maximă produsă pe axa orizontală. [14]
ocupă, în general, porțiunea superioară stângă a diagramei deoarece Ceramica piezoelectrică
aceasta implică o deformație redusă și o tensiune mai ridicată, în timp ce mat erialele polimerice
electroactive ocupă, în general, porțiunea inferioară dreaptă a diagramei având în vedere că ele sunt
caracterizate prin deformație ridicată și tensiune redusă. [14]
sunt materiale plasate în zona dreaptă înde părtată a diagramei, Aliajele cu memoria formei
datorită faptului că ele produc o tensiune ridicată și o deformație ridicată. În unele aplicații, cei mai
importanți parametri pe care îi posedă materialele constau în abilitatea de a produce tensiune și
deformație. În aceste aplicații , materialele preferate sunt cele situate în zona dreaptă superioară a
diagramei. [14]
În vederea înțelegerii caracteristicilor date de tensiunea și deformația unor materiale variate, se
definește un parametru relativ care servește spre exemplu, în compara țiile dintre materialele folosite
la actuatoare. Produsul dintre tensiunea aplicată și deformația produsă este numit și reprezentat de
densitatea energetică volumetrică . [14]
Energia constituie capacitatea unui sistem de a efectua lucru mecanic, iar densit atea de energie
volumetrică reprezintă capacitatea sistemului de a efectua lucru mecanic, raportată la unitatea de
volum. Astfel un material cu o densitate de energie ridicată va avea o capacitate mai mare de a
efectua lucru mecanic, raportată la unitatea de volum. Densitatea de energie a materialului poate fi
observată în Fig. 18 b). prin linia dreaptă trasată dinspre colțul stânga sus spre colțul dreapta jos al
graficului. Fiecare linie reprezintă o linie de densitate energetică constantă. Din nou, materi alele din
zona dreaptă superioară a graficului sunt materiale cu o densitate de energie mai ridicată și de aceea
prezintă o capacitate superioară de a efectua lucru mecanic prin raportare la unitatea de volum.[14]
Prin analiza comparativă din Fig. 18 b)., se ilustrează faptul că densitatea ridicată de energie
poate fi obținută atât cu materiale inteligente rigide cât și cu materiale inteligente maleabile. [14]
Un material rigid precum prezintă o densitate de energie de ordinul 10 ceramica piezoelectrică
până la 100 kJ/m³ deoarece ea poate genera tensiuni induse ridicate (zeci de megapascali) chiar dacă
deformația maximă poate fi limitată la 0.1 %. [14]

21
În schimb, un material maleabil precum prezintă o densitate energetică de polimerul electroactiv
același or din ca și cea a ceramicii piezoelectrice (în unele cazuri, mai ridicată) având în vedere că el
poate produce deformații puternice (10 până la 100%) cu toate că modulul de elasticitate este mult
mai redus decât cel al ceramicii piezoelectrice. [14]

3.4 POLIMER I INTELIGENȚI

3.4.1 Noțiuni introductive
Polimerii inteligenți, receptivi la stimuli, sunt polimeri care răspund prin modificarea
considerabilă și precisă a proprietăților proprii ca efect la anumite condiții fizice și chimice. În
literatura de specialitate, ac ești polimeri sunt cunoscuți sub denumirea „smart polymers” sau
„environmentally sensitive polymers” – polimeri sensibili la mediu. [17[
Astfel de polimeri se pot contura sub diferite forme. Ei pot fi dizolvați în soluții apoase,
absorbiți sau grafați pe interfețe solid -apoase sau reticulați sub formă de hidrogeluri.
În mod tipic, când răspunsul critic al polimerului este determinat, acesta se comportă astfel [17]:

1. Polimerul inteligent care este dizolvat în soluția apoasă va prezenta o instalare bruscă de
turbiditate pe măsură ce fazele sale se separă; în cazul în care concentrația este suficient de
ridicată, se va transforma din soluție în gel.
2. Polimerul inteligent, care este grafat chimic pe o suprafață și stimulat prin separarea fazelor,
se va disipa convertind acea interfață dintr -una hidrofilă într -una hidrofobă. Dacă polimerul
inteligent reprezintă o soluție și este stimultat prin separarea fazelor, acesta poate fi fizic
absorbit de o suprafață hidrofobă a cărei compoziție prezintă un echilibru între grupurile
hidrofobe și cele polare similar polimerului separat în faze.
3. Polimerul inteligent, care este reticulat sub forma unui hidrogel, va implica un „colaps”
instalat brusc, eliberând multă cantitate de soluție adăugată.

Aceste fenomene se inversează atunci când stimulii se inversează. Uneori, rata de inversare este
mai lentă când polimerul trebuie să se redizolve sau gelul trebuie să se expansioneze în mediul
apos. Rata de colaps sau inversarea sistemelor polimerice inteligente este depend entă sau sensibilă
la dimensiunile acestor sisteme, fiind mai rapidă în cazul sistemelor de dimensiuni nanometrice. [17]
Stimulii proveniți din mediu se clasifică în trei categorii:
Fig. 19 Modelarea asistată de calculator a polimerilor inteligenți [18]

22
a). fizici: temperatură, putere ionică, solvenți, radiație (UV, vizibilă), câmpuri electrice, forță
mecanică, presiune înaltă, radiație sonică, câmpuri magnetice;
b). chimici: pH, ioni specifici, agenți chimici
c). biochimici: substraturi enzimatice, liganzi de afinitate, alți agenți biologici.
Polimerii inteligenți pot fi fizic combinați sau conjugați chimic în molecule pentru a
determina o „familiaritate” cu sistemele hibride polimerice -biomoleculare care să răspundă la
stimuli biologici, fizici sau chimici. [17]
Biomoleculele care pot fi combinate cu polimerii inteligenți inc lud: proteinele și
oligopepetidele, zaharurile și polizaharidele, oligonucleotidele, ARN sau ADN, lipide simple și
fosfolipide, liganzi de recunoaștere și molecule sintetice. [17]
PEG (polietilen glicol) este un polimer inteligent care ar putea fi conjuga t cu un polimer
inteligent pentru a ridica performanțele sau proprietățile structurale de la nivelul coloanei
vertebrale. [17]
Combinând un polimer inteligent cu o biomoleculă, se va produce un sistem inteligent,
biohibrid care va îngloba proprietățile ind ividuale ale celor două componente pentru a determina
noi proprietăți inedite. [17]
Printre cele mai importante astfel de sisteme, se regăsesc conjugatele biomoleculare –
polimerice inteligente, în special medicamentele polimerice și conjugatele proteino -polimerice. [17]
Astfel de bioconjugate inteligente, chiar o îmbinare fizică între polimeri inteligenți
individuali și biomolecule, ar putea fi absorbite și înglobate chimic pe suprafețe solide. [17]
Biomoleculele pot fi, de asemenea, fixate fizic și chimic î n hidrogeluri inteligente. Astfel de
sisteme hibride au fost studiate intens de cercetători specializați în domeniul biomaterialelor.[17]
Există un număr considerabil de aplicații revoluționare atât în medicină cât și în
biotehnologie ale unor astfel de s isteme inteligente polimerice -biomoleculare, care constituie o
extindere importantă a biomaterialelor polimerice utilizate frecvent la implanturi și dispozitive
medicale. [17]

3.4.2 Polimeri inteligenți în soluție
Există mulți polimeri care sunt caracterizați p rin precipitare indusă termic. Un polimer studiat
mai intens este poli (N -izopropil acrilamid) -PNIPAAm. Acest polimer este solubil în apă sub 32°C
și se precipitează brusc pe măsură ce temperatura urcă deasupra celor 32°C. Temperatura de
precipitare este d enumită LCST (lower critical solution temperature) sau temperatura inferioară
critică a soluției. Dacă soluția conține sare, LCST se va reduce cu câteva grade. [17]
3.4.3 Bioconjugate polimeri inteligenți -proteine în soluție
Polimerii inteligenți pot fi conjugaț i în mod aleator cu proteinele prin legarea părții reactive a
polimerilor sau grupurilor pereche reactive polimerice de -a lungul zonelor respective ale
proteinelor. În mod uzual, grupurile pe bază de lisină și amino reprezintă zonele proteinice cele mai
reactive pentru conjugările dintre polimerii aleatori și proteine, cel mai utilizat „element” chimic
fiind N -hidroxysuccinimide (NHS). Alte structuri chimice includ: COOH (grupuri de acid aspartic
și glutamic), OH (grupuri de serină și tirozină) și SH (grupu ri sau reziduuri de cisteină). [17]
Zona cea mai favorabilă, din punct de vedere al formării unei îmbinări potrivite, va fi
determinată de grupuri reactive de polimeri și de condițiile de reacție, în special pH. Polimerul
conjugat poate intefera din punct de vedere steric cu zona activă a proteinei astfel încât să -i

23
modifice micro -mediul, reducând bioactivitatea proteinei. Deși sunt rare cazurile, conjugarea cu un
polimer poate să determine o intensificare în activitatea proteinei. [17]
Aplicațiile biomedic ale ale polimerilor inteligenți în soluție sunt legate în principal de
conjugările acestora cu proteinele. Conjugări aleatoare a polimerilor sensibili față de temperatură și
uneori sensibili față de pH cu proteinele, au fost intens investigate, iar aplicaț ii ale acestor conjugate
s-au concetrat în teste imunologice, separări ale afinităților, restaurări enzimatice și administrare de
medicamente. [17]

3.4.4 Polimeri inteligenți pe suprafețe
Se poate realiza grefarea covalentă a polimerului pe o suprafață prin exp unerea suprafeței la
radiația ionizantă în prezența unui monomer (și în absența aerului) sau prin preiradierea suprafeței
polimerului în prezența aerului, și mai târziu făcându -se contactul între suprafață și soluția
monomerului determinându -se o încălzire în absența aerului. Aceste suprafețe prezintă modificări
sensibile la stimuli precum umiditatea. [17]
Cercetători conduși de Isihara au dezvoltat învelișuri sau straturi de acoperire sensibile la
lumină și membrane care modifică în mod reversibil umiditat ea sau denivelările suprafeței, datorate
izomerizării fotoinduse a polimerului conținând azobenzen. [17]

3.4.5 Bioconjugate polimeri inteligenți -zone specifice a unor proteine pe suprafețe

Conjugarea unui polimer sensibil la o zonă specifică a ligandului de legare cu o proteină
proiectată genetic reprezintă un concept revoluționar. Astfel de conjugări între proteine cu „zone
specifice” și polimeri inteligenți permit mediului un control sensibil asupra procesului de
recunoaștere a proteinei, care coordonează o rice sistem viu. [17]
Stayton și Hoffman au proiectat și sintetizat conjugate inteligente de tip polimer -proteină, unde
polimerul este conjugat într -o zonă specifică a proteinei, de obicei o grupare reactivă –SH thiol dins
cisteină care a fost inserată î n zona selectată. Acest proces are loc prin utilizarea mutagenezei în
casetă, prin care se inserează o structură mutantă în secvența ADN a proteinei, iar apoi clonându -se
acest mutant în culturile celulare. Metoda aceasta se poate aplica doar asupra protei nelor a căror
secvență completă de peptide este cunoscută. [17]
Polimerii inteligenți sensibili la temperatură, pH și lumină au fost utilizați pentru a forma astfel
de bioconjugate moi, „dublu inteligente”. Având în vedere obiectivul de a controla activi tatea
proteinei, și nu separarea fazelor sale, aceste bioconjugate dintre polimerul inteligent și proteina
proiectată au fost imobilizate pe suprafețe de micro – și nanosfere. Stayton, Hoffman și alți renumiți
cercetători au folosit astfel de „sfere” în dis pozitivele microfluidice pentru testele imunologice.
Cercetarea elaborată de Hoffman și colaboratorii săi a stabilit importanța corespondenței dintre
compoziția unui polimer inteligent și compoziția suprafeței în vederea îmbunătățirii absorției,
conduse pr in stimul, a polimerului inteligent în suprafață. [17]
Declanșarea unor liganzi de legătură a bioconjugatelor dintre un polimer inteligent și o proteină
proiectată ar putea fi utilă în cadrul unor terapii, precum administrarea medicamentelor specifice la
nivelul pielii sau a mucoaselor de pe suprafața organismului uman, precum și eliberarea localizată a
medicamentelor în interiorul corpului prin stimularea zonelor -țintă sau a locurilor vizate. Se
folosesc stimuli proveniți de la catetere care sunt non -invazivi și concentrați asupra zone de interes.

24
Această procedură este folosită și în elaborarea, respectiv restabilirea liganzilor de legare a
afinităților de pe suporturi cromatografice, incluzând și capturarea, eliberarea de populații celulare
specifice ca re se doresc a fi integrate în celulele stem și în transplanturile de măduvă osoasă. Aceste
procese implică două tipuri de polimeri receptivi la stimuli, care prezintă sensibilitate fie la același
tip de stimul, fie la stimuli diferiți. În cadrul liganzilo r mai delicați, precum peptidele și proteinele,
restaurarea ar putea surveni fără a implica un consum de timp sau condiții severe de eluție. [17]
Această procedură („triggered release”) ar putea fi, de asemenea, utilizată în eliminarea
inhibitorilor, a t oxinelor, a agenților de ancrasare din zonele de recunoaștere a enzimelor libere sau
imobilizate și a afinității moleculelor, precum cele folosite la biosenzori, testele de diagnoză sau
separările de afinități. Astfel este posibilă „regenerarea” procesului de recunoaștere a proteinelor
(care va avea o durabilitate mai extinsă). [17]
Structurile controlate prin lumină și eliberarea în zone specifice a conjugatelor proteinice sunt
procese care vor fi utilizate asemenea unor comutatoare moleculare în cadrul unor aplicații variate
din biotehnologie, medicină, bioelectronică, incluzând dispozitive portabile pentru diagnozăm,
biochipuri și aparate de tip laborator pe un singur chip. [17]

3.4.6 Hidrogeluri polimerice inteligente
Când un polimer inteligent este retic ulat pentru a forma un gel , acesta se va distruge și se va
expansiona în apă pe măsură ce un stimul îl „ridică” sau îl „coboară” la condiția lui critică.
Sistemele cu gel (hidorgeluri) au fost utilizate în administrarea injectabilă in vivo a medicamentelor .
Gelurile inteligente conținute de unele celule pot fi folosite în organele artificiale. Alături de
combinații precum polimeri naturalo cum ar fi acidul hialuronic și gelatina, gelurile sunt utilizate și
în ingineria tisulară. [17]

3.4.7 Geluri inteligente care răspund la stimuli biologici
Numeroase dispozitive clinice pentru administrarea medicamentelor au fost proiectate pentru a
răspunde la semnale biologice, constituindu -se astfel o manieră de tip feedback. [17]
Gelurile inteligente conținâ nd GOD (glucose oxidase) s -au proiectat pentru a răspunde la un
semnal relevant dat de creșterea concentrației glucozei. Într -un astfel de dispozitiv tipic, când
concentrația de glucoză crește, GOD convertește glucoza în prezența oxigenului în acid gluconi c și
Fig. 20 Administrarea de precizie a medicamentelor, prin intermediul polimerilor inteligenți
[19]

25
peroxid de hidrogen. Primul micșorează pH -ul iar ultimul reprezintă un agent de oxidare. Fiecare
dintre aceste semnale au fost utilizate în diferite sisteme inteligente cu hidrogeluri pentru a
îmbunătăți permeabilitatea acestei bariere de gel față de administrarea i nsulinei. Micșorarea pH -ului
datorată acidului gluconic, determină accelerarea eroziunii hidrolitice a polimerului care conținea
insulină; insulina se va elibera. [17]
3.4.8 Concluzii privind analiza polimerilor inteligenți
Polimerii inteligenți în soluții, pe suprafețe și sub formă de hidrogeluri au fost utilizați în diferite
moduri și aplicații interesante, în special în combinație cu biomolecule, precum proteinele sau unele
medicamente. Printre cele mai importante aplicații, se regăsesc: separ area afinităților, procesele
enzimatice, testele imunologice, administrarea medicamentelor și eliminarea toxinelor. Aceste
sisteme polimeri inteligenți -biomolecule reprezintă o extindere importantă a biomaterialelor
polimerice dincolo de cele mai cunoscute utilizări ale lor în realizarea implanturilor și a
dispozitivelor medicale.
BIBLIOGRAFIE
[1] ***. Sensitive Synthetic Skin in the Works for Prosthetic Arms. [Interactiv] [Citat: 16 Noiembrie
2014.] http://spectrum.ieee.org/biomedical /bionics/sensitive -synthetic -skin-in-the-works -for-
prosthetic -arms.
[2] —. Flexible 'electronic skin' can help heal, detect touch and temperature. [Interactiv] [Citat: 16
Noiembrie 2014.] http://www.theverge.com/2013/7/9/4508546/electronic -skin-gold –
nanoparti cles-feels -pressure -temperature -humidty.
[3] —. Petice medicale „smart”, Science World. 2014.
[4] —. National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. [Interactiv] [Citat: 16 Noiembrie
2014.] http://www.nibib.nih.gov/science -education/bionic -man.
[5] NICU, Mihail. Biotehnologia și bioingineria. București : Editura științifică și enciclopedică, 1988.
[6] ***. Biomateriale și biocompatibilitatea acestora cu organismul uman. [Interactiv] [Citat: 16
Noiembrie 2014.] https://ro.scribd.com/doc/224804072/130540489 -Biomateriale -Si-
Biocompatibilitatea -Acestora -Cu-Organismul -Uman -doc.
[7] BARBUCCI, Rolando. Integrated Biomaterials Science. 2002.
[8] ***. Biomaterials. [Interactiv] [Citat: 17 Noiembrie 2014.]
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/3312/3391650/blb1203.html .
[9] BUJOTEANU, L. G. Materiale inteligente. [Interactiv] [Citat: 17 Noiembrie 2014.]
http://www12.tuiasi.ro/users/112/L.G.Bujoteanu -Materiale%20inteligente.pdf.
[10] BULANCEA, V. Biomateriale. [Interactiv] [Citat: 2014 Noiembrie 17.]
http://www12.tuiasi.ro/user s/112/V.%20Bulancea -Biomateriale.pdf.
[11] ***. Shape Memory Alloy Prosthetics. [Interactiv] [Citat: 17 Noiembrie 2014.]
http://people.ece.cornell.edu/land/courses/eceprojectsland/STUDENTPROJ/2005to2006/bsm24/in
dex.htm.
[12] —. Ceramic biomaterials. [Interactiv] [ Citat: 17 Noiembrie 2014.]
http://img.docstoccdn.com/thumb/orig/120553634.png.
[13] —. Polymers and Electronics. [Interactiv] [Citat: 17 Noiembrie 2014.]
http://www.iap.fraunhofer.de/en/Forschungsbereiche/Funktionale_Polymersysteme/polymere_un
d_elektronik/funk tionale_polymerefuerdiemedizintechnik.html.

26
[14] LEO, Donald J. Engineering Analysis of Smart Material Systems. New Jersey : John Wiley & Sons,
2007.
[15] ***. Automotive Smart Memory Materials. [Interactiv] [Citat: 17 Noiembrie 2014.]
http://www.carnorama.com/122 5/automotive -smart -memory -materials/.
[16] —. Stent inside a coronary artery. [Interactiv] [Citat: 17 Noiembrie 2014.]

[17] RATNER, B.D. BIOMATERIAL SCIENCE. An Introduction To Materials in Medicine. San Diego :
Academic Press, 1996.
[18] ***. Smart polymers future as biomaterials. [Interactiv] [Citat: 17 Noiembire 2014.]
http://www.slideshare.net/GreeshmaGn/smart -polymers.
[19] —. Smart Polymers Allow More Subtle Control and Timing of Drug Delivery. [Interactiv] [Citat: 17
Noiembrie 2014.] http://www.azom.com/news.aspx?newsID=34662.