/P2003-03.djvu

			KOMITET REDAKCYJNY 


REDAKTOR NACZELNY 
ROMAN RUTOWSKI, Wrodaw 


CZLONKOWIE REDAKcn 
R. ADAMIEC, Wrodaw; S. GLOWINSKI, Bialystok; J. GOSK, Wrodaw; D. HORAK, Praga (CZECHY); 
J. KOLODZIEJ, Wrodaw; J. KURYSZKO, Wrodaw; J. LUKASZCZYK, Gliwice; D. PALUCH, Wrodaw; 
T. ORLOWSKI, Warszawa; S. PIELKA, Wrodaw; L. SOLSKI, Wrodaw; J. STANISZEWSKA-Kus, 
Wrodaw; M. SZYMONOWICZ, Wrodaw; J. URBAN, Wrodaw; K. ZIMMER, Wrodaw 


SEKRET ARZ 
Urszula TOMCZYK, Wrodaw 


REDAKCJA 
AKADEMIA MEDYCZNA 
ul. Pasteura 2, 50-367 Wrodaw 
Polska - Poland 
tel. (071) 7841133; fax. (071) 7840032 
e-mail: redakcja@wyd.am.wroc.pl 



POLIMERY W MEDYCYNIE 
POL YMERS IN MEDICINE 
2003, T. XXXIII, No. 3 


Spis tresci 


PRACE ORYGINALNE 


Nosniki lekow 
RAFAL LEWANDOWSKI, JACEK GRZYBOWSKI, 
JOANNA KARAS, ZBIGNffiW JAEGERMANN, 
ZBIGNIEW POLESINSKI: Kinetyka uwalnia- 
nia antybiotykow z implantow ceramicz- 
nych ............ 3 
STANISLAW PffiLKA, WLODZIMJERZ JUSZKIE- 
WICZ, ROMAN RUTOWSKI, JOLANTA STANI- 
SZEWSKA-Kus, LESZEK SOLSKI: Badanie 
biozgodnosci cementu apatytowego. . . 13 
WLODZIMJERZ JUSZKIEWICZ, STANISLAW 
PffiLKA, JOLANTA STANISZEWSKA-Kus, 
DANUTA PALUCH: Badanie odczynu tkan- 
kowego na wszczepy cementu aptatytowe- 
go zawieraj
cego Wankomycyn
 19 


Przeszczep nerki 
ARTIJR PuPKA, PAWEL CHUDOBA, PIOTR BARe, 
GRZEGORZ KALUZA, ARTIJR RUCINSKI, 
DARillSZ JANCZAK, STANISLAW PAWLOW- 
SKI, PIOTR SZYBER: Hemostaza srodopera- 
cyjna w przeszczepach nerek przy uZyciu 
opatrunku z wlokniny kolagenowej, pokry- 
tej klejem fibrynowym (facho-Comb) 27 
ARTIJR PUPKA, PAWEL CHUDOBA, DARIDSZ 
PATRZALEK, DARIDSZ JANCZAK, PIOTR 
SZYBER: Modyfikacja przeszczepiania nerki 
z zastosowaniem wlasnego zbiornika poliety- 
lenowego . . . . . . . . . . . . 33 


Membrany polimerowe 
JOLANTA JASIK-SLI2ZAK, ANDRZEJ Sq
ZAK, JA- 
CEK W 45IK: Efekty st
zeniowych warstw 
granicznych w biernym transporcie mem- 
branowym roztworow elektrolitow, przez 
poziomo ustawion
 membran
 polimerow
 39 


Polimery biozgodne 
BOZENA KONffiCZNA, GRZEGORZ CHMffiLEW- 
SKI, STANISLAW BLAZEWICZ: Badania in 
vitro powlok polimerowych na elemen- 
tach elektronicznych . . . . . . . 53 


Contents 


ORIGINAL PAPERS 


Drugs carriers 
RAFAL LEWANDOWSKI, JACEK GRZYBOWSKI, 
JOANNA KARAS, ZBIG
IEW JAEGERMANN, 
ZBIGNIEW POLESINSKI: Kinetics of. anti- 
biotics release from ceramic implants.. 3 
STANISLAW PffiLKA, WLODZIMffiRZ JUSZKffi- 
WICZ, ROMAN RUTOWSKI, JOLANTA STANI- 
SZEWSKA-Kus, LESZEK SOLSKI: Investiga- 
tion of biocompatibility of the apatite ce- 
ment . . . . . . . . . . . . . 13 
WLODZIMffiRZ JUSZKffiWICZ, STANISLAW 
PffiLKA, JOLANTA STANISZEWSKA-Kus, 
DANUTA PALUCH: Investigation of tissue 
reaction of apatite cement implants impre- 
gnated with Vankomycin. . . . . . 19 


Kidney transplantation 
ARTUR PUPKA, PAWEL CHuDOBA, PIOTR 
BARe, GRZEGORZ KALUZA, ARTUR 
RUCINSKI, DARIUSZ JANCZAK, STANISLAW 
PAWLOWSKI, PIOTR SZYBER: Intraoperative 
hemostasis during kidney transplantation 
and the use collagen mesh dressing covered 
by fibrin glue (TachoComb). . . . . 27 
ARTuR PUPKA, P A WEL CHUDOBA, DA
IDSZ 
PATRZALEK, DARIDSZ JANCZAK, PIOTR 
SZYBER: The modification of renal trans- 
plantation with the usage of own polyet- 
hylene receptacle. . . . . . . . . 33 


Polymeric membrane 
JOLANTA JASIK-SLJ;!ZAK, ANDRZEJ SLI2ZAK, 
JACEK W 45IK: Effects of concentration bou- 
ndary layers in a transport of electrolyte 
solutions through horizontal mounted po- 
lymeric membrane. . . . . . . . . 39 


Biocompatible polymers 
BOZENA KONIECZNA, GRZEGORZ CHMffiLEW- 
SKI, STANISLAW BLAZEWICZ: In vitro stu- 
dy of polymer coatings on electronic ele- 
ments. . . . . . . . . . . . . 53 


. . . . . . . . 


,.:-<: :


 .!;. 
';,;.
 - \. 

 II 
, 
" 


\
-
_
 ;i';' 




"'":--.. 



Kinetyka uwalniania 
antybiotykow z implantow 
ceramicznych 


RAFAL LEWANDOWSKI!, JACEK GRZYBOWSKI l , 
JOANNA KARAS!, ZBIGNIEW JAEGERMAN 2 , 
ZBIGNIEW POLESINSKI 2 


1 Zaklad Mikrobiologij i Epidemiologii, 
Wojskowy Instytut Higieny 
i Epidemiologii w Warszawie 
2 Instytut Szkla i Ceramiki w Warszawie 


Streszczenie 


W pracy okreslono kinetyk
 uwalniania an- 
tybiotykow: cefazoliny, gentamycyny, netyl- 
mycyny i wankomycyny, z dwoch rodzajow 
implantow ceramicznych: korundowych 
oraz sporz
dzonych z cementu apatytowego, 
przeznaczonych dla chirurgii kostnej. Bada- 
nia wykonano w oparciu 0 opracowany 
wczesniej wlasny model badawczy, w kto- 
rym przez okres 3 dni prowadzono ekstrak- 
cj
 antybiotykow z implantow do g
bek po- 
liuretanowych. Zawartosc antybiotykow 
w g
bkach oznaczano za pomoc
 dwoch 
metod: spektrofotometrycznej i biologicznej. 
Sposrod badanych materialow ceramicz- 
nych, implanty korundowe z netylmycyn
 
i kr
Zki cementowe z gentamycyn
 wykazywa- 
Iy najwi
ksz
 wydajnose uwalniania antybio- 
tykow (odpowiednio: 50 i 80%). W najmniej- 
szych ilosciach uwalniala si
 cefazolina z kr
- 
kow cementowych (wydajnose okolo 0,02%). 
Efektywnose i kinetyka uwalniania an- 
tybiotykow z badanych implantow cerami- 
cznych, zaleZaly od rodzaju leku przeciwbak- 
teryjnego oraz od rodzaju materialu cera- 
mlcznego. 


Slowa kluczowe: implanty korundowe, im- 
planty cementowe, antybiotyki 


Polimery w Medycynie 2003, T. XXXIII, Nr 3 


Kinetics of antibiotics release 
from ceramic implants 


RAFAL LEWANDOWSKI!, JACEK GRZYBOWSKI!, 
JOANNA KARAS l , ZBIGNffiW JAEGERMAN 2 , 
ZBIGNIEW POLESINSKI 2 , 


1 Department of Microbiology 
and Epidemiology, Military Institute 
of Hygiene and Epidemiology Warsaw 
2 Institute of Glass and Ceramics, Warsaw 


Summary 
Presented study describes kinetics of anti- 
biotics release: cefazolin, gentamicin, netil- 
micin and vancomycin, from two types of 
ceramic implants: corundum and apatite 
cement prepared for osteosurgery. The ex- 
periments was based on our experimental 
model developed previously, in which the 
extraction of antibiotics from implants to 
polyurethane sponge was made for 3 days. 
The concentrations of antibiotics in the 
sponges were determinated by spectropho- 
tometric and biological methods. 
Among all ceramic materials tested, co- 
rundum implants with netilmicin and ce- 
ment implants with gentamicin proved to 
be most efficacious regarding antibiotics re- 
lease within 3 days of extraction to polyure- 
thane sponge (yield of the release was 50% 
and 80% respectively). The lowest release 
was obtained in the case of cefazolin from 
cement disks (yield about 0,02%). 
The kinetics and effectiveness of antibiotics 
release from the ceramic implants tested depe- 
nded on ceramic carrier and kind of the drug. 


Key words: corundum implants, cement im- 
plants, antibiotics 



4 


RAFAL LEWANDOWSKI I INNI 


WST
P 


INTRODUCTION 


Jednym z wazniejszych problemow we wspolczes- 
nej chirurgii kostnej, jest koniecznose uzupelniania 
ubytkow kostnych powstalych w wyniku urazow 
lub r6:l:nych chorob ukladu kostno-stawowego 
(np. nowotworow, torbieli kostnych). Zwykle w tym 
celu stosuje si
 przeszczepy kostne [1] oraz implan- 
ty wykonane z metali lub tworzyw sztucznych 
[2-5]. Najcz
sciej stosowane s
 implanty wykona- 
ne z metali odpornych na korozj
, poniewaz od- 
znaczaj
 si
 one bardzo dobrymi parametrami me- 
chanicznymi i chemicznymi. Jednak implanty te 
posiadaj
 dwie dose istotne wady, a mianowicie: 
slab
 biozgodnosc z otaczaj
c
 tkank
 kostn
 (na- 
wet po zastosowaniu porowatej powierzchni im- 
plantu) oraz mozliwose niekorzystnego oddzialy- 
wania ferroelektrycznego na przylegaj
ce tkanki 
[4, 6]. 
Dlatego duzym post
pem w tej dziedzinie, bylo 
opracowanie i wprowadzenie do operacyjnej prak- 
tyki ortopedycznej i stomatologicznej ceramicz- 
nych biomaterialow korundowych. Porowata stru- 
ktura tych biomaterialow latwo tworzy z tkank
 
kostn
 mocny i trwaly kompozyt, odporny na 
dzialanie znacznych napr
zen. Ponadto, materialy 
te wykazuj
 duz
 biozgodnose z otaczaj
cymi tkan- 
kami i latwo poddaj
 si
 obrobce mechanicznej, 
w celu uzyskania odpowiedniego ksztaltu (nawet 
przy uzyciu prostych narz
dzi ortopedycznych 
podczas zabiegu operacyjnego) [2, 3, 6-8]. 
Badania biologiczne biomaterialow korundo- 
wych in vivo, prowadzone pocz
tkowo na kroli- 
kach i owcach wykazaly, ze substancje organiczne 
(niezmineralizowane) pochodz
ce z organizmu 
biorcy, pojawiaj
 si
 w zewn
trznych porach bio- 
materialu po 3 dniach od jego wszczepienia. Po 
6 tygodniach stopien wypelnienia porow przekra- 
czaI80%, a po 16 tygodniach przerosni
cie porow 
i mineralizacja kosci byly zakonczone [6, 7]. 
Jednak nie wszystkie ubytki kostne mozna za- 
st
pic porowatymi implantami korundowymi. 
W niektorych stanach klinicznych w ortopedii ko- 
nieczne jest zastosowanie endoprotez (np. stawow 
biodrowych, kolanowych i innych), ktore najc
s- 
ciej stabilizuje si
 w kosci za pomoc
 cementow 
kostnych [9]. Obecnie stosowane cementy kostne 
(najcz
sciej z polimetakrylanu metylu - PMMA) 
nie spelniaj
 jednak wszystkich kryteriow, stawia- 
nych tego typu biomaterialom. Przede wszystkim 
mog
 ulegae depolimeryzacji po dluzszym okresie 
czasu i zatruwae toksycznymi monomerami ota- 
czaj
ce tkanki. Z wymienionych przyczyn d
zy si
 
do tego, aby zast
pie dotychczas stosowane cemen- 
ty kostne nowym biozgodnym cementem, nie wy- 


One of the most important problems of the con- 
temporary osteosurgery involves a need of supple- 
mentation of bone defects as a result of injuries or 
resections within the osteoarticular system (e.g. af- 
ter tumours or cysts removal). 
Usually, for this purpose the bone graft [1], 
metal or plastic implants are used for filling such 
bone defects [2-5]. Of all types of biomaterials 
the implants made of stainless metals alloys 
are used most often, because they have very good 
mechanical and chemical properties. However, 
those implants also have two important disad- 
vantages, namely: poor bio-compability to the 
surrounding bone tissue (even in case of applica- 
tion of porous implant surface), and a possibility 
of adverse ferroelectric effect on the adjacent tis- 
sues [4, 6]. 
Therefore, a great improvement in that field 
was development and introduction of ceramic co- 
rundum biomaterials into the orthopedic and den- 
tal surgery practice. The porous structure of these 
biomaterials easily create a strong and long-lasting 
composite with the bone tissue, resistant to opera- 
tion of large tensions. Additionaly, the materials 
show considerable bio-compatibility with the ad- 
jacent tissues and they may be easily mechanically 
processed to achieve a requested shape (even with 
application of simple orthopedic tools during sur- 
gical operation) [2, 3, 6-8]. 
Biological tests of the corundum biomaterials 
in vivo, initially performed on rabbits, and on she- 
eps, proved that the organic substances (non-mine- 
ralized) originated from recipients appeared 3 days 
after implantation, in the external pores, close to 
the bone tissue. After 6 weeks, extent of pores fil- 
ling exceeded 80%, and after 16 weeks overgrowth 
and mineralization of the bones were completed 
[6, 7]. 
However, not all bone defects may be replaced 
with porous corundum implants. In some clinical 
orthopedic cases it is necessary to apply endopros- 
theses (e.g. hip, knee joints and others), which are 
usually stabilized within the bone by means of bo- 
ne cements [9]. Presently applied bone cements 
(most often composed of polymethylmethacrylate 
- PMMA) do not meet all criteria requested for 
such type of biomaterials. First of all, after longer 
time they may undergo depolymerization and lead 
to intoxication the adjacent tissues with toxic mo- 
nomers. Therefore there is a tendency to replace 
such bone cements with new preparations, which 
do not cause any toxic actions and that meet ap- 
propriate requirements (appropriate binding time, 



NOSNIKI LEKOW; DRUGS CARRIERS 


5 


woluj
cym dzialania toksycznego i spelniaj
cym 
odpowiednie wymagania fizyczne (odpowiedni 
czas wi
zania, wystarczaj
ca wytrzymalose mecha- 
niczna, opowiedni czas trwania plastycznosci i ko- 
hezji). Powyzsze kryteria spelnia cement apatyto- 
wy, ktorego technologia wytwarzania zostala 
opracowana w Instytucie Szkla i Ceramiki w War- 
szawie. Jego obecnose w organizmie nie wywoluje 
zadnych reakcji niepoz
danych, a ponadto bioma- 
terial ten charakteryzuje si
 wysok
 wytrzymalos- 
ci
 na sciskanie (54 MPa po 24 godz., a po dwoch 
tygodniach wzrasta do 70 MPa) oraz dobr
 adhe- 
zj
 do metalu i kosci [9-1]. 
Nalezy jednak pami
tae, ze poprawne wszcze- 
pienie implantu 0 nawet najlepszych wlasciwosciach 
ftzykochemicznych i biologicznych, nie oznacza je- 
szcze pelnego sukcesu terapeutycznego. Tego typu 
zabiegi operacyjne obarczone s
 duzym ryzykiem 
zakazenia srodoperacyjnego [12], ktore moze pro- 
wadzie do zapalenia tkanki kostnej. Jest to jedno 
z najpowazniejszych powiklan pooperacyjnych 
w ortopedii, a jego skutki s
 najcz
sciej nieodwraca- 
Ine [13]. Dlatego operacje ortopedyczne, w szcze- 
golnosci zwi
zane z wszczepianiem implantow, wy- 
magaj
 proftlaktycznego podawania antybiotykow. 
Jednak wybor leku, droga podania i czas stoso- 
wania s
 w
 dyskusyjne [5, 14-16]. Obecnie w pro- 
filaktyce zakazen pooperacyjnych w ortopedii, 
podstawowe znaczenie maj
 leki przeciwbakteryj- 
ne i przeciwgrzybicze, ktore mog
 bye podawane 
zarowno dozylnie, jak i miejscowo. W zaleznoSci 
od sytuacji klinicznej stosuje si
: aminoglikozydy, 
cefalosporyny, chinolony, glikopeptydy, metroni- 
dazol i flukonazol [5, 15, 16]. 
Osi
gni
cie minimalnych s
zen bakteriobojczych 
(MBC) powyzszych lekow w tkance kostnej,jest moz- 
liwe tylko w wyniku ich miejscowej aplikacji. Dlatego 
od wielu lat podejmowane s
 proby miejscowego po- 
dawania proftlaktycznych antybiotykow [13, 16, 17]. 
Obecnie w ortopedii stosowana jest g::j,bka kolageno-, 
wa uwalniaj
ca gentamycyn
, jako miejscowy lek 
przeciwbakteryjny. Rowniez cementy kostne uwaza- 
ne s
 za dobre noSniki antybiotykow [17-19]. 
Celem przedstawionych badan jest okreslenie 
kinetyki uwalniania wybranych antybiotykow (ce- 
fazoliny, gentamycyny, wankomycyny i netylmycy- 
ny) z dwoch rodzajow implantow ceramicznych - 
korundu i cementu apatytowego. 


MATERIALY I METODY 


Do doswiadczen stosowano kr
zki wykonane 
z korundu i cementu apatytowego, przygotowane 
przez Instytut Szkla i Ceramiki w Warszawie. Do 


sufficient mechanical resistance, plasticity and co- 
hesion time). Above properties possess apatite ce- 
ments developed and manufactured in Institute of 
Glass and Ceramics, Warsaw, Poland. Their prese- 
nce in the organism does not cause any undesirab- 
le reactions; moreover, these biomaterials are high- 
ly resistant to crushing (54 MPa after 24 hours, but 
after 2 weeks increase to 70 MPa) and has good 
adhesive properties with references to metal im- 
plants and bone tissue [9-11]. 
However, one should remember, that correct 
grafting of an implant even when its possesses the 
best physical, chemical and biological features do- 
es not ensure full therapeutic success. Such types of 
surgical operations are burden of serious risk of 
infections complications [12], which may lead to 
an inflammation of bone tissue, which is most of- 
ten complications in orthopedics; consequences of 
it are usually irreversible [13]. Therefore, the ort- 
hopedic surgeries, in particular related with implan- 
tation, require prophylactic application of anti- 
biotics. However, selection of an antimicrobial 
drug, way of delivery and time of application are 
still being discussed [5, 14-16]. Presently, the an- 
tibacterial and antifungal drugs applied intrave- 
nously or topically in parallel, are of basic impor- 
tance in preventing the post-surgical infections. 
Depending on clinical case, the aminoglycosides, 
cephalosporins, quinolones, glycopeptides, metro- 
nidazole and fluconazole are applied [5, 15, 16]. 
Achievement of minimum bactericidal concent- 
rations (MBC) of these drugs in the bone tissue is 
possible only after topical delivery of the drug. Hen- 
ce, for many years the attempts of proper topical 
delivery of antibacterials are undertaken [13, 16, 
17]. Presently, the collagen sponge with gentami- 
cin is used in orthopedics as a topical antibacterial 
agent. Also the bone cements are considered as 
potential good antibiotic carriers [17-19]. 
The aim of the presented study is to establish 
kinetics of selected antibiotics (cefazolin, gentami- 
cin, netilmicin and vancomycin) release from two 
types of ceramic implants (corundum and apatite 
cement). 


MATERIALS AND METHODS 


For the experiments, corundum and apatite ce- 
ment disks, prepared by the Institute of Glass and 
Ceramics, Warsaw were used. To the corundum 



6 


RAFAL LEWANDOWSKI) INN) 


kr
zkow korundowych (0 srednicy 10 mm i grubo- 
sci 5 mm) wprowadzone zostaly nast
puj
ce anty- 
biotyki: a) cefazolina (Kefzol, Lilly) lub wankomy- 
cyna (Vancocin, Lilly) w roztworze zawieraj
cym 
3% alginianu sodowego oraz b) netylmycyna (Net- 
romycine, Schering-Plough) w roztworze zawiera- 
j
cym 15% alkoholu poliwinylowego. Kazdy im- 
plant zawieral 18 mg odpowiedniego antybiotyku. 
Kontrol
 stanowily kr
zki korundowe, zawieraj
- 
ce wyl
cznie odpowiednie rozpuszczalniki. 
Do kr
zkow cementowych (0 srednicy 15 mm 
i grubosci 2 mm) wprowadzono w trakcie procesu 
wytwarzania 60 mg cefazoliny (Kefzol, Lilly), 
18 mg wankomycyny (Vancocin, Lilly) lub 60 mg 
gentamycyny (Garamycin, Schering-Plough). Kon- 
trol
 stano wily kr
zki cementowe nie zawiera- 
j
ce antybiotykow.Wszystkie implanty podda- 
ne zostaly liofilizacji i sterylizacji radiacyjnej 
(28 kGy). 
Do doswiadczen uzyto metycylinowrazliwy 
szczep Staphylococcus aureus (MSSA), wyizolowa- 
ny z rany oparzeniowej w Oddziale Leczenia Opa- 
rzen Szpitala Miejskiego nr 2 w Siemianowicach 
Sl
skich. Wartosci minimalnego st
zenia hamuj
- 
cego wzrost uzytego szczepu (MIC) dla wankomy- 
cyny, cefazoliny, gentamycyny i netylmycyny ozna- 
czone zostaly metod
 makrorozcienczeniow
 wed- 
lug NCCLS [20, 21] i wynosily odpowiednio: 1, 
0.5, 500 i 16 J..Lgjml. 
Badania kinetyki uwalniania antybiotykow 
z kr
zkow ceramicznych, wykonano wedlug zmo- 
dyfikowanej metodyki opracowanej przez Lewan- 
dowskiego i Grzybowskiego [22]. Badane kr
zki 
ceramiczne nas
czano jalowym PBS (50 III nano- 
szono na kazdy kr
zek korundowy i 100 III na 
kazdy kr
zek cementowy), a nast
pnie ukladano je 
na kr
zkach z g
bki poliuretanowej (LIGASANO, 
Veenendaal-Schaumstoffwerk GmbH, Lichtenfels, 
Holandia) 0 grubosci 2,5 mm. Implanty korundo- 
we ukladano na kr
zkach 0 srednicy 10 mm, a im- 
planty cementowe na kr
zkach 0 srednicy 15 mID. 
Ekstrakcj
 antybiotykow do kr
zkow z g
bki po- 
liuretanowef"prowadzono przez 3 dni w temp. 
37°C. Po kazdym dniu ekstrakcji implanty zdej- 
mowano z powierzchni g
bek poliuretanowych 
i przenoszono je na swieze g
bki. G
bki, do kto- 
rych penetrowaly antybiotyki w trakcie ekstrakcji 
umieszczano na 60 min w probowkach zawieraj
- 
cych 4 ml jalowego PBS, wytrz
sano je przez 10 
min (cz
stotliwose 150jmin). Odcisni
te jalow
 p
- 
set
 g
bki usuwano z probowek, a wyekstrahowa- 
ne roztwory antybiotykow odwirowywano (2 min, 
12000 rpm). St
zenie antybiotykow w supernatan- 
tach oznaczano za pomoc
 dwoch metod: spek- 
trofotometrycznej i biologicznej. 


disks (10 mm in diameter and 5 mm thick) were 
incorporated the following antibiotics: a) cefazolin 
(Kefzol, Lilly) or vancomycin (Vancocin, Lilly) 
in solution containing 3 % of sodium alginate and 
b) netilmicin (Netromycine, Schering-Plough) in 
solution containing 15% of polyvinyl alcohol. 18 
mg of appropriate antibiotic was incorporated into 
the each disc. The control group involved corun- 
dum disks with appropriate solvents only. 
To the cement disk (15 mm in diameter and 
2 mm thick) 60 mg of cefazolin (Kefzol, Lilly), 
18 mg of vancomycin (Vancocin, Lilly) or 60 mg 
gentamicin (Garamycin, Schering-Plough) were 
incorporated during manufacturing. The control 
group involved cement disks with appropriate 
solvents only. All implants were submitted to 
lyophylization process and radiational sterilization 
(28 kGy). 
For the experiments, methicillin-susceptible 
Staphylococcus aureus was used (MSSA). The 
strain was isolated from burn wound in Burn 
Unit, Municipal Hospital, SiemianQwice Sl
- 
skie, Poland. Minimal inhibitory concentrations 
(MIC) of tested antimicrobials were estimated 
using the macrodilution method according to 
the NCCLS recomendations [20, 21]. The MIC 
values for vancomycin, cefazolin, gentamicin and 
netilmicin equaled 1, 0.5, 500 and 16 llgjml, respec- 
tively. 
The tests of kinetics of antibiotics release 
from the ceramic disks were performed according 
to the method by Lewandowski and Grzybowski 
with modification [22]. The tested ceramic disks 
were soaked with sterile PBS solution (50 III 
was poured on each corundum disk and 100 III on 
each cement disk), then placed on polyurethane 
sponge disks (LIGASANO, Veenendaal-Schaums- 
toffwerk GmbH, Lichtenfels, Holand) 2,5 mm 
thick. The diameter of the sponge disks was 10 mm 
for corundum implants and 15 mm for cement 
implants. The extraction of antibiotics to poly- 
urethane sponges was made for 3 days at tempera- 
ture of 37°C. After each day of extr
ction, the 
implants were removed from the polyurethane 
sponges and placed on fresh ones. The sponges 
with extracted antibiotics were pleaced into 
test - tubes containing 4 ml of sterile PBS solu- 
tion for 60 minutes, and then they were shaken 
for 10 minutes (frequency 150jmin). Antibiotic so- 
lutions were then removed from the sponges by 
pressing then with sterile pincet. The solutions 
were centrifugated (2 min., 12000 rpm). The con- 
centrations of antibiotics in supernatants were de- 
terminated by spectrophotometric and biological 
methods. 



NOSNIKI LEKOW; DRUGS CARRIERS 


7 


Do spektrofotometrycznego oznaczania st
zen 
badanych antybiotykow stosowano nast
puj
ce 
dlugosci fal: 280 nm dla wankomycyny, 270 nm 
dla cefazoliny, 255 nm dla gentamycyny i 257 nm 
dla netylmycyny. 
W metodzie biologicznej [23], st
zenie uwol- 
nionych antybiotykow oznaczano stosuj
c seryjne 
rozcienczenia supernatantow w bulionie, do kto- 
rych dodawano inokulum uzytego szczepu S. au- 
reus (Nr 638). St
zenie antybiotyku uwolnionego 
z implantu do kr
zka z g
bki poliuretanowej okre- 
siano wedlug wzoru [23]: 


ilosc wartosc najwifksze 
antybiotyku MIC dla TOzcienczenie 
uwolnionego badanego szczepu x mieszaniny 
z implantu bakteryjnego inkubacyjnej hamujqce 
w JI{J/I w JI{J/I wzrost S. aureus 
Wszystkie doswiadczenia wykonano w trzech 
powtorzeniach. 


WYNIKI 


Ryciny 1 i 2 przedstawiaj
 kinetyk
 uwalniania an- 
tybiotykow z kr
zkow ceramicznych w ci
gu 3 dni 
ekstrakcji, oznaczon
 przy uzyciu metody biologi- 


5 cefazolina 5 wankomycyna 5 netylmycyna 
A A A 
4 - r- 4 4 
E 3 3 3 
C, 
E 2 - 2 2 


Spectrophotometrically, concentrations of anti- 
biotics were tested using next wavelengths: 280 nm 
for vancomycin, 270 nm for cefazolin, 255 for gen- 
tamicin and 257 for netilmicin. 
For the biologic method [23], the extracts with 
released antibiotics were diluted in nutrient broth. 
Serial dilutions of the extracts were inoculated 
with S. aureus strain (No 638). 
The concentration of antibiotic released from 
the implant to polyurethane sponge disk was cal- 
culated according to a relevant formula [23]: 


the 
concentration 
of the 
drug released 
(JI{J /1) 


the MIC 
value of 
the drug 
tested 
(JI{J/I) 


a dilution coefficient 
in the tube 
x in which the growth 
of S. aureus 
was completly inhibited 


Each experimental system was run in triplicate. 


RESULTS 


Figures 1 and 2 present kinetics of anti1?iotics rele- 
ased from ceramic discs within 3 days of extrac- 
tion, tested using biological method. The histo- 


2 


40 wankomycyna 40 gentamycyna 
A A 
30 30 
20 20 
10 10 
J t:l 1 
c---;-' c---;-' 0 
3 2 3 2 3 


40 cefa20lina 
A 
30 
E 
C, 20 
E 
10 


0 0 0 0 
2 3 1 2 3 2 3 
60 60 1 B 60 100 B 
B B 
I - 
j 
;--- 10 
40 40 40 
'#. '#. 
- 
20 20 20 
0,1 
0 0 0 0.01 
2 3 2 3 2 3 


Oni ekstrakcji 


Ryc. 1. Uwalnianie antybiotykow z krq,zkow korundowych 
zawierajq,cych po 18 mg: cefazoliny, wankomycyny lub netyl- 
mycyny. Wykresy przedstawiajq, srednie arytmetyczne z trzech 
pomiarow, jako st
zenie antybiotyku uwolnionego kaZdego 
dnia (A) oraz efektywnosc uwalniania (w %) wyraZonq, jako 
dane kumulatywne (B) 


FIG. 1. Release of antibiotics from corundum discs containing 
18 mg of cefazolin, vancomycin or netilmicin. The graphs show 
arithmetic means of three measurements of antibiotic concent- 
ration released on each day of experiment (A), and effectiveness 
of the release (in %) presented as cumulative data (B) 


100 B 100 B 
60 60 - 
- 
60 60 
- 
40 40 
20 20 
0 0 
2 3 2 3 2 3 


Oni ekstrakcji 


Ryc. 2. Uwalnianie antybiotykow z krq,zkow cementowych 
zawierajq,cych: 60 mg cefazoliny, 18 mg wankomycyny lub 60 
mg gentamycyny. Wykresy przedstawiajq, srednie arytmetyczne 
z trzech pomiarow, jako st
zenie antybiotyku uwolnionego 
kaZdego dnia (A) oraz efektywnosc uwalniania (w %) wyrazonq, 
jako dane kumulatywne (B) 


FIG. 2. Release of antibiotics from cement discs containing 60 mg 
of cefazolin, 18 mg of vancomycin or 60 mg of gentamicin. The 
graphs show arithmetic means of three measurements of antibiotic 
concentration released on each day of experiment (A), and effec- 
tiveness of the release (in %) presented as cumulative data (B) 



8 


RAFAL LEWANDOWSKI I INNI 


cznej. Na histogramach przedstawione s
 st
Zenia 
antybiotykow otrzymywane kaZdego dnia oraz pro- 
cent uwalniania, obliczony jako dane kumulatywne. 
Cefazolina uwalniala si
 z korundu w ci
gu 
trzech dni z wydajnosci
 okolo 55%. Jej st
zenie 
pierwszego dnia bylo najniZsze. Antybiotyk ten 
uwalnial si
 z kr
zka cementowego jedynie w sla- 
dowych ilosciach - maksymalnie z wydajnosci
 
okolo 0,02%. 
Wankomycyna uwalniala si
 z korundu w ci
- 
gu trzech dni z wydajnosci
 okolo 20%. Jej st
ze- 
nie wzrastalo przez trzy dni ekstrakcji. Antybiotyk 
ten uwalnial si
 z kr
zka cementowego z wydaj- 
nosci
 okolo 34%. Kinetyka ekstrakcji byla inna, 
zarowno w jednym jak i drugim przypadku. Naj- 
wi
ksza ilose antybiotyku zostala uwalniona 
w pierwszym dniu ekstrakcji. 
Netylmycyna uwalniala si
 z korundu w ci
gu 
trzech dni z wydajnosci
 ponad 50%. Jednak 
w przeciwienstwie do cefazoliny, st
zenie netylmy- 
cyny uwolnionej z kr
zka korundowego, bylo naj- 
nizsze w trzecim dniu ekstrakcji. Gentamycyna 
6 


Cementzwankomycyn
 


E 5 
r 
::I 4 

 
o 
:c 3 
.r:- 
t: 
II! 
.
 2 

 
CI>' 
us 1 


grams present concentrations of antibiotics received 
each day and the percentage of release, calculated 
as cumulative data. 
Cefazolin was released from the corundum im- 
plant within 3 days with about 55% efficiency. Its 
concentration was the lowest on the first day. This 
antibiotic was released from the cement disk only 
in trace quantities - maximal efficiency was obser- 
ved about 0,02%. 
Vancomycin was released from the corundum 
implant within 3 days with about 20% efficiency. 
Its concentration increased step by step through 
3 days of extraction. This antibiotic was released 
from the cement disk with about 34% efficiency. 
The extraction kinetics was different in both cases. 
Maximal release of the antibiotic was evidences on 
the first day of extraction. Netilmicin was released 
from the corundum implant within 3 days with 
above 55% efficiency. However, in contrast to the 
cefazolin, the rate of its release was lowest on the 
third day of extraction. Gentamicin was released 
from cement implant within 3 days with 80% ef- 


40 


Cement z gentamycynq 


30 


20 


10 


0 
0 1 2 3 2 3 
6 Korund z netylmycyn,\ Korund z wankomycyn,\ 
2,5 
E 5 0 
C, 2,0 
oS / 
::I 4 
.>< / 
>- 
'0 1,5 / 
:c 3 
.r:- / 
t: 
II! ? 
0- Q) 1,0 
"2 2 /' 
Q) 
oN /' 
.&' 
U1 0,5 ..- 
/' 
y- 
0,0 
2 3 0 2 3 
Dni ekstrakcji Dni ekstrakcji 
0 oznaczenia spektrofotometryczne 
. oznaczenia biologiczne 


Ryc. 3. Porownanie dwoch metod uZytych do pomiarow st
zen antybiotykow 


FIG. 3. Comparison of two methods used for measurements of antibiotics concentration 



NOSNIKI LEKOW; DRUGS CARRIERS 


9 


uwalniala si
 z cementu w ci
gu trzech dni z wydaj- 
nosci
 okolo 80%. Jej st
zenie w ekstrakcie malalo 
w ci
gu trzech dni ekstrakcji. 
Na rycinie 3 przedstawiono porownanie wyni- 
kow otrzymanych dwiema zastosowanymi meto- 
dami spektrofotometryczn
 i biologiczn
. 
W przypadku cementow zawieraj
cych wankomy- 
cyn
 lub gentamycyn
 oraz korundu zawieraj
ce- 
go netylmycyn
, obie metody wykazaly duz
 zgod- 
nose. W przypadku korundu z wankomycyn
 zgo- 
dnose byla mniejsza. Mozliwe, ze na taki wynik 
wplyn
la interakcja mi
dzy antybiotykiem i oos- 
nikiem. Natomiast w przypadku implantow z cefa- 
zolin
 (dotyczy to zarowno cementu jak i korun- 
du) oznaczenie st
zen metod
 spektrofotometrycz- 
n
 bylo niemozliwe, poniewaz uwolnione ekstrak- 
ty byly zabarwione na zoho. 


DYSKUSJA 


Proftlaktyka antybiotykowa stosowana podczas 
zabiegow ortopedycznych zwi
zanych z wszcze- 
pianiem implantow lub protez, jest waznym elemen- 
tern leczenia, poniewaz zabezpiecza wszczepione 
biomaterialy przed kolonizacj
 bakteryjn
. Jednak 
ogolnoustrojowe podawanie tych lekow wymaga 
stosowania duzych dawek, w celu zapewnienia od- 
powiedniego st
zenia leku wewn
trz uszkodzonych 
tkanek. Dlatego coraz cz
sciej podejmowane s
 
proby miejscowego stosowania antybiotykow, uwal- 
nianych z roznych implantow lub cementow kost- 
nych [17-19]. W ten sposob mozna uzyskae wyso- 
kie st
zenia antybiotykow, w tkankach otaczaj
- 
cych wszczepiony biomaterial. Ponadto, w wyniku 
powolnego uwalniania antybiotykow z implantow, 
ich st
zenia we krwi s
 niskie i nietoksyczne [16]. 
W niniejszej pracy okreslono kinetyk
 uwalnia- 
nia cefazoliny, gentamycyny, netylmycyny lub wan- 
komycyny z kr
zkow korundowych i cemento- 
wych. Wankomycyna jest stosowana w leczeniu 
zakazen gronkowcowych w ortopedii. Natomiast 
trzy pozostale ant..ybiotyki, 0 szerokim spektrum 
aktywnosci przeciwbakteryjnej, wybrano ze wzgl
- 
du na koniecznose ochrony zranionych tkanek 
przed innymi gatunkami patogennych bakterii [5, 
13]. Ekstrakcj
 antybiotykow z badanych bioma- 
terialow prowadzono przez 3 dni, poniewaz uwaza 
si
, ze w takim okresie czasu konieczne jest stoso- 
wanie proftlaktyki antybiotykowej po czystych za- 
biegach ortopedycznych [13]. W badaniach przep- 
rowadzonych wczesniej przez innych autorow wy- 
kazano, ze w warunkach in vitro antybiotyki uwal- 
niaj
 si
 z cementow kostnych w st
zeniach wi
k- 
szych, niz ich minimalne st
zenia hamujace wzrost 


2 - Polimery w Medycynic 3/2003 


ficiency. Its concentration in the extract diminis- 
hed during 3 days of extraction. 
Figure 3 presents comparison of results obtai- 
ned by way of two methods applied - the spect- 
rophotometric and biological. In the cases of 
cements containing vancomycin, gentamicin or co- 
rundum containing netilmicin both methods were 
highly compatible. In the case of corundum with 
vancomycin, the compatibility was lowe.r. It is pos- 
sible that such a result was caused by interaction 
between the antibiotic and the ceramic carrier. In 
the case of implants with cefazolin (regarding both 
carriers - cement and corundum) measurement of 
concentrations by spectrophotometric method was 
impossible, because the released extracts was yel- 
low. 


DISCUSSION 


Administration of antibiotic prophylaxis during 
orthopedic surgical interventions with using of 
implants or prostheses, is a very important element 
of treatment for a dangerous of bacterial coloniza- 
tion of the foreign material. However, the systemic 
application of antimicrobials requires large doses 
of their, in order to provide appopriate concent- 
ration of the drugs within the damaged tissues. 
Therefore, there are many attempts. of topical 
application of antibiotics which may be delivered 
by the implants or bone cements [17-19]. In such a 
way one may achieve high concentrations of an- 
tibiotics within tissues surrounding the implant. 
Moreover, relatively low speed of drug releasing 
ensures its non-toxic concentrations in the blood 
[16]. 
This study presents kinetics of cefazolin, van- 
comycin, netilmicin and gentamicin release from 
corundum implants and apatite cement. Vancomy- 
cin was used for often staphylococcal infections in 
orthopedy. Three other antibiotics with broad spe- 
ctrum of antibacterial activity were chosen for ne- 
cessity of prevention of the wounded tissues from 
another species of bacterial pathogens [5, 13]. Ext- 
raction of antibiotics from the tested biomaterials 
were conducted for 3 days, because it is period of 
the time usually considered as necessary for preven- 
tion of clean orthopedic surgeries [13]. The ear- 
lier experiments conducted by others have eviden- 
ced that antibiotics release in vitro from bone ce- 
ments in concentrations higher than their minimal 
inhibitory concentrations (MICs) for bacteria usu- 
ally isolated from infected tissues after the ortho- 
pedic interventions [16-19]. 



10 


RAFAL LEWANDOWSKI I INNI 


(MIC), oznaczone dla bakterii zwykle izolowanych 
z zakazonych tkanek pO zabiegach ortopedycz- 
nych [16-19} 
Otrzymane wyniki wskazuj
, ze wi
kszosc 
z badanych antybiotyk6w uwalniala si
 z kr
zkow 
korundowych i cementowych W ciagu 3 dni eks- 
trakcji, w st
zeniach wi
kszych niz wartosci MIC 
tych lekow dla uzytego szczepu S. aureus. Tylko 
w przypadku kr
zkow cementowych z cefazolin
 
st
zenie uwolnionego antybiotyku bylo zbyt nis- 
kie, aby osi
gn
e odpowiedni
 aktywnose przeciw- 
bakteryjn
. Mozna wi
c s
dzie, ze przebadane im- 
planty b
d
 stanowie zabezpieczenie przed zakaze- 
niami bakteryjnymi w chirurgii ortopedycznej. 
Konieczne s
 jednak dalsze badania in vivo na 
zwierz
tach laboratoryjnych, z zakazon
 w warun- 
kach doswiadczaJnych tkank
 kostn
. 


WNIOSKI 


1. Efektywnosc i kinetyka uwalniania antybioty- 
kow z badanych implantow ceramicznych, zale- 
zaly od rodzaju leku przeciwbakteryjnego oraz 
od rodzaju materialu ceramicznego. 
2. Cement aptytowy nie jest odpowiednim nosni- 
kiem dla cefazoliny. 


LITERATURA 


[1] MARCZYNSKI W.: Allogeniczne, biostatyczne 
przeszczepy kostne zamrozone i radiacyjnie 
wyjalowione w leczeniu ubytkow i zaburzen 
zrostu kosci. Lek. Wojsk., (1994), Suppl. 2, 
51-60. 
[2] BrnNIEK J., Swn.iCKI Z., RosrnK G., BADURA R., 
KOTZ J., BUCZEK A.: Wlasciwosci i zastosowa- 
nie kliniczne porowatej ceramiki korundowej. 
Szklo i Ceramika, (1998), 49, 2-5. 
[3] DEE C. K., BIZIOS R: Mini-Review: Proactive 
Biomaterials and Bone Tissue Engineering, 
Biotech. Bioeng. (1996) 50, 438-442. 
[4] LUGOWSKI S.: Stopien skazenia tkanek i ply- 
now ustrojowych metal ami i krzemem uwol- 
nionymj w procesie degradacji endoprotez. 
Praca doktorska, W ojskowy Instytut Higieny 
i Epidemiologii, Warszawa 1996. 
[5] YOUNG E. J., SUGARMAN B.: Infections in pro- 
sthetic devices. Surg. Clin. N. Amer., (1988) 68, 
1, 167-180. 
[6] Swn.iCKI z., KARAS J., JAEGERMANN Z.: Poro- 
wate implanty korundowe. Szklo i Ceramika, 
(1998) 49, 35-37. 


Our results indicate, that the majority of tested 
antibiotics were released from corundum and ce- 
ment discs, for 3 days of extraction, in concent- 
rations higher than MIC values of these drugs for 
used S. aureus strain. Only in case of cement discs 
with cefazolin, the concentration of released anti- 
biotic was too low, in order to achieve appropriate 
antibacterial activity. So, the implants tested may 
prevent bacterial infection in orthopedic surgery. 
However, further investigations in vivo are neces- 
sary using experimentally infected bone tissues in 
laboratory animals. 


CONCLUSIONS 


1. The kinetics and effectiveness of antibiotics rele- 
ase from the ceramic implants tested depended 
on ceramic carrier and kind of the drug. 
2. The apatite cement is not suitable as a carrier 
for cefazolin. 


[7] BADURA R, BUCZEK A., KOTZ J., OSINSKI B., 
ATAMANIUK W., BrnNIEK J., Swn.iCKI Z., 
JAEGERMANN z., RosrnK G.: Odnowa tkanki 
kostnej i chrz
stnej po wszczepieniu do sta- 
wu kolanowego owiec bioceramiki korundo- 
wej, porowatej i litoporowatej. Szklo i Cera- 
mika, (1998), 49, 6-10. 
[8] BrnNIEK A., RosrnK G.: Nowy kompozytowy 
material korundowy w badaniach biozgod- 
nosci i wytrzymalosci mechanicznej. Szklo 
i Ceramika, (1998) 49, 27-31. 
[9] POLESINSKI Z., KARAS J., Swn.iCKI Z., CIOLEK 
L.: Badania nad syntez
 cementow apatyto- 
wych dla ortopedii. I Sympozjum "Inzynieria 
Ortopedyczna i Protetyczna", Bialystok, cze- 
rwiec 1997. 
[10] BADURA R, BUCZEK A., KOTZ J., OSINSKI B., 
BrnNIEK J., KARAS J., POLESINSKI Z., Swn.iCKI 
Z.: Badania biozgodnosci nowej generacji ce- 
mentow kostnych. Szklo i Ceramika, (1998), 
49, 14-22. 
[11] WNUKrnWIcz J., KARAS J., ZBOROMIRSKA- 
-WNUKIEWICZ B.: Radiologiczna ocena za- 



NOSNIKILEKOW;DRUGSCARRffiRS 


11 


chowania sit; cementu apatytowego wszcze- 
pionego podokostnowo w zuchwie. Badania 
doswiadczalne na zwierz
tach. Prace N auko- 
we Instytutu Budownictwa Politechniki 
Wroclawskiej, (1999) 75, 26, 229-232. 
[12] SANDERSON P. J.: Infection in orthopaedic 
implants. J. Hosp. Inf. (1991) 18, Suppl. A. 
367-375. 
[13] LUKAWSKI S., MEszAROS J., OZONEK W.: An- 
tybiotyki w profilaktyce zakazen w reoperac- 
jach W ortopedii. Blok Operacyjny, (1992), 2, 
30-33. 
[14] CLASSEN D. c., EVANS R S., PESTOTNIK S. L., 
HORN S. D., MENLOWE R L., BURKE J. P.: The 
timing of prophylactic administraton of anti- 
biotics and the risk of surgical - wound infec- 
tion. N. Engl. J. Med. (1992), 326, 281-286. 
[15] Committee on Antimicrobial Agents, Cana- 
dian Infectious Disease Society; WADDELL T. 
K.; ROTSTEIN O. D.: Antimicrobial prophyla- 
xis in surgery. Can. Med. Assoc. J. (1994), 
151, 7, 925-931. 
[16] HENRY S. L., GALLOWAY K. P.: Local An- 
tibacterial Therapy for the Menagement of 
Orthopaedic Infections. Clin. Pharmacoki- 
net. (1995), 29, 1, 36--45. 
[17] PRICE J. S., TENCER A. F., ARM D. M., 
BORACH G. H.: Controlled release of antibio- 
tics from coated orthopedic implants. J. Bio- 
med. Mater. Res. (1996), 30, 281-286. 
[18] MICLAU T., DARNERS L. E., LINDSEY R W.: 
In Vitro Pharmacokinetics of Antibiotic Re- 


lease from Locally Implantable Materials. J. 
Orthop. Res. (1993), 11, 5, 627-637. 
[19] TORRADO S., FRUTOS P., FRUTOS G.: Genta- 
micin bone cements: characterisation and re- 
lease (in vitro and in vivo assays). Inter. J. 
Pharm. (2001), 217, 57-69. 
[20] Methods for dilution antimicrobial suscepti- 
bility tests for bacteria that grow aerobically 
- Aproved standard - Fifth edition; 
NCCLS Document M7-A4, January 2000. 
[21] Performance standards for antimicrobial sus- 
ceptibility testing; Ninth informational sup- 
plement. NCCLS M100-S8; MI00-S9, Janu- 
ary 1999. 
[22] LEWANDOWSKI R, GRZYBOWSKI J.: Badania 
przeciwgronkowcowej aktywnosci opatrun- 
ku kolagenowego zawieraj
cego bacytracy- 
n
. Polim. Med. (1999), 29, 21-39. 
[23] TRAFNY E. A., KOWALSKA K., GRZYBOWSKI 
J.: Adhesion of Pseudomonas aeruginosa to 
collagen biomaterials: Effect of amikacin and 
ciprofloxacin on the colonization and survi- 
val of the adherent organisms. J. Biomed. 
Mater. Res. (1998), 41, 593-599. 


Adres autorow: 
Zaklad Mikrobiologii i Epidemiologii 
W ojskowego Instytutu Higieny i Epidemiologii 
ul. Kozielska 4, 
01-163 Warszawa 


. . . . . . . . 


-,,-- 



Zaklad Chirurgii Eksperymentalnej i Badania Biomaterialow 
Katedra i Klinika Chirurgii Urazowej i Chirurgii RQki 
Akademia Medyczna we Wroclawiu 
ul. Poniatowskiego 2 50-326 Wroctaw 
Tel.: (71) 3226310, (71) 3222671 wew. 373 
Fax: (71) 3227526 
E-mail: biomat@cheksp.am.wroc.pl 


W Zaktadzie Chirurgii Eksperymentalnej i Badania Biomateriatow prowadzone Sq badania naukowe wyrobow 
medycznych i biomateriatow w pelnym cyklu badawczym, to znaczy od wst
pnej oceny in vitro, poprzez badania 
implantacyjne na zwierz
tach doswiadczalnych, az do ostatecznej oceny i badan stosowanych. 


Badania szczegotowe obejmujq: 
. badania interakcji z krwi q ; 
. badania miejscowej reakcji po implantacji; 
. badania cytotoksycznosci in vitro; 
. badania dziatania drazniqcego i uczulajqcego. 


Obok wspotpracy naukowej z innymi osrodkami naukowo-badawczymi w kraju, Zaklad wykonuje rowniez bada- 
nia i ocen
 wyrobow medycznych na zlecenie producentow, wytworcow i importerow. 


Wszystkie badania wykonywane Sq zgodnie z zaleceniami normy ISO 10993 (Biologiczna ocena wyrobow medy- 
cznych). 



Badanie biozgodnosci 
cementu apatytowego 


STANISLAW PIELKA, WLODZIMIERZ JUSZKIEWICZ, 
ROMAN RUTOWSKI, JOLANTA STANISZEWSKA-Kus, 
LESZEK SOLSKI 


Zaklad Chirurgii Eksperymentalnej 
i Badania Biomaterialow, 
Katedra Chirurgii Urazowej, 
Akademia Medyczna we Wroclawiu 


Streszczenie 


W pracy zostaly przedstawione wyniki eks- 
perymentalnych badati biozgodnosci cemen- 
tu apatytowego, wszczepionego do tkanki 
mi
sniowej szczurow i tkanki kostnej kroli- 
kow. Badania odczynow miejscowych tkan- 
ki mi
sniowej przeprowadzono na 18 
szczurach szczepu Wistar, wszczepiaj
c 
probki z cementu apatytowego do mi
sni 
grzbietu. Badania makroskopowe i mikro- 
skopowe przeprowadzono po 7, 14, 30, 90, 
180 i 270 dniach po implantacji. 
Badania miejscowych odczynow tkanki 
kostnej przeprowadzono na 12 kroli- 
kach rasy nowozelandzkiej, implantuj
c 
bad any material do kosci udowej w oko- 
licy kr
tarza. Sekcje zwierz
t wykonano 
po 1, 3, 6 i 9 miesi
cach po operacji. 
We wczesnym okresie widoczny byl w mi
s- 
niach aktywny proces zapalny w bezposre- 
dnim s
siedztwie wszczepu, ktory nast
pnie 
ust
powal doprowadzaj
c do wytworzenia 
si
 cienkiej wloknistej torebki I
cznotkan- 
kowej. 
Badania histologiczne wykonane z tkan- 
ki kostnej w poiniejszych terminach wy- 
kazaly, tworzenie si
 mlodej tkanki z nie- 
wielkimi ogniskami tkanki l
cznej wloknis- 
tej. W przeprowadzonych badaniach wyka- 
zano, ze cement apatytowy cechuje si
 wy- 
sokim stopniem biozgodnosci i dzialaniem 
osteoindukcyjnym. 


Polimery w Medycynie 2003, T. XXXIII, NT 3 


Investigation of biocompatibility 
of the apatite cement 


Snmmary 
The results of experimental studies of bio- 
compatibility' of the apatite cement, implan- 
ted in the muscular tissue of rats and bone 
tissue of rabbits were presented in this stu- 
dy. Investigations of the local reactions of 
the muscular tissue were carried out on 18 
rats of Wistar type by implanting samples 
from the apatite cement in the dorsal musc- 
les. Macroscopic and microscopic investi- 
gations were carried out 7, 14, 30, 180, 270 
days after the implantation. 
Investigations of local reactions of bone 
tissue were carried out on 12 rabbits of 
New Zealand breed. By implanting the tes- 
ted material into the femoral bone in the 
region of trochanter. Sections of the ani- 
mals were made 1, 3, 6, and 9 months after 
the surgery. In the early period active inflam- 
matory process was seen in the muscles in 
the direct vicinity of the implant and then it 
disappeared leading to formation of a thin 
fibrous connective tissue capsule. 
Histological investigations made of bo- 
ne tissue later showed, formation of young 
tissue with small focuses of fibrous connec- 
tive tissue. In the carried out investigations 
it was shown that the apatite cement is cha- 
racterized with a high degree of biocompa- 
tibility and osteoinductive activity. 


Slowa kluczowe: biomaterial, cement apatyto- 
wy, badania eksperymentalne, biozgodnose 


Key words: biomaterials, apatite cement, ex- 
perimental studies, biocompatibility 


WPROW ADZENIE 


W ostatnim dwudziestoleciu obserwujemy tworze- 
nie licznych, nowych sztucznych materialow, mo- 
g
cych miec zastosowanie w medycynie. Wraz 



14 


ST ANISLA W PIELKA [ INNI 


MATERIAL I METODY 


z powstawaniem coraz liczniejszych biomateria- 
low, oczekiwania wobec nich s
 takze coraz wi
k- 
sze [1, 2]. Obecnie oprocz prostej biozgodnosci, to 
znaczy nie wywolywania niekorzystnej reakcji 
w organizmie, oczekuje si
 takze korzystnego 
wplywu ze strony wszczepu na tkanki biorcze 
[3-5]. W przypadku wszczepow kostnych istotne 
jest tworzenie wytrzymalej chemicznej wi
zi z kos- 
ci
, zwanej zl
czem bioaktywnym [6]. Taka wi
i 
powstaje w wyniku rozmaitych zjawisk fizycznych 
i chemicznych, na granicy wszczep - kose. Bioak- 
tywnosc wszczepu moze oznaczae rowniez pobu- 
dzanie tkanki kostnej do o.dbudowy jej ubytku, re- 
sorpcj
 wszczepu i zast
powanie go nowo tworzo- 
n
 kosci
. Istniej
 juz bioaktywne szkla, ceramiki 
i materialy kompozytowe oddzialywuj
ce na po- 
ziomie komorki. Materialy bioaktywne, zaliczane 
do klasy "A", indukuj
 proliferacje komorek kost- 
nych w szerokim obszarze tkanek biorczych. Zja- 
wisko to okreslane jest mianem osteoindukcji. Bio- 
aktywne materialy klasy "B", odznaczaj
ce si
 
zdolnosci
 osteokondukcji, stymuluj
 rozrost ko- 
sci wyl
cznie na granicy wszczep - kose [7-10]. 
Regeneracyjne materialy bioaktywne nowej ge- 
neracji, b
d
 wymagaly gl
bszej kontroli reakcji 
zachodz
cych na styku implant - tkanka, niZ to 
jest obecnie wykonywane dla materialow bioakty- 
wnych zaliczonych do klasy "A". Zaklada si
, ze 
w takich badaniach stopien kontroli b
dzie musial 
obejmowac: kontrol
 genow
 na poziomie mitozy, 
kontrol
 produkcji i aktywacji enzymow, czynni- 
kow wzrostu, prowadzenie kontroli wchlaniania 
i wydalania biologicznie aktywnych molekul. 
W praktyce badawczej oznacza to koniecznosc 
prowadzenia stalej, powtarzalnej kontroli na po- 
ziomie metabolizmu komorkowego [7, 11]. 
Mineraly, z ktorych zbudowane s
 kosci i z
by, 
pod wzgl
dem chemicznym przypominaj
 naturalne 
apatyty. Hydroksyapatyt jest fosforanem wapnio- 
wym zawierajacym grupy wodorotlenowe, 0 sldadzie 
chemicznym Calo(P04MOH)z. W naturalnej kosci 
znajduj
 si
 krysztaly hydroksyapatytu, ktore s
 
wbudowane we wlokna kolagenowe ulozone w po- 
staci sieci przestrzennej. Morna oczekiwac, ze 
wszczepiony hydroksyapatyt syntetyczny dzi
ki po- 
dobietistwu chemicznemu, moze ulec wbudowaniu 
do tworz
cej si
 kosci i dzi
ki temu bye zaliczony do 
materialow osteogennych [12, 13]. 
Cementem apatytowym nazywamy material 
wi
z
cy, ktory w wyniku reakcji polimeryzacji 
tworzy hydroksyapatyt. Jego plastycznose w okre- 
sie polimeryzacji, umozliwia tworzenie ksztaltek 
o dowolnych formach. 
Celem pracy byla ocena stopnia biozgodnosci ce- 
mentu apatytowego, po wszczepieniu go do tkanki 
mi
sniowej szczurow i tkanki kostnej krolikow. 


Prac
 wykonano w Zakladzie Chirurgii Ekspery- 
mentalnej i Badania Biomaterialow Katedry Chi- 
rurgii Urazowej AM we Wroclawiu. Implanty z ce- 
mentu apatytowego opracowano i wykonano 
w Instytucie Szkla i Ceramiki w Warszawie. 
Cement apatytowy sklada si
 z dwoch kompo- 
nentow. Ingredientem proszkowym jest rozdrob- 
nione szklo 0 wysokiej zawartosci CaO, nalez
ce 
do ukladu CaO-Si02-P205-CaF2, a drugim plyn 
o pH 7 ,3, b
d
cy wodnym roztworem fosforanow 
jedno- i dwuatomowych. Wymieszany cement 
w stanie plastycznym umieszczano w odpowied- 
nich formach i otrzymano nast
puj
ce probki: 
1. Walee 0 srednicy 2 mm i dlugosci 6 mm, ktore 
wszczepiano w mi
snie grzbietow szczurow. 
2. Walee 0 srednicy 3 mm i dlugosci 10 mm, ktore 
wszczepiano do kosci udowej krolikow. 
Wszystkie probki poddano sterylizacji radiacyj- 
nej dawk
 28:t20% kGy. 
Badania odczynow miejscowych tkanki mi
snio- 
wej, przeprowadzono na 18 szczurach hodowli wsob- 
nej szczepu Wistar, samicach, w wieku okolo 4-6 
miesi
cy i wadze 150-200 g. Po przygotowaniu i znie- 
czuleniu zwierz
t wszczepiano badane probki do mi
- 
sm grzbietu szczurow, po dwie z kaidej strony. Sekcje 
przeprowadzono po 7, 14, 30 dniach oraz po 3, 
6 i 9 miesiitcach, po 3 zwierz
ta w kaidym terminie. 
Badanie miejscowych odczynow tkanki kost- 
nej, przeprowadzono na 12 krolikach obojga plci, 
rasy bialej nowozelandzkiej, 0 wyrownanej masie 
ciala 3,2-3,5 kg. Po przygotowaniu i znieczuleniu 
zwierz
t, wprowadzano badane probki do kosci 
udowej krolika w okolicy kr
tarzy. Sekcje zwierz
t 
przeprowadzono po 1, 3, 6 i 9 miesi
cach, po 
3 zwierz
ta w kazdym terminie. 


WYNIKI BADAN 


Okres obserwacji przezyly wszystkie szczury, a rany 
pooperacyjne zagoily si
 przez rychlozrost. W cza- 
sie sekcji oceniano stan narz
dow wewn
trznych 
oraz pobierano wycinki do badan histopatologicz- 
nych. Nie stwierdzono zmian patologicznych w na- 
rz
dach jamy brzusznej i klatki piersiowej. We 
wczesnych okresach, widoczne byly w mi
sniu wo- 
kol wszczepu liczne granulocyty oboj
tnochlonne 
i okr
gle komorki typu limfocyta. (rye. 1). Swiadczy- 
10 to 0 tocz
cym si
 w tkance mi
sniowej aktyw- 
nym procesie zapalnym, ktory stopniowo si
 wyco- 
fywal i w 30 dniu po implantacji komorki zapalne 
byly nieliczne. Torebka otaczaj
ca cement, zbudo- 



NOSNIKI LEKOW; DRUGS CARRIERS 


15 


wana byla z cienkich wloknistych pasm l
cznotkan- 
kowych z dojrzalymi komorkami (rye. 2). W poinych 
terminach obserwacyjnych po 3,6 i 9 miesi
cach, nie 
stwierdzano jui odczynow zapalnych w tkankach 
otaczaj
cych wszczep, a torebka wloknista wokol 
wszczepu ulegaJ:a stopniowemu scienczeniu. (ryc. 3). 
Zmiany te byly podobne do zmian, zachodz
cych 
w procesie gojenia si
 ran operacyjnych. 


;""';) 


.... 




. .::: , 


",' 
'":'*. 
-.,1:. 


.. 


.C
A! 
j" 


) 
{ 


, 
- 
.--.--; 


'" 


" 
.\ 
" 


.All 
...1'''' 


'- 


... 


" 
.". 


",' 
..-.' 


t 
! 
-.,U 


""... 


.4-- 

 " .III!: 
. .'--./ . co-......,. .Jfc..

.... 



"'"' 


Ryc. L Obraz mikroskopowy 7 dni po implantacji cementu 
w mi
snie grzbietu szczura. W centrum widoczna jest prze- 
strzen po usuni
tyrn implancie, ograniczona bogatokomorko- 
Wq, tkankq, z licznyrni erytrocytami. Barw. HE. Pow. ok. 140 x 
FIG. 1. Microscopic picture 7 days after implantation of the 
apatite cement in the dorsal muscles of a rat. In the center there 
is visible space after the removed implant, limited by a rich 
cellular tissue with numerous erythrocytes. Stain HE. Magn. 
about 140x 


I 'd.  


.. 


f' 


'
 


4! 


A. 


1 
 


.oj,: 


t: 


" 


Ryc. 3. Obraz mikroskopowy 9 miesi
cy po implantacji ceme- 
ntu w mi
snie grzbietu szczura. W lewym gornym rogu widocz- 
na jest przestrzen po usuni
tym implancie, ograniczona cienkim 
pasmem tkanki lq,cznej, przylegajq,cyrn do mi
sni poprzecznie 
prq,zkowanych. Barw. HE. Pow. ok. 260 x 
FIG. 3. Microscopic picture 9 months after implantation of the 
cement in the dorsal muscles of a rat. In the left top corner 
there is visible space after the removed implant, limited by 
a thin streak of connective tissue adhering to the transversely 
striated muscles. Stain HE. Magn. about 260 x 



 """'....:. m )-. o. 
f '. .. 
'" 
f 
.. .i 
if ;,;g/.... ; 
i . 
. 
II 
i 

 
0- 11 

 


''I'"
 


V': .... '\&.: ..>gP'-->O:
. "......... 
.t-tt ..:T, 
 .<" V 
.. X
' 
 'r- 
"}f 
 j<' 
" . ",' »;" 4i JI 
f. ..'Y' 
,T 
/f 


"" 


/r 


,. 


p 


t 


'I 
" 



 
.# 


'\ 


. 

 
Ji 



 



 


. 


-
,- 


, 
- ..
 0 


Ryc. 4. Obraz mikroskopowy 1 miesiq,c po implantacji cemen- 
tu do tkanki kostnej. W lewym dolnym rogu liczne komorki 
zapalne w tkance tluszczowej i kostnej. Po prawej znajduje si
 
przestrzen po usuni
tym implancie, ograniczona komorkami 
szpiku. Barw. HE. Pow. ok. 140 x 
FIG. 4. Microscopic picture 1 month after implantation of the 
cement in the bone tissue. In the left bottom corner - numerous 
inflammatory cells in the fatty and bone tissue. On the right 
there is space after the removed implant, limited by marrow 
cells. Stain HE. Magn. about 140 x 



16 


STANISLAW PIELKA [ INNI 


DYSKUSJA 


rozplem bogatokomorkowej tkanki I
cznej, z roz- 
lanymi ogniskami granulocytow wieloplato- 
wych, jak rowniez nacieki komorkowe zlozone 
z jednoj
drzastych komorek typu limfocyta, po- 
jedynczych makrofagow i licznie wyst
puj
cych 
erytrocytow w tkance tluszczowej i szpiku (rye. 
4). W poiniejszych okresach, obserwowano 
tworzenie si
 mlodej tkanki kostnej i tylko miej- 
scami wyst
powaly ogniska tkanki I
cznej wlok- 
nistej. 
W 9 miesi
cu obserwacji, tkanka otaczaj
ca 
implant wykazywala struktur
 dojrzalej, beIe- 
czkowatej tkanki kostnej (ryc. 5). Obraz histo- 


f"""" 



 :8811',.. .
 


J. 


,. 

 


... 

 .. 
, 'I[ 
;'-' "I 
-- I 
"Q.-- 
: 
"''; 


" 


... 
,
 

 

.. 
..t 

 


,,,," 
'<11:"; 


.. 
(1, I' 
j 


,- ..... '"'III 
d.."' .oG. 
..... 
J . 
 
 
"
1!!1 


.. 


....., 

, 
>. 
-.. , 

 
' 
:

 


-'
 


r 
111 


11 


.,...,,.,.., 


t> IIr 


:,' ..JII 



-. 


f 


","" BIll'" 


.._",.9 + > ,'''''',::> > ,,' .!. 


). 


Ryc. 5. Obraz mikroskopowy 9 miesiq,cy po implantacji cemen- 
tu do tkanki kostnej. W lewym gornym rogu widoczne Sq, frag- 
menty cementu, do ktorych przylega tkanka kostna 0 prawid- 
lowej budowie. Barw. met. van Gison . Pow. ok. 140x 
FIG. 5. Microscopic picture 9 months after the cement implan- 
tation in the bone tissue. In the left top corner there are visible 
fragments of the cement, with adhering bone tissue with the 
correct structure. Stain met. van Gison. Magn. about 140 x 


logiczny obserwowany pO wszczepieniu bada- 
nych material ow do tkanki kostnej, bardzo przy- 
pominal procesy naprawcze po zlamaniu kosci 
dlugich. U niektorych zwierz
t, obserwowano 
najpierw powstanie ognisk tkanki chrz
stnej i do- 
piero poiniejsz
 jej przebudow
 w tkank
 kostn
. 
Proces ten pI:ZYpominal gojenie si
 zlamania, przy 
istniej
cym ubytku kosci pomi
dzy odlamami. 
Moglo to byc spowodowane nieznaczn
 rozbiez- 
nosci
 wielkosci badanych probek, w stosunku 
do wytworzonych jam w kosci. Obecnose osteo- 
blastow w ostatnim terminie obserwacji potwier- 
dza zjawisko osteoindukcji, ktor
 inicjuje cement 
apatytowy. 
Badania radiologiczne w poinych terminach 
wykazaly scisle przyleganie implantu do kosci, sto- 
pniow
 biodegradacj
 i zast
powanie go przez no- 
wo tworz
c
 si
 kosc. To zjawisko potwierdza bio- 
aktywnose cementu apatytowego. 


Trwa nieustanne poszukiwanie "idealnych materia- 
low, zwlaszcza pochodzenia nieorganicznego, spel- 
niaj
cych wspolczesne oczekiwania wobec implan- 
tow. Obecnie, do zakwalifikowania materialu jako 
nadaj
cego si
 do zastosowania medycznego nie 
wystarcza juz stwierdzenie, ze material jest tolero- 
wany przez organizm, nie jest toksyczny i nie 
wplywa na uklad immunologiczny. D
zy si
 nie 
tylko do tego, by zastosowane biomaterialy w naj- 
wi
kszym stopniu przypominaly, swoim skladem 
i budow
 oraz swoimi wlasciwosciami tkanki ludz- 
kie, lecz sugeruje si
 wr
cz, ze doskonaly mate- 
rial powinien przede wszystkim stymulowae natu- 
ralne procesy wytworcze i to w taki sposob, by 
organizm odtworzyllub zast
pil brakuj
ce tkanki 
[8, 10, 11, 14]. 
W zaleznosci od przeznaczenia, biomaterial 
powinien posiadae takZe inne szczegolne cechy, 
korzystne dla okreslonych tkanek lub' narz
dow. 
Material przeznaczony na wszczep kostny powi- 
nien cechowac si
 - oprocz okreslonych cech wy- 
trzymalosciowych - takze biologiczn
 aktywnos- 
ci
, wyrazaj
c
 si
 zdolnosci
 do tworzenia chemi- 
cznej i mechanicznej wi
zi z kosci
 oraz stymulo- 
waniem tkanki kostnej do odbudowy ubytku [1, 3, 
4]. Ocena zachowania si
 wszczepionego implantu 
musi bye rozpatrywana w dwoch aspektach: jako 
odpowiedi organizmu na implant oraz zachowa- 
nie si
 implantu posrod tkanek, do ktorych zostal 
wszczepiony. Reakcja organizmu na implant 
wszczepiony do kosci obejmuje szereg zdarzen, od- 
bywaj
cych si
 na poziomie tkankowym i komor- 
kowym. Przede wszystkim organizm d
zy do na- 
prawienia uszkodzen jakie powstaly w wyniku 
zdeponowania implantu, poprzez wypelnienie 
przestrzeni pomi
dzy samym implantem a otacza- 
j
c
 go kosci
. W tym okresie wszelkie niesprzyja- 
j
ce warunki, mi
dzy innymi mikroprzemieszcza- 
nie si
 implantu, powoduj
 niszczenie nowo po- 
wstaj
cej delikatnej tkanki na styku' implant- 
kosc, doprowadzaj
c do powstania relatywnie gru- 
bej torebki I
cznotkankowej. Ta ostatnia jest stru- 
ktur
 niesprzyjaj
c
 osteointegracji implantu z ko- 
sci
. ldealna strefa na styku implant - kosc powin- 
na posiadae minimaln
 ilosc elementow wlokniko- 
wych ze zdecydowan
 przewag
 elementow kost- 
nych, podobnych do laminae lamitantes. Zaobser- 
wowano, ze tworzenie si
 kosci w okolicach 
wszczepu jest dwukierunkowe. Nie tylko regeneru- 
j
ca si
 tkanka kostna kieruje si
 w stron
 implan- 
tu, ale jednoczesnie nowo tworzone elementy kost- 
ne kieruj
 si
 w gl
b goj
cej si
 kosci. Zmiany za- 



NOSNIKI LEKOW; DRUGS CARRIERS 


17 


WNIOSKI 


chodz
ce na powierzchni wszczepionego implantu, 
rozpoczynaj
 si
 juz w momencie jego umieszcze- 
nia w zywych tkankach. Pierwszym z obserwowa- 
nych zjawisk jest adsorpcja bialek na powierzchni 
implantu [7,9,11]. W miar
 uplywu czasu, implant 
poddawany jest dzialaniu srodowiska fizjologicz- 
nego i nast
puj
 jego zmiany elektrochemiczne nie 
tylko na jego powierzchni, ale takze si
gaj
ce 
w gl
b, co w konsekwencji prowadzi do biode- 
gradacji wszczepu [4]. 
Cement apatytowy ma stosunkowo nisk
 od- 
pornosc mechaniczn
 i wysoki modul Yunga, co 
ogranicza jego zastosowanie jako materialu wi
z
- 
cego wszczepy 0 duzej wytrzymalosci mechanicz- 
nej z kosci
, na przyklad endoprotezy. Jego cechy 
biologiczne kwalifikuj
 go, jako material wysoko- 
wartosciowy do uzupelniania malych ubytkow ko- 
sci lub tworzenia kompozytow, z materialami 
o odpowiednich wlasciwosciach wytrzymaloscio- 
wych [6]. 
Badany cement apatytowy - ze wzgl
du na 
budow
 chemiczn
 - moZe byc zaliczony do 
kompozytowych materialow bioaktywnych klasy 
"A". Sklad chemiczny i struktura krystalograficzna 
tego cementu s
 bardzo zblizone do kosci natural- 
nej. Wszczepiony do kosci wykazuje dzialanie os- 
teoindukcyjne" [9, 10, 13, 14]. Uzyskane przez nas 
wyniki badan potwierdzaj
 tego typu cechy bada- 
nego cementu. 
Przeprowadzone badania doswiadczalne na 
zwierz
tach wykazaly, ze zachowanie si
 cementu 
apatytowego przebiegalo zgodnie ze schematem, 
zaakceptowanym dla materialow bioaktywnych 
o duzej zgodnosci biologicznej. Wszczepy umiesz- 
czone w mi
sniach, we wczesnych terminach ob- 
serwacji (tj. do 30 dni), wykazywaly wszystkie cha- 
rakterystyczne cechy stanu zapalnego 0 miernym 
nat
zeniu, po ktorym nast
powal okres stabilizacji 
z wytworzeniem si
. torebki I
cznotkankowej. 
Implant w tym okresie pozostawal strukturalnie 
nie zmieniony, bez widocznych cech biodegradacji. 
Podobne cechy _biozgodnego zachowania si
, 
obserwowano w przypadku wszczepienia implan- 
tow do kosci. Choc jeszcze po miesi
cu widoczne 
byly elementy I
cznotkankowe i komorkowe, 
swiadcz
ce 0 przebytym stanie zapalnym, to juz 
od 3 miesi
ca zauwazalne byly post
puj
ce pro- 
cesy odnowy tkanki kostnej otaczaj
cej implant, 
oraz wczesne etapy biodegradacji cementu apaty- 
towego. Taki proces odbudowy kosci post
powal 
dalej, co obserwowano rowniez po 6 i 9 miesi
- 
cacho Dopiero te dwa odlegle terminy obserwacji 
dowiodly, ze badany cement ulega powolnej bio- 
degradacji. 


3 - Polimery w Mcdycymc 3/2003 


1. Cement apatytowy wykazuje wysoki stopien 
biozgodnosci z tkankami zywego organizmu. 
Wszczepienie tego cementu do tkanek kostnej 
i mi
sniowej zwierz
t doswiadczalnych, nie wy- 
woluje patologicznej reakcji tkanek, ani nie po- 
woduje uszkodzenia funkcji narz
dow wewn
t- 
rznych. 
2. Wszczepy cementu apatytowego stymuluj
 tka- 
nk
 kostn
 do regeneracji. 


LITERA TURA 


[1] HULERT S.: Histori of the use of hydroksya- 
patite as a biomaterial. J ap. Ass. Of Apat Sci- 
nce, (1992), 3, 509. 
[2] Kus H., GORA G.: Materialy i wyroby medy- 
czne. Polim. Med., (1979), 11, 1, 19-30. 
[3] IKEDA N., KAWANABE K, NAKAMURA T.: 
Quatitative comparison of osteoconduktion 
of porous, dense A - W glass-ceramic and 
hydroksyapatite granules (effects of granu- 
le and pore size). Biomaterials, (1990), 20, 
1087-1095. 
[4] JOHN A, HONG L., IKEDA Y, TABATA Y: 
A trial to prepare biodegradable collagen-hy- 
droksyapatite composites for bone repair. J. 
Biomat. Sci. Polim. Ed., (2001), 12,689-705. 
[5] CORNELL C. N., LANE J. M.: Current unders- 
tanding of osteoconductionin bone regene- 
ration. Clin. Orthop., (1998), 355, Suppl., 
267-273. 
[6] CHLOPEK J., BLAZEWICZ M., SZAI:RANIEC B.: 
Kompozyty biuoaktywne. Acta of Bioengine- 
ering and Biomechanics (2001), 3, 39-46. 
[7] LIND M., OVERGAARD S., BUNGER c., 
SOBALLE K: Improved bone anchorage of 
hydroksyapatite coated implants compared 
with tricalcium phosphate coated implants in 
trabecular bone in dogs. Biomaterials, (1999), 
20, 803-808. 
[8] PULEO D. A, NANCI A: Understanding and 
controlling the bone-implant interface. Bio- 
materials, (1999), 20, 2311-2321. 
[9] S
CKI Z.: Wspoloddzialywanie kosc-im- 
plant, ocena mechaniczna, chemiczna i bio- 
logiczna. Inzynieria Materialowa, (1997), 2, 
130-147. 
[10] YOSHIKAWA T., SUWA Y., OHGUSHI H., TAMAI 
S., ICHIJAMA K: Self-setting hydroksyapatite 
cement as a carrier for bone-forming cels, 
Biomed. Mater. Eng., (1996), 6, 345-351. 



18 


STANISLAW PIELKA I INNI 


[11] ZAMBONIN G., GRANO M.: Biomaterials in 
orthopaedic surgery: effects of different hyd- 
roksyapatites and demineralized bone matrix 
on proliferation rate and bone matrix synthe- 
sis by human osteoblasts. Biomaterials, 
(1995), 16, 397-402. 
[12] POLESINSKI Z., KARAS J., JAERGERMANN Z., 
GRZYBOWSKI J., TRAFNY E., CIOLEK L.: Oce- 
na wst
pna "in vitro" aktywnosci przeciwba- 
kteryjnej cementow apatytowych oraz poro- 
watych implantow korundowych zawieraj
- 
cych antybiotyki. Inzynieria Biomaterialow, 
(2000), IV, 17, 215-220. 
[13] SLOSARCZYK A., KNYCHALSKA-KARAWAN Z., 
et al.: Crakow hydroksyapatite ceramics - 
a product report. Med. Sci. Monit., (1998), 4, 
172-175. 


[14] STANISZEWSKA-Kus J., PALUCH D., PIELKA 
S., SLOSARCZYK A., GARNCAREK J.: Zastoso- 
wanie dwufazowej ceramiki hydroksyapatry- 
towej i whithlockowej jako materialu osteo- 
indukcyjnego. Badania doswiadczalne. Acta 
of Bioengineering and Biomechanics. (2001), 
3, supl. 1, 221-230. 


Adres autorow: 
Zaklad Chirurgii Eksperymentalnej 
i Badania Biomaterialow 
Katedra Chirurgii Urazowej AM 
ul. Poniatowskiego 2, 
50-326 Wroclaw 
e-mail: biomat@cheksp.am.wroc.pl 


. . . . . . . . 



Badanie odczynu tkankowego 
na wszczepy cementu 
apatytowego zawieraj
cego 
wankomycyn
 


WLODZIMIERZ JUSZKIEWICZ, STANISLAW PIELKA, 
JOLANTA STANISZEWSKA-Kus, DANUTA PALUCH 


Zaklad Chirurgii Eksperymentalnej 
i Badania Biomaterialow, 
Katedra Chirurgii Urazowej, 
Akademia Medyczna we Wroclawiu 


Streszczenie 


Celem pracy bylo badanie stopnia biozgod- 
nosci cementu apatytowego jako nosnika 
antybiotyku - wankomycyny. Badania 
miejscowych odczynow tkanki mi
sniowej 
przeprowadzono na L8 szczurach szczepu 
Wistar, wszczepiaj
c w mi
snie grzbietu 
pr6bki cementu apatytowego z wankomy- 
cyn
. Sekcje zwierz
t i badania drobnowi- 
dowe wykonano 7, 14,30,90, 180 i 270 dni 
po implantacji. 
Badania miejscowych odczynow tkanki 
kostnej przeprowadzono na 12 krolikach 
rasy nowozelandzkiej, wprowadzaj
c bada- 
ne probki do kosci udowej w okolicy kr
ta- 
rza. Badania makroskopowe, radiologiczne 
i mikroskopowe wykonano 1, 3, 6 i 9 mie- 
si
cy po operacji. U zyskane wyniki badan 
z tkanki mi
sniowej i tkanki kostnej, porow- 
nano z 
wynikami badan analogicznych 
tkanek po wszczepieniu cementu apatyto- 
wego bez leku. 
W badaniach makro- i mikroskopowych 
w okresie wczesnym, stwierdzono odczyn za- 
palny mi
sni, nieco bardziej nasilony wokol 
probek z wankomycyn
 w porownaniu do 
wszczepu kontrolnego. W okresie poiniej- 
szym nie stwierdzono odczynu zapalnego, 
a wszczep otaczalo cienkie, wlokniste 
pasmo tkanki I
cznej. Obraz histologiczny 
byl podobny, jak w przypadkach wszczepu 
bez antybiotyku. Odczyn miejscowy tkanki 


Polimery w Medycynie 2003, T. XXXIII, Nr 3 


kostnej zarowno w gruple kontrolnej, 
jak i grupie badanej (cement apatytowy 
z wankomycyn
) byl podobny. W okresie 
wczesnym stwierdzono rozplem bogatoko- 
morkowej tkanki I
cznej. 
W poiniejszym okresie, pocz
wczy od 
3 miesi
ca, obserwowano tworzenie si
 
mlodej tkanki kostnej i tylko miejscami wy- 
st
powaly ogniska tkanki wloknistej. Pro- 
ces obserwowany po wszczepieniu bada- 
nych materialow do tkanki kostnej, bardzo 
przypominal procesy naprawcze po zlama- 
niu kosci dlugich. Badania wykazaly, ze od- 
czyn tkankowy po wszczepieniu cementu 
apatytowego i jego kompozytu z wanko- 
mycyn
, byl bardzo podobny i wykazywal 
wysoki stopien biozgodnosci tkankowej. 


Investigation of tissue reaction 
of apatite cement implants 
impregnated with vancomycin 


Summary 
Investigation of biocompatibility degree of 
apatite cement as a carrier of antibiotic 
- vancomycin was the purpose of the ex- 
perimental study. Investigation of local rea- 
ctions of muscular tissue was carried out on 
L8 rats of Wistar type, by implanting samp- 
les of apatite cement with vancomycin in 
the dorsal muscles. Sections of the animals 
and microscopic investigations were made 
7, 14, 30, 90, 180 and 270 days after the 
implantation. 
Investigation of local reactions of bone 
tissue were carried out on 12 rabbits of 
New Zealand breed, by implanting the in- 
vestigated samples into the femoral bone in 
the region of trochanter. Macroscopic, ra- 
diological and microscopic investigations 
were carried out 1, 3, 6 and 9 months after 
the surgery. The obtained results of the in- 
vestigations from muscular and bone tissue, 
were compared to the investigations in ana- 
logical tissues of apatite cement without the 
medication. 



20 


WLODZIMIERZ JUSZKIEWICZ I INNI 


In macro- and microscopic investi- 
gations in the early period inflammatory 
reaction of muscles was noticed to be stron- 
ger around the samples with vancomycin, 
in comparison to the control implant. 
In the later period there was no inflam- 
matory reaction and a thin fibrous con- 
nective tissue surrounded the implant and 
a histological picture was similar, as in 
cases of an implant without the antibiotic. 
The local reaction of bone tissue both in 
the control and in the investigated group 
(apatite cement with vancomycin) was si- 
milar. In the early period the prolifera- 
tion of rich cellular connective tissue, was 
noticed. 
In the later period starting from the 3 rd 
month, formation of young bone tissue was 
noticed and only locally there were focuses 
of fibrous tissue. The process observed after 
splitting of the tested materials into bone 
tissue, was very similar to healing processes 
after long bone fraction. The carried out 
investigations showed, that tissue reaction 
after implantation of apatite cement and its 
composite with vancomycin, was very simi- 
lar and showed a high degree of tissue bio- 
compatibility. 


Slowa kluczowe: nosnik leku, cement apaty- 
towy, wankomycyna, badania eksperymen- 
talne, biozgodnosc 
Key words: medication carrier, apatite ce- 
ment, vancomycin, experimental studies, 
biocompatibility 


WST.Ij;P 


Cementy kostne s
 stosowane jako materialy mo- 
cuj
ce endoprotezy lub do wypelniania niewielkich 
ubytkow w kosci. Wiele niepowodzen po operac- 
jach endoprotezoplastyki, spowodowane jest zaka- 
zeniem, glownie bakteryjnym. Niezaleznie od drogi 
zakazenia, tocz
cy si
 proces zapalny zmusza za- 
zwyczaj do usuni
cia wszczepu, a po likwidacji za- 
kazenia do ponownej operacji [1]. Ryzyko wpro- 
wadzenia zakazenia w trakcie powtornej operacji 
jest 0 wiele wi
ksze, a w przypadku istnienia gl
bo- 
kiej infekcji, prawdopodobienstwo wyleczenia nie 
przekracza 70% [2]. Podejmuje si
 wive starania 
w celu zapobiegania powstaniu takich powiklan. 
Polega to na zastosowaniu: 


. ultrasterylnych warunkow leczenia chorych na 
oddzialach chirurgii ortopedycznej i urazowej, 
. antybiotykoterapii ogolnej (okolooperacyjnej), 
. cementu kostnego zawieraj
cego antybiotyki. 
Zastosowanie cementu kostnego zawieraj
cego 
antybiotyk, umozliwia uzyskanie wysokiego st
ze- 
nia leku na granicy fazy kose - cement, przy czym 
poziom antybiotyku w surowicy jest znikomy, co 
zmniejsza jego dzialanie toksyczne. Aby leczenie 
przeciwbakteryjne bylo skuteczne, st
zenie antybio- 
tyku w tkankach musi przewyzszae od trzech do 
dziesi
ciu razy MIC (Minimal Inhibitory Concetra- 
tion) dla danego szczepu bakterii i taki poziom mu- 
si byc utrzymywany dostatecznie dlugo [3]. 
Antybiotyki s
 uwalniane z cementu kostnego 
na zasadzie prostej dyfuzji. Ilose antybiotyku i czas 
jego uwalniania zalez
 od rodzaju cementu, stabil- 
nosci antybiotyku, jego ilosci i koncentracji w ce- 
mencie, obj
tosci wprowadzonego do jamy szpiko- 
wej cementu i calkowitej powierzchni uwalniania 
leku. Cementy mog
 zawierac jeden lub wi
cej an- 
tybiotykow, mimo ze zasadnose stosowania wi
cej 
niZ jednego antybiotyku jest dyskutowana [3, 4]. 
Z badan eksperymentalnych i farmakokinety- 
cznych wynika, ze wiele antybiotykow wykazuje 
przedluzone uwalnianie z cementu kostnego, co 
prowadzi do wytworzenia wysokiego, miejscowego 
st
zenia antybiotyku. Wyniki badan wskazuj
 jed- 
nak na istnienie znacz
cych roznic w dynamice 
tych procesow, w zaleznosci od rodzaju cementu 
i rodzaju antybiotyku. 
Jednym z pierwszych, wprowadzonych do prak- 
tyki klinicznej pol
czen antybiotyku z cementem, 
bylo pol
czenie polimetakrylanu (PMMA) z eryt- 
romycyn
 i penicylin
, zastosowan
 przez Buch- 
holza i Engelbrechta w roku 1970 [5]. 
Po licznych badaniach, przeprowadzonych pod 
koniec lat siedemdziesi
tych i w pierwszej polowie 
lat osiemdziesi
tych, duz
 popularnosci
 cieszylo 
siC[: pol
czenie cementu kostnego - polimetakryla- 
nu metylu (PMMA) z gentamycyn
, znanego pod 
nazw
 handlow
 Septopal [6-8]. Ze wzgl
du na 
nefro- i neurotoksycznose gentamycyny, wazn
 
zalet
 miejscowego stosowania tego antybiotyku 
bylo ograniczenie jego aktywnosci do miejsca 
wszczepienia cementu. Stosowany do dzisiaj w le- 
cznictwie zamkni
tym kompozyt cementu PMMA 
z gentamycyn
, ma wiele ujemnych cech, spowo- 
dowanych niedoskonalosci
 zarowno cementu, jak 
i rodzaju antybiotyku. Do najwazniejszych z nich 
nalez
: wysoka temperatura powstaj
ca w czasie 
polimeryzacji cementu i sklonnosc do depolimery- 
zacji po dluzszym czasie przebywania w organiz- 
mie zywym, uwalnianie i przenikanie toksycznego 
monomeru do tkanki kostnej, latwosc p
kania pod 



NOSNIKJ LEKOW; DRUGS CARRIERS 


21 


wplywem sil sciskaj
cych i stosunkowo niski sto- 
pien biozgodnosci z tkankami. Konieczne jest wi
c 
poszukiwanie nowych biomaterialow, odznaczaj
- 
cych si
 dobr
 zgodnosci
 biologiczn
 i lepszymi 
parametrami mechanicznymi. Obserwuje si
 obec- 
nie duz
 intensyfikacj
 badan w skali swiatowej, 
w celu zast
pienia PMMA innym biozgodnym ce- 
mentem. D
zy si
 do tego, aby nowy biozgodny 
cement zachowywal si
 w czasie operacji tak sarno 
jak PMMA, lecz nie posiadal negatywnych cech 
tego cementu. Innym powaznym problemem, 
ograniczaj
cym obecnie zastosowanie Septopalu 
w codziennej praktyce klinicznej, jest mala skute- 
cznosc gentamycyny w Ieczeniu wspolczesnych 
zakazen, zwlaszcza szpitalnych [9]. 
W Klinice Chirurgii Urazowej i Chirurgii R
ki 
we Wroclawiu w latach 1997-1999, poddano ana- 
lizie t1or
 bakteryjn
, wyhodowan
 z ognisk za- 
palnych u chorych z zapalnymi powiklaniami 
po urazach narz
dow ruchu oraz jej wrazliwosc 
na najcz
sciej stosowane antybiotyki. Wyniki 
tych badan, porownano z wynikami badan 
bakteriologicznych w tejze Klinice w latach 
1983-1985. Wykazano wzrost cz
stosci zakaze- 
nia gronkowcami w ostatnich latach, przy jedno- 
czesnym zmniejszeniu si
 odsetka zakazenia pale- 
czkami Gram-ujemnymi. Wykazano tez, ze genta- 
mycyna jako antybiotyk najcz
sciej stosowany 
w ubieglych latach, jest obecnie malo skuteczny. 
Zaledwie 24% wyhodowanych szczepow gronko- 
wca z zakazonych ran jest na niego wrazliwa (w 
1982 roku wskaznik ten wynosil okolo 97%) [9]. 
Powyzsze obserwacje wskazuj
 na koniecznosc 
prowadzenia badan, ktorych celem byloby uzyska- 
nie kompozytu zawieraj
cego cement kostny 0 Ie- 
pszych cechach biologicznych, mog
cy stanowic 
nosnik antybiotyku, maj
cego wi
ksz
 skutecz- 
nosc dzialania. 
Wykonane wczesniej badania w Zakladzie Mi- 
krobiologii i Epidemiologii Wojskowego Instytutu 
Higieny i Epidemiologii w Warszawie, probek 
cementu hydroksyapatytowego nasyconych anty- 
biotykami, wykazaly mozliwosc zdeponowania 
odpowiedniej ilosci leku w pro bee, wystarczaj
cej 
do calkowitego zahamowania rozwoju drobno- 
ustrojow. Badaniu poddano cefazolin
, wanko- 
mycyn
, gentamycyn
 i netelmycyn
. Najwyzsz
 
skutecznosc w hamowaniu wzrostu gronkowcow, 
wyhodowanych z zakazonych ran, wykazala wan- 
komycyna. Z probki cementu hydroksyapatytowe- 
go, zawieraj
cego wankomycyn
 w ilosci 3% wagi 
robki, antybiotyk dyfundowal w ilosci niezb
dnej 
do calkowitego hamowania wzrostu bakterii 
w czasie do 13 dni [10]. Pozostawalo do wyjas- 


nienia, czy staly kontakt hydroksyapatytu z an- 
tybiotykiem nie zmienia cech biologiCznych ce- 
mentu apatytowffgo, lub nie powstaj
 zwi
zki tok- 
syczne. 
Celem pracy byla ocena stopnia biozgodnosci 
kompozytu cementu hydroksyapatytowego z wan- 
komycyn
 oraz ocena porownawcza odczynow 
tkankowych, po wszczepieniu cementu apatytowe- 
go i jego kompozytu z wankomycyn
 do tkanki 
kostnej i mi
sniowej zwierz
t. 


MATERIAL 


Prac
 doswiadczaln
 wykonano w Zakladzie Chi- 
rurgii Eksperymentalnej i Badania Biomaterialow, 
Katedry Chirurgii Urazowej AM we Wroclawiu. 
Wszczepy z cementu apatytowego, bez antybioty- 
ku i zawieraj
ce wankomycyn
, opracowano i wy- 
konano w Instytucie Szkla i Ceramiki w War- 
szaWle. 
Cement apatytowy sklada si
 z dwoch kompo- 
nentow. Ingredientem proszkowym jest rozdrob- 
nione szklo 0 wysokiej zawartosci CaO, nalez
ce 
do ukladu CaO-Si02-P205-CaF2, a drugim plyn 
o pH 7,3, b
d
cy wodnym roztworem fosforanow 
jedno- i dwuatomowych. W skladzie fazowym 
stwierdza si
 obecnosc mikrokrystalicznego hydro- 
ksyapatytu, podobnego do apatytu biologicznego. 
Wankomycyna dost
pna jest w formie proszku 
i w tej postaci wprowadzono antybiotyk do kom- 
ponentu proszkowego cementu, w ilosci 3 % wago- 
wych. Komponent proszkowy z antybiotykiem za- 
rabiano nast
pnie plynem wi
z
cym, w odpowied- 
niej proporcji wagowej, przewidzianej do prawid- 
lowego wi
zana cementu. Wymieszany cement 
z antybiotykiem w stanie plastycznym, wprasowa- 
no w odpowiednie formy z politetrafluoroetylenu 
i otrzymano nast
puj
ce probki: 
1. Walce 0 srednicy 2 mm i dlugosci 6 mm, zawie- 
raj
cych 3,6 mg wankomycyny, ktore implanto- 
wano w mi
sniach grzbietow szczurow. 
2. Walce 0 srednicy 3 mm i dlugosci 10 mm, za- 
wieraj
cych 1 mg wankomycyny, ktore wszcze- 
piano do kosci udowej krolika. 
Wszystkie probki poddano sterylizacji radiacyj- 
nej dawk
 28:::!: 20% kGy. 


METODA BADAN 


Badania odczynow miejscowych tkanki mi
sniowej 
przeprowadzono na 18 szczurach hodowli wsobnej 
szczepu Wistar, samicach, w wieku 2-3 mie- 



22 


WLODZIMIERZ JUSZKIEWICZ I INNI 


si
cy i wadze 150-200 g. Po przygotowaniu i znie- 
czuleniu zwierz
t, wszczepiano badane probki do 
tkanek mi
sniowych grzbietow szczurow; po pra- 
wej stronie dwie probki zawieraj
ce antybiotyk, 
a po lewej dwie probki nie zawieraj
ce leku. Sekcje 
przeprowadzono po 7, 14 i 30 dniach oraz po 3, 
6 i 9 miesi
cach. 
Badanie miejscowych odczynow tkanki kostnej 
przeprowadzono na 12 krolikach, obojga plci, rasy 
bialej nowozelandzkiej, 0 wyrownanej masie ciala 
3,2-3,5 kg. Po przygotowaniu i znieczuleniu zwie- 
rz
t, wprowadzano badane probki do kosci udowej 
krolika w okolicy kr
tarzy; do konczyny prawej 
dwa implanty zawieraj
ce wankomycyn
, do kon- 
czyny lewej dwa implanty z cementu bez antybioty- 
ku. Sekcje zwierz
t przeprowadzono po 1, 3, 
6 i 9 miesi
cach, po 3 kroliki w kazdym terminie. 


WYNIKI 


Okres obserwacji przezyly wszystkie operowane 
szczury. W okreslonych terminach wykonano ba- 
dania sekcyjne szczurow, dokonuj
c oceny makro- 
skopowej narz
dow i pobierano wycinki do badan 
histologicznych. Nie stwierdzono zmian patologi- 
cznych w narz
dch wewn
trznych jamy brzusznej 
i klatki piersiowej. W badaniach makro- i mikro- 
skopowych 7 dni po wszczepieniu probek, stwier- 
dzono odczyn zapalny mi
sni wokol wszczepow, 
nieco bardziej nasilony wokol probki zawieraj
cej 
wankomycyn
, w porownaniu do wszczepu kon- 
trolnego. Po naci
ciu wytworzonej torebki wokol 
wszczepu, z latwosci
 mozna bylo usun
c implant. 
W obrazie histologicznym widoczny byl obfity na- 
ciek komorkowy, ukladaj
cy si
 w ksztalcie pasma 
otaczaj
cego przestrzen po usuni
tym wszczepie. 
Obecne byly makrofagi, granulocyty wieloplatowe 
oboj
tnochlonne i okr
gle komorki typu limfocyta, 
oraz mniej liczne fibroblasty i fibrocyty. Komor- 
ki wnikaly pomi
dzy wlokna mi
sniowe. Ponadto 
obserwowano p
czkuj
ce, cienkoscienne naczynia 
krwionosne/wypelnione elementami morfotyczny- 
mi krwi. W opisywanym pasmie nacieku komor- 
kowego, znajdowaly si
 linijnie ukladaj
ce si
 bez- 
postaciowe masy, wybarwione na czarno (ryc. 1). 
Po 14 dniach w preparatach histologicznych wido- 
czna byla torebka I
cznotkankowa otaczaj
ca 
wszczep, zawieraj
ca liczne fibroblasty i fibrocyty 
oraz liczne naczynia krwionosne, wokol ktorych 
znajdowaly si
 niewielkie skupiska limfocytow. 
Widoczne byly rowniez czarno wybarwione bezpo- 
staciowe masy. 
Obraz histologiczny wokol implantow bez an- 
tybiotyku byl podobny. W 30 dniu po implantacji 


probki otoczone byly cienk
, przezroczyst
 toreb- 
k
 zbudowan
 z tkanki I
cznej, zawieraj
cej liczne 
naczynia krwionosne. Tkanka ta byla mocno zros- 
ni
ta z otaczaj
cymi j
 mi
sniami, a od wewn
trz 
slabiej przylegala do wszczepu. Mi
snie mialy pra- 
widlowy obraz histologiczny. Komorek zapalnych 
nie stwierdzono (rye. 2). 
W pozniejszych terminach stwierdzano syste- 
matyczne zmniejszanie si
 grubosci torebki otacza- 


A.
' i'# 


t
 
',. J 


" 


I 
, 


. 
, 
" . 


.A 

 
. 


,. 
'.t!Y' 
:' <. 


":-","'11' 


., 


I-

"- 
, , 

 .,- 


" 
.... 


.'" 


i.. 


_.}'
 


Ryc. 1. Obraz mikroskopowy 7 dni po implantacji cementu 
z wankomycynq, w mi
snie grzbietu szczura. W centrum - sze- 
rokie pasmo wysi
ku komorkowego z licznymi bezpostaciowy- 
mi, czarnymi masami. Po prawej - mi
snie poprzecznie prq,i;- 
kowane. Prep. barw. HE. Pow. ok. 140x 


FIG. 1. Microscopic picture 7 days after cement implantation 
with vancomycin in the dorsal muscles of a rat. In the center 
- a wide streak of cellular exudates with numerous amorphous 
black masses. On the right - transversely striated muscles. 
Stain prep. HE. Magn. about 140 x 



"!"'" -- 


'" 
" 


-.. 


'" 
" 


. 
... 


'( 


.....i..; 


*",,- 


...... 


""'"---. 


.,.,. 


-
 


.. 


If>, 


r. 

) 


K 


R YC. 2. Obraz mikroskopowy 30 dni po implantacji cementu 
z wankomycynq, w mi
snie grzbietu szczura. U gory przestrzeii po 
usuni
tym wszczepie, ograniczona pasmem wloknistej tkanki lq,cz- 
nej. Ponizej tkanka tluszczowa. Prep. barw. HE. Pow. ok. 140x 
FIG. 2. Microscopic picture 30 days after implantation of ce- 
ment with vancomycin in the dorsal muscles ofa rat. At the top 
- space after the removed implant limited by a streak of fib- 
rous connective tissue. Below - fatty tissue. Stain prep. HE. 
Magn. about 140x 



NOSNIKI LEKOW; DRUGS CARRIERS 


23 


j
cej wszczep, a jej szerokose w ostatnim terminie 
badania nie przekraczala grubosci pojedynczego 
wlokna mi
sniowego (ryc. 3). 
Okres obserwacji przeiyly wszystkie operowane 
kroliki. Rany pooperacyjne zagoily si
 przez ryclllo- 
zrost, ruchomosc konczyn tylnych byla w pelnym za- 
kresie, mialy one prawidlowy ksztalt i nie wykazywa- 
Iy zmian patologicznych. We wszystkich terminach 
sekcyjnych nie stwierdzono zmian chorobowych na- 
r
dow jamy brzusznej i klatki piersiowej. Obraz 
makro- i mikroskopowy w obu grupach byl bardzo 
podobny. W pierwszym terminie sekcyjnym stwier- 
dzono rozplem bogatokomorkowej tkanki I
cznej 
z rozlanymi ogniskami granulocytow wieloplato- 
wych, jak rowniez nacieki komorkowe zlozone z jed- 
noj
drzastych komorek typu limfocyta, pojedyn- 
czych makrofagow i licznie wyst
puj
cych erytrocy- 
tow w tkance tluszczowej i szpiku (ryc. 4). Pocz
wszy 
od 3 miesi
ca, obserwowanq tworzenie si
 mlodej 
tkanki kostnej i tylko miejscami wyst
powaly og- 
niska tkanki I
cznej wloknistej. W 9 miesi
cu ob- 
serwacji tkanka otaczaj
ca implant wykazywala 
struktur
 dojrzalej, beleczkowatej tkanki kostnej. 
Opisany proces po wszczepieniu badanych mate- 
rialow do tkanki kostnej, bardzo przypomina pro- 
cesy naprawcze po zlamaniu kosci dlugich. Obec- 
nose osteoblastow w ostatnim terminie obserwacji 
potwierdza zjawisko osteoindukcji, ktor
 inicjuje 
cement apatytowy (rye. 5). Badania radiologiczne 
wykazaly scisle przyleganie implantu do kosci, sto- 
pniow
 biodegradacj
 i zast
pienie go przez nowo 
tworz
c
 si
 kosc. 


¥'.




 ...........r
 <.
.

 rf(4 


3 . 


#:
 


, 
...
 


-- ;' 

 

. 
, 
.. 
t , 


.,; "'" 


'" 



y.-- 


.;.......,. 


.o/
.:.
.".,,

 


11\ 


, . 
J 
. 
_'. ._._.1' I... _ .: . 


Ryc. 3. Obraz mikroskopowy 9 miesi
cy po implantacji ceme- 
ntu z wankomycynq, w mi
snie grzbietu szczura U dolu prze- 
strzen po usuni
tym wszczepie ograniczona pasmem tkanki lq,- 
cznej, z licznymi czerwono barwiq,cymi si
 wloknami klejorod- 
nymi. Barw. met. van Gison. Pow. ok. 140x 
FIG. 3. Microscopic picture 9 months after implantation of ce- 
ment with vancomycin in the dorsal muscles of a rat. At the 
bottom - space after the removed implant limited by a streak 
of connective tissue with numerous red-staining collagenous 
fibres. Stain met. of van Gison. Magn. about 140 x 


:ur
':II: t
 
.. 

. 
> 
., 
... 
$ 
"" 


.......... 
.. 
I 


"+: 


;; 
i 
I 
. 
I 
JIi 
<4 
.. 
A' 
if 
''< 


" 
., 



. 


 
" 

n
 
. 
t 


P. 


iilUOO".n. .__ 


__ ....Ji'iIBIIII 


Ryc. 4. Obraz mikroskopowy 1 miesiq,c po implantacji do ko- 
sci cementu z wankomycynq" W centrum przestrzeli z fragmen- 
tami cementu ograniczona od lewej tkankq, kostnq" a od prawej 
bogatokomorkowq, tkankq, lq,cznq,. Prep. barw. HE. Pow. ok. 
140x 


FIG. 4. Microscopic picture 1 month after implantation of ce- 
ment with vancomycin in the bone. In the center - space with 
fragments of the cement limited from the left by bone tissue. 
Stain prep. HE. Magn. about 140 x 



 ' :!.{' 
. 

 .:. T""1P" ... 
. , 
i If' Alii> ,I-- 

 f 
)- ::.. 
.' _ .f.' i!!o if 
 
II! :. 
'"&- 
 t 
 .{.. iIt 

.
 '01'H'
 ' 
'J.' 10, 


..: 
, . 


':m.

"" 


'" 


"':' 


.,.w 


;, 


a '" 


.
. 

 


.... 



 


> .... 

.. 
j!: 



--""I8IWi> 
 II!rlil 11;:" 
! f 

....,_'" 'IIIIIIII!!t, 

 
,. <'
1SIIt.'.:.:x 
m . "' . ' " . 
_ . . . .... .. . _ .. . _ _''"'''{":. !
 
_..-.
..-.,
 
jI" 


:, 


., 
'1 



 
, 
"" 


Ryc. 5. Obraz mikroskopowy 9 miesi
cy po implantacji ceme- 
ntu z wankomycynq, do ko!ici udowej krolika. Na dole implant 
cementowy, powyzej tkanka kostna, do ktorej przylegaj
 ko- 
morki szpikowe. Barw. HE. Pow. ok. 140 x 


FIG. 5. Microscopic picture 9 months after implantation of ce- 
ment with vancomycin in the femoral bone of a rabbit. At the 
bottom - cement implant, above - bone tissue with adhering 
marrow cells. Stain HE. Magn. about 140 x 


DYSKUSJA 


Decyzja 0 podj
ciu tych badan wynikala z konie- 
cznosci wyjasnienia, czy pol
czenie dwoch mate- 
rialow, 0 znanych i zaakceptowanych wlasciwos- 
ciach dla kazdego z nich, w tym przypadku cemen- 
tu apatytowego [11] i wankomycyny, tworzy 
kompleks tak samo biozgodny jak kazda ze skla- 
dowych. Niektore z interakcji zachodz
cych po- 
mi
dzy antybiotykiem a jego nosnikiem - cemen- 



24 


WLODZIMIERZ JUSZKIEWICZ I INNI 


tem apatytowym, mog
 si
 odbywae na poziomie 
molekularnym i jako takie byc niedost
pne dla ru- 
tynowej oceny. 
Uzyskana w niniejszej pracy pozytywna ocena 
calego kompozytu cement - wankomycyna, po- 
zwala na przejscie do dalszego etapu badan w sro- 
dowisku zakazonym, jakim powinna byc ocena 
ilosciowa i jakosciowa dynamiki uwalniania si
 
wankomycyny z wszczepionego kompozytu. 
Pierwsze sukcesy w leczeniu zapalen kosci 
z miejscowym zastosowaniem cementow zawiera- 
j
cych antybiotyk, osi
gn
1 Klemm w latach 
siedemdziesi
tych ub. stulecia. Post
powanie zale- 
cane przez Klemma, polegaj
ce na pierwotnym zam- 
kni
ciu rany po umieszczeniu w ognisku zapal- 
nym kosci cementu z antybiotykiem, w owczesnym 
czasie uznawane bylo za dosc kontrowersyjne, lecz 
dzisiaj jest powszechnie zaakceptowan
 metod
 
post
powania. Na bazie tycp doswiadczen opraco- 
wany zostal preparat w postaci kul z PMMA za- 
wieraj
cych gentamycyn
 [6-8]. Z nosnika. uwal- 
nial si
 antybiotyk w sposob ci
gly, w okreslonym 
czasie, utrzymuj
c poziom bakteriobojczy w miejs- 
cu wszczepienia. Proces uwalniania antybiotyku 
odbywal si
 w tym przypadku poprzez dyfuzj
 
w srodowisku plynnym [2]. 
Materialy stosowane jako nosniki antybioty- 
kow przeznaczone do stosowania miejscowego, 
dziel
 si
 na dwie zasadnicze grupy: nie ulegaj
ce 
biodegradacji i ulegaj
ce biodegradacji. Podstawo- 
w
 wad
 nosnikow typu PMMA, czyli nie ulegaj
- 
cych biodegradacji, jest koniecznosc ich chirurgicz- 
nego usuni
cia, co wykonywane jest zazwyczaj po 
3 tygodniach po implantacji. Ponadto, proces po- 
limeryzacji PMMA jest wysoce egzotermiczny (0- 
kolo 90°C) i wszystkie znane antybiotyki, za wyj
t- 
kiem gentamycyny, ulegaj
 w tej temperaturze inak- 
tywacji. Konieczne jest wi
c poszukiwanie in- 
nych materialow pelni
cych rol
 nosnikow lekow. 
Biomaterialy ulegaj
ce w organizmie czlowieka 
biodegradacji nie wymagaj
 chirurgicznego usu- 
wania. Sposrod wymienionych powyzej, najpow- 
szechniej od lOJ
tjest stosowana w leczeniu infek- 
cji kosci g
bka.kolagenowa, nas
czana antybioty- 
kami takimi jak bacytracyna, gentamycyna (m-in. 
- preparat Gentacoll) [12-17]. Pozostale bioma- 
terialy pozostaj
 ci
gle na etapie badan doswiad- 
czalnych [18-22]. 
G
bka kolagenowa jako bialko naturalne, ule- 
ga w organizmie zywym biodegradacji na drodze 
proteolizy w ci
gu kilkunastu dni. Kompozyt ten 
ma zastosowanie w leczeniu zapalen kosci, ktore 
nie wymagaj
 uzupelniania ubytkow [14]. W ba- 
daniach porownawczych, przeprowadzonych m.in. 
przez Letscha i Rosenthala wykazano, ze genta- 


mycyna uwalniana jest z g
bki kolagenowej zdecy- 
dowanie szybciej niZ z nosnika PMMA. Niemniej, 
wynik terapeutyczny dla obu nosnikow w bada- 
niach klinicznych okazal si
 rownie wysoki, wyno- 
sz
cy 80% dla g
bki kolagenowej i 90% dla 
PMMA [15]. 
Nie kazdy material b
d
cy dobrym. nosnikiem 
antybiotyku, moze bye stosowany jednoczesnie do 
uzupelniania ubytkow kosci. G
bka kolagenowa, 
choe jest dobrym nosnikiem antybiotyku, nie moze 
bye stosowana w tym celu, ze wzgl
du na niewlas- 
ciw
 struktur
 i szybkie wchlanianie. Dlatego tez 
trwaj
 poszukiwania materialu, ktory b
d
c dob- 
rym nosnikiem antybiotyku, stano wilby jednoczeS- 
nie biomaterial przydatny w rekonstrukcji ubyt- 
kow kosci. Taki biomaterial musi spelniae wszyst- 
kie wymagania stawiane biozgodnym implantom, 
a jednoczesnie musi stanowic odpowiedni mate- 
rial, na bazie ktorego nast
pi odbudowa natural- 
nej struktury zdrowej kosci. Cement hydroksyapa- 
tytowy spelnia te warunki. 
Polesinski i wspolpracownicy poddali ocenie 
porowate implanty korundowe nas
czane proz- 
niowo roztworami koloidalnymi, zawieraj
cymi 
trzy rozne antybiotyki: cefazolin
, netyImycyn
 
oraz wankomycyn
. Zarowno w tkance kostnej jak 
i mi
sniowej, badane wszczepy charakteryzowaly 
si
 wysokim stopniem biozgodnosci, powoduj
c 
odczyn tkankowy minimalnego stopnia. Potwier- 
dzono tez, ze porowata ceramika korundowa mo- 
ze bye wykorzystana jako nosnik antybiotyku 
w srodowisku zakazonym. Najlepsze wlasnosci bak- 
teriobojcze uzyskano dla wszczepow korundo- 
wych zawieraj
cych wankomycyn
 [10, 18]. 
We wst
pnych badaniach porownawczych 
przeprowadzonych in vitTO, mi
dzy innymi przez 
del Real'a, najlepsze wyniki uzyskano wlasnie dla 
materialow kompozytowych typu hydroksyapaty- 
tu [23]. Badania te przeprowadzono wprawdzie 
z zastosowaniem gentamycyny, niemniej kompleks 
ten okazal si
 biozgodny i indukowal osteogenez
. 
Wst
pne badania z zastosowaniem hydrokysapa- 
tytu jako nosnika antybiotyku, wykonali tez Ito- 
kazu [22] oraz Yamashita [2], stosuj
c dwa ro- 
dzaje antybiotykow: Arbekacyn
 oraz Dibekacy- 
n
. Koo i Yang w badaniach klinicznych porow- 
nali uwalnianie trzech rodzajow antybiotykow: 
wankomycyny, gentamycyny i cefotaksyny z ceme- 
ntu stosowanego w dwuetapowej artroplastyce 
stawu biodrowego w srodowisku zakazonym [1]. 
Nieustannie trwaj
 poszukiwania idealnych 
materialow nadaj
cych si
 na medyczne wyroby 
implantacyjne, mog
cych bye nosnikami antybio- 
tykow. Bardzo wysokie wymagania stawiane 
wszczepom, stwarzaj
 potrzeb
 stalego pogl
bia- 



NOSNIKI LEKOW; DRUGS CARRIERS 


25 


nia wiedzy 0 ich wlasciwosciach. Nalezy jednak 
podkreslic, ze dopiero w praktyce klinicznej moz- 
na w pelni ocenic dany materiallub wyrob. Przed- 
stawione wyniki naszych badan eksperymental- 
nych, uzasadniaj
 podj
cie badan klinicznych. 


WNIOSKI 


1. Odczyn tkankowy po wszczepieniu cementu 
apatytowego z wankomycyn
, we wczesnych te- 
rminach obserwacyjnych (do 30 dni) jest niezna- 
cznie wi
kszy, w porownaniu do odczynu tkan- 
kowego, spowodowanego wszczepieniem same- 
go cementu. 
2. W poinych terminach obserwacyjnych, odczy- 
ny tkankowe po wszczepieniu cementu apatyto- 
wego jak i jego kompozytu z wankomycyn
, 
byly bardzo podobne. 


LITERATURA 


[1] Koo K H., YANG J. W., CHO S. H., PARK H. 
B., HA Y. C., CHANG J. 1., KIM S. Y., KIM Y. 
H.: Impregnation of vancomycin, gentamicin, 
and cefotaxime in cement spacer for two-stage 
cementless reconstruction in infected total hip 
arthroplasty. J. Arthroplasty, (2001), 16, 
882-892. 
[2] YAMASHITA Y., UCHIDA A., YAMAKAWA T., 
SHINTO Y., ARAKI N., KATO K.: Treatment of 
chronic osteomyelitis using calcium hydroxya- 
patite ceramic implants impregnated with an- 
tibiotic. Int. Orthop. (1998), 22, 247-251. 
[3] LETSCH R, ROSENTHAL E., JOKA T.: Local an- 
tibiotic administrationin osteomyelitis treat- 
ment - a comparative study with two diffe- 
rent carriers substances. Aktuelle Traumatol. 
(1993), 23, 324-329. 
[4] KANELLAKOPOULOU K., GIAMARELLos-BoURBO- 
ULIS E. J.: Carrier systems for the local delive- 
ry of antibiotics in bone infections. Drug. 
(2000), 59, 1223-1232. 
[5] BUCHHOLZA H. W., ENGELBRECHT H.: Uber 
die Depotwirkung einiger Antibiotika bei Ver- 
mischung mit dem Kunstharz Palacos. Chiru- 
rgie, (1970), 41, 511. 
[6] KLEMM K.: Septopal-a new way of local an- 
tibiotic therapy, w: Rens Th. J. G.: Local an- 
tibiotic treatment in osteomyelitis and soft-tis- 
sue infections. Proceedings of Symposium. 
Amsterdam. 25 Oct. 1980, Excerpta Medica 
ICS, (1981), 556, 24. 


4 - Polimery w Medycyme 3/2003 


[7] KLEMM K.: Wskazania do klinicznego stoso- 
wania lancuchow Septopalu w leczeniu prze- 
wleklych zakazen kosci i szpiku. Polim. Med. 
(1983), XIII, 1-2, 37-50. 
[8] ZIMMER K.: Zastosowanie Mini-Septopalu 
w chirurgii urazowej r
ki. Badania doswiad- 
czalne i kliniczne. Polim. Med., (1996), XXVI, 
53-57. 
[9J PmLKA S., BYCZYNSKA B., BOGDAN K.: Anali- 
za flory bakteryjnej obecnej w ogniskach za- 
palnych u chorych z zapalnymi powiklania- 
mi po urazach narz
du ruchu. III Zjazd Unii 
Pol skich Towarzystw Chirurgicznych "Zaka- 
zenia", Materialy, Wroclaw, (1999), 74-79. 
[10] POLESINSKI Z., KARAs J., JAEGERMANN Z., 
GRZYBOWSKI J., TRAFNY E., CIOLEK L.: Oce- 
na wst
pna "in vitro" aktywnosci przeciwbak- 
teryjnej cementow apatytowych oraz poro- 
watych implantow korundowych zawieraj
- 
cych antybiotyki. Inzyneria Biomaterialow, 
(2000), IV, 215-220. 
[11] JAKOB-DoLEZAL K., KNYCHALSKA-KARWAN 
Z.: Badania doswiadczalne nad zastosowa- 
niem bioceramicznego hydroksyapatytu do 
leczenia biologicznego miazgi z
bowej. Sto- 
matologia Kliniczna, (1994), XV, 17-22. 
[12] ANTISZKO M., GRZYBOWSKI J., BRACZKO M., 
TEDERKO A.: Blony kolagenowe 0 zwi
kszo- 
nej chlonnosci jako nosniki antyseptykow. 
Polim. Med., (1996), 26, 21-27. 
[13] GRZYBOWSKI J., KOLODZmJ W., TRAFNY E. 
A., STRUZYNA J.: A new antiinfective collagen 
dressing containing antibiotics, J. Biomed. 
Mater. Res., (1997), 33, 163-166. 
[14] GRZYBOWSKI J.: Lecznicze zastosowanie pol- 
skich biomaterialow kolagenowych, Polim. 
Med., (1997), 27, 11-18. 
[15] IpSEN T., JORGENSEN P. S., DAMHOLT V., 
TORHOLM c.: Gentamicin-collagen sponge 
for local applications. 10 cases of chronic os- 
teomyelitis followed for 1 year. Acta Orthop. 
Scand., (1999), 62, 592--:594. 
[16] YEH C. H., LIN P. J., CHU J. J.: Collagen as 
a drug carrier for deep sternal wound infec- 
tion after open heart surgery. Chang Gung 
Med. J., (2001), 24, 451-454. 
[17] LEWANDOWSKI R, GRZYBOWSKI J.: Badania 
przeciw gronkowcowej aktywnosci opatrum- 
ku kolagenowego zawieraj
cego bacytracy- 
n
, Polim. Med. (1999), XXIX, 21-39. 
[18] POLESINSKI Z., KARAS J., JAEGERMANN Z., 
GRZYBOWSKI J., BADURA R, RUTOWSKI R, 
PmLKA S.: Porowate implanty .korudnowe 
jako nosniki antybiotykow. Materialy III 



26 


WLODZIMIERZ JUSZKIEWICZ I INNI 


Sympozjum Inzynieria Ortopedyczna i Pro- 
tetyczna, Bialystok, (2001), 193-201. 
[19] BADURA R., BUCZEK A., KOTZ J., OSINSKI B., 
BIENIEK J., KARAS J., POLESINSKI z., SWIl2CKI 
Z.: Badania biozgodnosci nowej generacji ce- 
mentow kostnych. Szklo i Ceramika, (1998), 
49, 14-22. 
[20] CIESLIK T.: Wplyw wlokniny w
glowej na 
gojenie tkanki kostnej. Badania kliniczne. 
Czas. Stomat. (1994), XLVI, 178. 
[21] FUJIMOTO K., Y AMAMURA K.: Subcutaneous 
tissue distribution of vancomycin from a fib- 
rin glue/Dacron graft carrier. J. Biomed Ma- 
ter. Res., (1997), 36, 564-567. 
[22] ITOKAZU M., MATSUNAGA T., KUMAZAWA S., 
YANG W.: A novel delivery system for osteo- 


myelitis using porous hydroxyapatite blocks 
loaded by centrifugation. J. Appl. Biomater. 
(1995), 6, 167-169. 
[23] DEL REAL R. P., PADILLA S., VALLET-REG! 
M.: Gentamicin release from hydrozyapati- 
te/-poly( ethylmethacrylate )/poly(methylmet- 
hacrylate) composites. J. Biomed. Mater. Res, 
(2000), 52, 1-7. 


Adres autorow: 
Zaklad Chirurgii Eksperymentalnej 
i Badania Biomaterialow 
Katedra Chirurgii Urazowej AM 
ul. Poniatowskiego 2, 50-326 Wrodaw 
e-mail: biomat@cheksp.am.wroc.pl 


. . . . . . . . 


-1u:"{0.1-4 \.4-;'/ .
. '
. 



lIemostaza sr6doperacyjna 
w przeszczepach nerek 
przy uzyciu opatrunku 
z wlokniny kolagenowej, 
pokrytej klejem fibrynowym 
(TachoComb) 


ARTUR PUPKA, PAWEL CHUDOBA, PIOTR BARC, 
GRZEGORZ KALUZA, ARTUR RUCINSKI, DARIUSZ 
JANCZAK, STANISLAW PAWLOWSKI, PIOTR SZYBER 


Katedra i Klinika Chirurgii Naczyniowej, 
Ogolnej i Transplantacyjnej 
Akademii Medycznej we Wroclawiu 


Streszczenie 


W pracy przedstawiono wplyw zastosowa- 
nia preparatu hemostatycznego Tacho- 
Comb (sucha siatka z wlokniny kolageno- 
wej ze sci
gien konskich pokryta ludzkim 
fibrynogenem, trombin
 wolow
 i aprotyni- 
n
 wolow
), na krwawienie z powierzchni 
przeszczepionej nerki. Przeszczepianie ne- 
rek jest uznanym sposobem leczenia schyl- 
kowej ich niewydolnosci. Wraz ze zwi
ksza- 
j
c
 si
 liczb
 transplantacji nerek, wzrasta 
rowniez ilosc powiklan srod- i pooperacyj- 
nych. Powiklania krwotoczne mog
 miec 
wplyw na stan kliniczny biorcy i funkcjono- 
wanie przeszczepionej nerki. 
Opatruaek hemostatyczny zastosowano 
u 29 chorych i porownano z grup
 kontrol- 
n
 25 chorych, u ktorych hemostaz
 wyko- 
nywano przy uzyciu kompresow gazowych. 
Wykazano, ze zastosowanie preparatu 
z wlokniny kolagenowej pokrytej klejem fi- 
brynowym TachoComb, ogranicza mi
z- 
szowe krwawienia po przeszczepie nerki 
i skraca czas hemostazy. 


Slowa kluczowe: krwawienie mi
zszowe, 
TachoComb, przeszczep nerki 


Polimery w Medycynie 2003, T. XXXIII, NT 3 


Intraoperative hemostasis 
during kidney transplantation 
and the use collagen mesh 
dressing covered by fibrin glue 
(TachoComb) 



.!. 
 


ARTUR PUPKA, PAWEL CHUDOBA, PIOTR BARC, 
GRZEGORZ KALUZA, ARTUR RUCINSKI, DARIUSZ 
JANCZAK, STANISLAW PAWLOWSKI, PIOTR SZYBER 


Department of Vascular, General and 
Transplantological Surgery 
Wroclaw University of Medicine 


Summary 
In this paper we present influence of use of 
haemostatic dressing TachoComb, onto 
bleeding from surface of transplanted kid- 
ney. Kidney transplantation (KTX) seems 
to be main method of treatment of terminal 
renal failure. Enlarging number of KTX re- 
sults in growing frequency of intra and po- 
stoperative complications. Hemorrhagic co- 
mplications can impact clinical status of re- 
cipient and graft function. 
Haemostatic dressing was applied at 29 
cases. Control group in which only gas co- 
mpresses were used consisted of 25 patients. 
It was proved, that use of dressing from col- 
lagen mesh covered by fibrin glue Tacho- 
Comb, after kidney transplantation dimini- 
shed parenchymal bleeding and time neces- 
sary to get complete hemostasis. 


Key words: parenchymal bleeding, Tacho- 
Comb, kidney transplantation 



28 


ARTUR PUPKA I INNI 


Przeszczepianie nerek jest obecnie uznanym spo- 
sobem leczenia schylkowej ich niewydolnosci 
[1-5]. Dobre wyniki wczesnej i poznej funkcji 
przeszczepionych narz
dow, ktore z roku na 
rok ulegaj
 ci
glej poprawie powoduj
, ze za- 
bieg transplantacji nerek jest najlepszym spo- 
sobem leczenia ich skrajnej niewydolnosci [1-5]. 
Jedynym czynnikiem, ograniczaj
cym takie po- 
st
powanie jest zbyt mala liczba pozyskiwanych 
do przeszczepiania narz
dow, co powoduje wie- 
loletnie oczekiwanie pacjentow zakwalifikowa- 
nych do przeszczepu [1]. Waznym problemem 
staje si
 najlepsze wykorzystanie pozyskanych 
narz
dow, w tym nerek, przez zapewnienie im 
optymalnych warunkow do podj
cia funkcji po 
przeszczepie, a nast
pnie prawidlowej i wieloletniej 
funkcji poprzez staranne prowadzenie biorcow [1, 
4, 5]. 
Na osi
gane wyniki transplantacji nerek 
wplywa wiele czynnikow [2-5]. Jednym z powik- 
Ian, zagrazaj
cych zyciu biorcy przeszczepu jak 
i funkcjonowaniu nerki jest krwawienie srod- i po- 
operacyjne, ktore zwi
zane jest z heparynizacj
 
chorych w trakcie zabiegu operacyjnego. Ograni- 
czenie lub wyeliminowanie krwawienia mi
zszo- 
wego z powierzchni opracowanej uprzednio nerki, 
mozliwe jest przez zastosowanie opatrunkow he- 
mostatycznych. Do takich preparatow nalez
 kleje 
fibrynowe, wloknina kolagenowa z substancj
 
czynn
, regenerowana i utleniona celuloza lub g:tb- 
ki zawieraj
ce zelatyn
 wieprzow
. Tradycyjnie 
powszechnie stosuje si
 ucisk przeszczepionej nerki 
za pomoc
 serwet. Nie zawsze jest to metoda sku- 
teczna. 


MATERIAL I METODA 


W Katedrze i Klinice Chirurgii Naczyniowej, 
Ogolnej i Transplantacyjnej AM we Wroclawiu, 
przeszczepiono "w 2002 roku 130 nerek Bada- 
nie przeprowarlzono u 54 chorych z krwawie- 
niami z powierzchni przeszczepionej nerki. 
Utworzono dwie grupy chorych: grup
 I - 29 
chorych, w ktorej zastosowano preparat hemo- 
statyczny i kontroln
 grup
 II - 25 chorych, 
u ktorych hemostaz{: uzyskano poprzez ucisk ser- 
wet
. Opatrunkiem hemostatycznym, ktorego uzy- 
to w badaniu byl TachoComb - sucha siatka 
z wlokniny kolagenowej ze sci
gien konskich po- 
kryta ludzkim fibrynogenem, trombin
 wolow
 
i aprotynin
 wolow:t. Stosowano duzy opatrunek 


Kidney transplantation at present is basic method 
of treatment of terminal renal failure [1-5]. Good 
results of early and late function of grafts, which 
are continuously improving made renal transplan- 
tation the best way of cure [1-5]. Main limitation 
for transplant surgery is unsufficient number of 
organs, which results in long time of waiting 
for KTX [1]. The best utilization of kidney for 
transplantation by making optimal condition 
to start transplanted kidney function and careful 
postoperative treatment is important problem 
[1, 4, 5]. 
Many factors have influence onto archived re- 
sults of renal transplantation. Intra and postopera- 
tive parenchymal bleeding, which is involved with 
heparin administration during operation and diali- 
sotherapy is one of graft function and life of reci- 
pient threatening complications. Limitation or eli- 
mination of parenchymal bleeding from surface of 
graft is possible by use of haemostatic dressings. 
There are several haemostatic dressings: fibrin glu- 
es, collagen fibrous mesh with active substance, re- 
generated and oxygenated cellulose or sponges 
with pig gelatin. Common temporally pressure of 
graft through gas compress is very often applied in 
case of parenchymal bleeding. This method isn't 
always effective. 


MATERIAL AND METHOD 


In Department of Vascular, General and Trans- 
plant Surgery Wroclaw University of Medicine we- 
re transplanted 130 kidneys in year 2002.54 of them 
with bleeding from surface of transplanted kidney 
were included in this trial Two groups were crea- 
ted: group I - 29 patients with haemostatic dres- 
sing and control - group II - 25 patients, with 
temporally pressure through gas compress. Tacho- 
Comb, haemostatic dressing, which were used is dry 
collagen fibrous mesh from beefs tendons covered 
by human fibrinogen, beefs trombine and aprotyni- 
ne. Big dressing TachoComb has 9,5 x 4,8 cm and 
0,5 em thickness. 1 cm 2 haemostatic dressing in- 
clude: 1,3-2,0 mg of collagen fibrous mesh 



PRZESZCZEP NERKI; KIDNEY TRANSPLANTATION 


29 


TachoComb 0 wymiarach 9,5 x 4,8 cm i grubosci 
0,5 cm. 1 cm 2 opatrunku hemostatycznego zawie- 
ra: 1,3-2,0 mg kolagenu ze sci
gien konskich, 
4,3-6,7 mg ludzkiego fibrynogenu, 1,5-2,5 IV trom- 
biny wolowej, 0,055-0,087 Ph.Eur.D. aprotyniny 
wolowej oraz 7-26 f.lg ryboflawiny dla oznaczenia 
pokrytego obszaru. 
Do hamowania krwawienia mi
zszowego 
w grupie I uzywano dwoch duzych opatrunkow 
hemostatycznych, nakladanych na powierzchni
 
nerki stron
 zabarwion
 ryboflawin
 na zol1o 
tak, aby cz
sciowo zachodzily na siebie. W gru- 
pie II krwawienie z nerki tamowano stosuj
c 
ucisk kompresami gazowymi. Vzywano dwoch 
kompresow 0 wymiarach 8 x 6 x 0,4 cm. W obu 
grupach obliczano czas konieczny do zaprzesta- 
nia krwawienia z powierzchni przeszczepionej 
nerki i utrat
 krwi w trakcie hemostazy. Vtrat
 
krwi okreslano w gramach, ze wzgl
du na koniecz- 
nose okreslenia ilosci krwi w kompresie gazowym, 
ktory wazono przed i po uzyskaniu pemej hemo- 
stazy. 


WYNIKI 


Czas konieczny do zatamowania krwawienia 
w grupie I, z zastosowaniem preparatu hemostaty- 
cznego TachoComb, wynosil od 126 do 256 sekund 
(tab. 1). Vtrata krwi w tej grupie miescila si
 w gra- 
nicach 30-40 g (tab. 1). W grupie II z uzyciem 
gazowych kompresow, czas hemostazy byl zdecy- 
dowanie dluzszy i wahal si
 od 425 do 658 sekund, 
a utrata krwi w trakcie hemostazy byla wi
ksza 
(30-75 g) (tab. 2). W grupie II operowano ponow- 
nie 3 chorych, z powodu powstania krwiaka wokol 
przeszczepionej nerki. W 2 przypadkach krwawila 
powierzchnia nerki. 
Hemostaz
 wykonano z uzyciem preparatu 
TachoComb. Vijednego chorego krwawienie 
bylo spowodowane nieszczelnosci
 szwu na- 
czyniowego zespolenia t
tniczego, co wyma- 
galo zalozenia dodatkowego szwu. W grupie I 
nie bylo zadnego przypadku reoperacji. Srednia 
utrata krwi w grupie I z uzyciem preparatu 
TachoComb, byla znamiennie statystycznie 
(p 
 0,05) mniejsza w porownaniu z grup
 II 
(tab. 3). Rowniez sredni czas potrzebny do 
zahamowania krwawienia z przeszczepionej 
nerki, byl krotszy w grupie I (przy p 
 0,005) 
(tab. 3). 


from beefs tendons, 4,3-6,7 mg of human fibrino- 
gen, 1,5-2,5 IV of beefs trombine, 0,055-0,087 
Ph.Eur.V. beefs aprotynine and 7-26 f.lg riboflavin 
was used for designation of dressing area. 
Two large haemostatic dressing were placed 
with yellow surface onto graft to set partly onto 
itself. In group II bleeding from kidney was stop- 
ped applying gas compresses. Two gas compresses 
of 8 x 6 x 0,4 em were used. In both groups time 
necessary to stop bleeding and blood loss were 
counted. Loss of blood was defined in grams, by 
weighing gas compresses before use and after ob- 
taining full hemostasis. 


RESULTS 


Time necessary to stop bleeding in group I (with 
use of TachoComb) ranged from 126 to 256 se- 
conds (tab. 1). Loss of blood in this group was 
30-40 g (tab. 1). In group II (with use of gas comp- 
resses) time to reach hemostasis was decidedly lon- 
ger and ranged from 425 to 658 seconds and loss of 
blood was greater (30-75 g) (tab. 2). Additionally 
3 patients from group II, were reoperated for rea- 
son of rise hematomae around transplanted kid- 
ney. In 2 of this cases bleeding surface of trans- 
planted kidney were seen. 
Hemostasis was archived by use of Tacho- 
Comb. In one case haematoma was caused leak of 
vascular anastomosis, which demanded making of 
additional suture. In group I was no reoperations. 
Mean loss blood in group I with the usage of Ta- 
choComb was statistical characteristic (p 
 0,05) 
smallest than in group II (tab. 3). Also mean time 
of hemostasis was shortest than in group 11 
(p 
 0,005) (tab. 3). 



30 


ARTUR PUPKA I INNI 


T ABELA 1. Charakterystyka grupy I 
TABLE 1. Characteristic of group I 


Grupa I 
Group I 
Utrata Czas 
Chory krwi hemostazy 
Patient Loss Time 
of blood (g) of hemostasis (s) 
1 30 126 
2 31 256 
3 30 138 
4 32 130 
5 33 178 
6 32 160 
7 32 167 
8 33 139 
9 35 179 
10 32 189 
11 36 201 
12 40 230 
13 32 249 
14 32 210 
15 32 230 
16 32 170 
17 35 140 
18 32 179 
19 31 140 
20 32 209 
21 34 239 
- 
22 32 230 
23 34 179 
24 32 137 
25 36 150 
26 37 160 
27 34 180 
28 35 197 
29 38 245 


TABELA 2. Charakterystyka grupy II 
TABLE 2. Characteristic of group II 


Grupa II 
Group II 
Chory Utrata krwi Czas hemostazy 
Loss of Time 
Patient blood (g) of hemostasis (s) 
1 30 425 
2 35 658 
3 39 439 
4 49 490 
5 47 549 
6 70 630 
7 72 490 
8 46 570 
9 38 590 
10 41 630 
11 46 601 
12 68 430 
13 61 438 
14 59 540 
15 72 590 
16 54 520 
17 64 550 
18 32 640 
19 66 543 
20 74 630 
21 70 470 
22 54 560 
23 48 430 
24 39 620 
25 60 479 



PRZESZCZEP NERKI; KIDNEY TRANSPLANTATION 


31 


T ABELA 3. Czas hemostazy i utrata krwi po przeszczepie nerki 
TABLE 3. Time of hemostasis and loss of blood after transplant of kidney 


Grupa I Grupa II 
Charakterystyka z uzyciem kleju fibrynowego bez preparatu hemostatycznego 
Characteristic Group I Group II 
with use of fibrin glue without hemostatic device 
U trata krwi (g) 
Loss of blood (g) 30-40 30-75 
Srednia utrata krwi (g) 
Average loss of blood (g) 33,31::!:: 1,9 53,36::!:: 12,03 
Czas hemostazy (s) 
Time of hemostasis (s) 126-256 425-658 
Sredni czas hemostazy (s) 
Average time of hemostasis (s) 184,03 ::!:: 32,87 540,48::!:: 63,54 


OMOWIENIE 


Krwawienia po zabiegu transplantacji nerki, mog
 
byc przyczyn
 utraty przeszczepu lub powodem 
zgonu biorcy przeszczepu. Najcz
sciej s
 one spo- 
wodowane zaburzeniami hemostazy. Preparaty 
hemostatyczne maj
 zastosowanie w przypadku 
krwawien mi
zszowych, nie daj
cych si
 powstrzy- 
mat metodami tradycyjnymi [6-10]. Wloknik kola- 
genowy pokryty klejem fibrynowym stosujemy 
w chirurgii w
troby, w szczegolnosci po zabiegach 
resekcyjnych celem hemostazy lub zmniejszenia wy- 
cieku zolci, w resekcjach trzustki i w urazach sledzio- 
ny [6-11]. Takie wskazania istniej
 rowniez w krwa- 
wieniach mi
szowych po przeszczepie nerki. 
Krwawienia mi
Zszowe po odtworzeniu przeply- 
wu naczyniowego, dotycz
 szczegolnie nerek od daw- 
cow z duZym wspolczynnikiem BMI (Body Mass In- 
dex), co jest zwi
ane ze znacznym otluszczeniem to- 
rebki nerki. W trakcie preparowania nerki do prze- 
szczepu moze dochodzic wtedy do uszkodzenia jej 
torebki, ze wzgl
du na trudnosci w oddzieleniu 
otaczaj
cej tkan}ci tluszczowej. Stosowanie wchla- 
nialnego opatruhku chirurgicznego TachoComb 
umoZliwia opanowanie krwawienia [6-10]. 
W przypadku kontaktu z krwawi
c
 powierz- 
chni
, czynniki krzepni
cia preparatu rozpuszczaj
 
si
 i tworz
 pol
czenie mi
dzy powierzchni
 opat- 
runku i mi
zszem nerki. Przed zastosowaniem 
opatrunku powierzchnia nerki musi byc oCZYSZ- 
czona, a preparat powinien byc tak nalozony, aby 
jego brzegi si
galy poza krwawi
ce pole. Uzycie 
wlokniny kolagenowej pokrytej klejem fibryno- 
wym, umozliwia szybkie zatamowanie krwawienia 
mi
zszowego, a takze ograniczenie krwawienia 


DISCUSSION 


Bleeding after kidney transplantation can be cause 
of loss of graft or reason of recipient death. Hemor- 
rhagic complications are commonly caused by he- 
mostasis disorders. Haemostatic artificial devices 
are useful in case of parenchymal bleeding, which 
are difficult to stop traditional methods [6-10]. 
We apply collagen fibrous mesh covered by fibrin 
glue in surgery of liver (after liver resection to get 
hemostasis and stop bile leakage), after pancreas 
resections and injuries of spleen [6-11]. Such in- 
dications exist also in parenchymal bleeding after 
kidney transplantation. 
Parenchymal bleeding was observed after re- 
storing of vascular flow concern particularly kid- 
neys from givers with large BMI (Body Mass In- 
dex), what is connected with considerable fatness 
of capsule of kidney. In such condition during pre- 
paration of donor kidney for transplant one can 
damage renal capsule because there are difficulties 
in separating of surrounding fatty tissue. Applying 
of absorbent surgical dressing TachoComb makes 
possible control of bleeding [6 - 10]. 
In case of contact with bleeding surface factors of 
coagulation from TachoComb dissolve and they cre- 
ate connection between surface of dressing and flesh 
of kidney. To proper function kidney surface must be 
clean and haemostatic dressing should be placed to 
reach beyond bleeding field. Use of collagen fibrous 
mesh covered by fibrin glue makes able to stop paren- 
chymal bleeding and also limitate intra and post- 
operative bleeding [6-10]. We have not met with use 
of haemostatic dressing with fibrin glue to stop of 
parenchymal bleeding after kidney transplantation. 



32 


ARTUR PUPKA [ l]'I,'NI 


srod- i pooperacyjnego [6-10]. Nie spotkalismy 
si
 z uzyciem preparatu hemostatycznego z klejem 
fibrynowym, w tamowaniu krwawien mi
zszo- 
wych po transplantacji nerek. 


WNIOSKI 


1. Preparat TachoComb ogranicza srodoperacyj- 
n
 utrat
 krwi i przyspiesza czas hemostazy, 
w przypadku krwawien mi
zszowych po prze- 
szczepie nerki. 
2. Mozliwosc ograniczenia powiklan krwotocz- 
nych w przeszczepach nerek przez zastosowanie 
preparatu hemostatycznego TachoComb, reko- 
menduje jego uzycie w przypadku trudnosci 
z opanowaniem krwawienia mi
zszowego me- 
todami tradycyjnymi. 


LITERATURA 


[1] STARZL T. E.: The development of clinical re- 
nal transplantation. Am. J. Kidney Dis. (1990), 
6, 548-556. 
[2] SZYDLOWSKI Z., RYBAK Z., SKORA J., i in.: 
Wplyw czasu cieplego i zimnego niedokrwie- 
nia na okres bezmoczu u chorych po prze- 
szczepie nerki. Post. Med. Klin. Dosw. (1992), 
1, 23-29. 
[3] SZYDLOWSKI Z., RYBAK Z., SKORA J., i in.: 
Wplyw rodzaju perfuzji na czas bezmoczu 
oraz poziom kreatyniny u chorych po prze- 
szczepie nerki. Post. Med. Klin. Dosw. (1992), 
1, 15-22. 
[4] ALMOND P. S., GILLINGHAM K. J., SIBLEY R., et 
al.: Renal transplant function after ten years of 
cyclosporine. Transplantation (1992), 53, 
316-323. 
[5] BLUEMKE M., KELLER H., FISCHER J., et aL: 
Donor age is a risk factor in cadaver kidney 
transplantation. Transplant. Roc. (1992), 24, 
27-28. ,'-, 
[6] SUSUMU 0., TETSUSID 0., YOSIDFUMI T., et aL: 
Fibrin Glue Sandwich Prevents Pancreatic Fi- 
stula following Distal Pancreatectomy. World 
J. Surg. (1998), 22, 494-498. 
[7] YASUAKI N., TSUYOSID S., TOSIDYA K., et a1.: 
Control of Intraoperative Bleeding During Li- 


CONCLUSIONS 


1. TachoComb allow diminish intraoperative loss 
of blood and time necessary to get hemostasis, 
in case of parenchymal bleeding after kidney 
transplantation. 
2. Possibility of limitation of hemorrhagic comp- 
lications in kidney transplantation by use of Ta- 
choComb, recommends its use in case of difficul- 
ties with stopping of parenchymal bleeding by 
traditional methods. 


ver Resection: Analysis of a Questionnaire 
Sent to 231 Japanese Hospitals. Surgery To- 
day (2002), 32, 48-52. 
[8] URANUES S., MISCIDNGER H. J., PFEIFER J., et 
aL: Hemostatic Methods for the Manage- 
ment of Spleen and Liver Injuries. Word J. 
Surg. (1996), 20, 1107-1112. 
[9] AGUS G. B., BONO A. V., MIRA E.; et al: He- 
mostatic efficacy and safety of TachoComb 
in surgery. Ready to use and rapid hemosta- 
tic agent. Int. Surg. (1996), 81, 316-319. 
[10] PARKER S. J., BROWN D., HILL P. F., et al: 
Fibrinogen-impregnated collagen as a com- 
bined hemostatic agent and antibiotic delive- 
ry system in a porcine model of splenic trau- 
ma. Eur. J. Surg. (1999), 165, 609-614. 
[11] Cm-MING L., CHUNG-MAU L., Cm-LEUNG L., 
et al.: Biliary Complications during Liver Re- 
section. World. J. Surg. (2001), 25, 1273-1276. 


Adres autorow: 
Katedra i Klinika Chirurgii Naczyniowej, 
Ogolnej i Transplantacyjnej AM 
ul Poniatowskiego 2, 50-326 Wroclaw 
tel.jfax. (071) 322-32-12 
e-mail: apupka@chirn.am.wroc.pl 


. . . . . . . . 



Modyfikacja przeszczepiania 
nerki z zastosowaniem wlasnego 
zbiornika polietylenowego 


ARTUR PUPKA, PAWEL CIillDOBA, DARIUSZ 
PATRZALEK, DARIUSZ JANCZAK, PIOTR SZYBER 


Katedra i Klinika Chirurgii Naczyniowej, 
Ogolnej i Transplantacyjnej 
Akademii Medycznej we Wroclawiu 


Streszczenie 


W pracy przedstawiono metod
 eliminacji 
czasu drugiego cieplego niedokrwienia 
przez zastosowanie specjalnie skonstruowa- 
nego woreczka polietylenowego, w ktorym 
umieszczana jest przeszczepiana nerka, 
w czasie od wyci
gni
cia z lodu do odtwo- 
rzenia przeplywu naczyniowego. W oreczek 
zbudowany jest z folii polietylenowej 
HDPE 0 niskiej g
stosci, wytwarzanej pod 
wysokim cisnieniem. Wlasna konstrukcja 
woreczka (trzy przestrzenie i polietylen), 
umozliwia przetrzymywanie przeszczepia- 
nego narz
du w stalej temperaturze + 4 
stopni Celsjusza. Dzi
ki wydzieleniu zbior- 
nikow na topniej
cy lod i nerk
, mozliwe 
jest swobodne wykonywanie zespolen zaro- 
wno zylnych jak i t
tniczych, niezaleznie od 
zaistnialych warunkow srodoperacyjnych. 
Dzi
ki zastosowanej metodzie elimina- 
cji czasu __drugiego cieplego niedokrwienia 
z uzyciemworka polietylenowego HDPE 
wlasnej konstrukcji, mozna spodziewac si
 
lepszej wczesnej funkcji nerki po przeszcze- 
pie; ograniczenia ilosci i skrocenia czasu 
wyst
powania ostrej niezapalnej niewydol- 
nosci nerek (A TN - Acute Tubular Nec- 
rosis ). 


Slowa kluczowe: czas drugiego cieplego nie- 
dokrwienia, przeszczep nerki, zbiornik po- 
lietylenowy, topniej
cy lod 


5 - Polimery w Medycyrne 3/2003 


Polimery w Medycynie 2003, T. XXXIII, Nr 3 


The modification of renal 
transplantation with the usage 
of own polyethylene receptacle 


ARTUR PUPKA, P A WEL CHUDOBA, DARIUSZ 
PATRZALEK, DARIUSZ JANCZAK, PIOTR SZYBER 


Department of Vascular, General 
and Transplantological Surgery 
Wroclaw University of Medicine 


Summary 
In this study a method of elimination of the 
second warm ischemia is shown. The met- 
hod is based on the application of a special- 
ly constructed polyethylene bag, in which 
the transplanted kidney is placed in the ti- 
me course from a removal from ice to the 
reconstruction of vessel flow. The bag is bu- 
ilt of polyethylene foil HDPE oflow density 
produced under high pressure. Own const- 
ruction of the bag (three spaces and polyet- 
hylene) enables the storage of a transplan- 
ted organ at the stable temperature +4 Cel- 
sius degrees. Thanks to the separation of 
containers for melting ice and for the kid- 
ney, possible becomes unrestrained perfor- 
mance of both venous and arterial anasto- 
mosis independently of existing operative 
conditions. 
Due to the applied method of the elimi- 
nation of the second warm ischemia with 
the usage of own construction of polyethy- 
lene bag HDPE, one can expect better early 
renal function after transplantation - dec- 
rease in the number of cases and shortening 
of the time of acute tubular necrosis (A TN 
- Acute Tubular Necrosis). 


Key words: second warm ischemia time, re- 
nal transplantation, polyethylene receptac- 
le, melting ice 



34 


ARTUR PUPKA I £NNI 


Przeszczepianie nerek jest uznanym sposobem le- 
czenia schylkowego stadium przewleklej niewydol- 
nosci nerek, daj
cym pacjentom wi
kszy komfort 
zycia niz przewlekla dializoterapia [1, 2]. Wyniki 
przeszczepiania nerek, zarowno wczesne jak i poi- 
ne, uzaleznione s
 od wielu czynnikow [3-7]. 
Czynniki wplywaj
ce na funkcj
 nerki po prze- 
szczepie mozna podzielic na zwi
zane z dawc
 na- 
rz
du, ze sposobem perfuzji i przechowywania na- 
rz
dow, z czasem niedokrwienia nerki, ze stanem 
klinicznym biorcy przeszczepu i z wyborem sposo- 
bu immunosupresji [3-7]. Istotnym czynnikiem 
wplywaj
cym na funkcjonowanie przeszczepionej 
nerki, jest czas i rodzaj jej niedokrwienia [3, 8, 9]. 
Najbardziej narazone na zmiany niedokrwienne s
 
komorki nablonkowe cewek nerkowych. Ich mart- 
wica po przeszczepie manifestuje si
 jako ostra, 
niezapalna niewydolnosc nerek (A TN - Acute 
Tubular Necrosis) [3, 4]. 
Czas cieplego niedokrwienia dzieli si
 na pier- 
wszy czas cieplego niedokrwienia, obejmuj
cy 
okres od zatrzymania kr
ienia dawcy do schlodze- 
nia pobieranych narz
dow plynem perfuzyjnym, 
oraz czas drugiego cieplego niedokrwienia. Czas 
ten mierzony od wyci
gni
cia nerki z lodu do czasu 
odtworzenia przeplywu krwi przez naczynia ner- 
kowe, jest zawsze zwi
zany ze wzrostem tempera- 
tury przeszczepianego i jednoczeSnie niedokrwio- 
nego narz
du. Niedokrwienie i wzrost temperatury 
s
 czynnikami uszkadzaj
cymi przeszczepiany na- 
rz
d, co w konsekwencji moze prowadzic do jego 
opoinionej funkcji (A TN) [3, 4, 8]. Ograniczenie 
wymienionych czynnikow do minimum, moze 
miec znacz
cy wplyw na popraw
 wczesnej funkcji 
przeszczepionej nerki [3, 8]. 


METODA 


W Klinice stosujemy wlasn
 metod
 eliminacji 
czasu drugiego cieplego niedokrwienia, przez za- 
stosowanie specjalnie skonstruowanego polietyle- 
nowego woreczka, w ktorym umieszczana jest 
przeszczepiana nerka, w czasie od wyci
gni
cia 
z lodu do odtworzenia przeplywu naczyniowego. 
W oreczek zbudowany jest z folii polietylenowej 
(-[CHz-CH2-]n-) 0 niskiej g
stosci, wytwarzanej 
pod wysokim cisnieniem (HDPE - High Density 
Polyethylene). Zastosowano foli
 polietylenow
 
o grubosci 0,04 mm. Foli
 ci
to w odpowiednie 
formy, a nast
pnie I
czono przy uzyciu specjalnej 
zgrzewarki typu SMS-350 (Super Magnet Sealer). 
Wytwarzano w ten sposob zbiornik polietylenowy 
zbudowany z trzech kompartmentow. W oreczki 


Renal transplantation is an accepted treatment of 
the endstage of chronic renal failure, giving the 
patients greater life comfort than prolonged dialy- 
sis [1, 2]. Renal transplantation results, both early 
and late are dependent on many factors [3-7]. 
Agents influencing renal function after transplan- 
tation can be divided into several groups associa- 
ted with: an organ donor, the mode of perfusion 
and organ storage, the time of renal ischemia, the 
clinical condition of a graft recipient, and the choi- 
ce of immunosuppression [3-7]. A significant fac- 
tor affecting transplanted kidney function is time 
and type of renal ischemia [3, 8, 9]. The most ex- 
posed to ischemic changes are epithelial cells of 
renal tubules. Their necrosis after transplantation 
manifests itself as an acute tubular necrosis (A TN) 
[3, 4]. 
The time of warm ischemia can be divided into 
the first time of warm ischemia comprising the pe- 
riod from the circulatory arrest of a donor to the 
cooling of the harvested organs with perfusion flu- 
id, and the time of the second warm ischemia. The 
latter is measured from the replacement of the kid- 
ney from ice to the time of the reconstruction of 
blood flow through renal vessels, and is always 
associated with the temperature rise of the trans- 
planted and ischemic organ. Ischemia and tempe- 
rature rise are factors damaging the transplanted 
organ, which as a result can lead to its delayed 
function (A TN) [3, 4, 8]. Minimizing of these fac- 
tors can significantly improve the early function of 
the transplanted kidney [3, 8]. 


METHOD 


In our Clinic we apply the own method of time 
elimination of the second warm ischemia through 
application of a specially constructed polyethylene 
bag, in which the transplanted kidney is placed 
from the time of its removal from ice to the recons- 
truction of vessel flow. The bag is built of polyet- 
hylene foil (-[CH2-CH2-]n-) of low density produ- 
ced under high pressure (HD PE - High Density 
Polyethylene). The applied foil was 0,04 mm thick. 
It was cut in appropriate forms and connected 
using a special sealer SMS-350 (Super Magnet Se- 
aler). As a result a polyethylene receptacle consis- 
ting of three compartments was formed. The bags 
were sterilized with the use of ethylene oxide, ta- 
king advantage of low temperature of this gas fun- 


t '::_


, :,.;- ,-.'", ' 



PRZESZCZEP J':ERKI; KIDNEY TRANSPLANTATION 


35 


sterylizowano za pomoc
 tlenku etylenu wykorzy- 
stuj
c nisk
 temperatur
 dzialania tego gazu, jego 
zdolnosci przenikania i wnikania w gl
b sterylizo- 
wanego tworzywa oraz zjawisko adsorpcji. Steryli- 
zacja trwa 6 godzin. Wysterylizowane zbiorniki po- 
lietylenowe poddawano degazacji w temperaturze 
pokojowej przez 7 dni. Konstrukcja woreczka umo- 
zliwia przetrzymywanie przeszczepianego narz
du 
w stalej temperaturze + 4 stopni Celsjusza, dzi
ki 
mozliwosci otoczenia narz
du roztworem soli fizjo- 
logicznej z topniej
cym lodem. Worek do przecho- 
wywania nerki, musi spelniac warunek schlodzenia 
nerki do okreslonej temperatury i oddzielenia prze- 
szczepianego narz
du od topniej
cego lodu oraz 
swobodne wykonywanie zespolen naczyniowych. 
Realizacja tych zalozen byla mozliwa dzi
ki wydzie- 
leniu w pojemniku trzech przestrzeni: dwoch sluz
- 
cych jako zbiorniki na topniej
cy lod otaczaj
cych 
trzeci, bez plynu, przeznaczony do przechowywania 
nerki na czas zespolen naczyniowych (rye. 1 i 2). 
Wydzielenie zbiornika na nerk
 umozliwialo 
wygodny dost
p do naczyn nerkowych (t
tnicy 
i zyly), dzi
ki wyci
ciu dwoch otworow w podsta- 
wie tego zbiornika. Dodatkowo gorne bieguny na- 
czyn przeszczepianej nerki byly zaznaczane szwa- 
mi naczyniowymi, w celu unikni
cia ich skr
cania 
w czasie wykonywania zespolen. Zbiorniki na top- 


fj.. 


.. . 


, 
I 


., 



 


'10 


'- 


Ryc. L Worek polietylenowy z topniejq,cym lodem i z nerkq, 
FIG. 1. Polyethylene receptacle with melting ice and with renal 


ctioning, as well as its capability of penetrating 
into sterilized material, and adsorption phenome- 
non. Sterilization lasted 6 hours. The sterilized po- 
lyethylene receptacles underwent degassing at ro- 
om temperature for 7 days. The bag construction 
allows for the storage of a transplanted organ at 
a stable temperature + 4 Celsius degrees due to 
opportunity of surrounding the organ with an iso- 
tonic salt solution with melting ice. The bag for 
kidney storing has to meet the requirements of co- 
oling a kidney to the defined temperature and se- 
parating the transplanted organ from the melting 
ice, as well as an unrestrained performance of the 
vessel anastomosis. Realization of these assump- 
tions was possible thanks to separating three spa- 
ces in the container: two serving as reservoirs for 
melting ice, surrounding the third, without liquid, 
assigned for storing the kidney during the time of 
vessel anastomosis (fig. 1 i 2). 
Separating a special renal container enabled 
convenient access to renal vessels (an artery and 
a vein) thanks to a cutting of two openings at the 
basis of this container. Additionally, upper poles of 
the vessels of the transplanted kidney were marked 
by vascular sutures to avoid their twisting during 
performance of the anastomosis. At the same time 
the reservoirs for melting ice remained untouched, 


N 


00 
00 
o 
00 
. 0 
-J'
O 


Ryc. 2. Schemat worka polietylenowego z topniejq,cym lodem 
i nerkq, (N - zbiornik z nerkq" L - zbiorniki z topniejq,cym 
lodem) - przekroj poprzeczny 
FIG. 2. Scheme of polyethylene receptacle with melting ice and 
with renal (N - the container with renal, L - two container 
with melting ice) - cross section 



36 


ARTUR PUPKA I INNI 


niej
cy lod pozostawaly w tym czasie nie naruszo- 
ne i dzi
ki temu mogly spelniac rol
 rezerwuaru 
chlodz
cego nerk
. Po odtworzeniu przeplywu 
krwi przez przeszczepian
 nerk
 worek z topniej
- 
cym lodem usuwano, umozliwiaj
c wykonanie dal- 
szych etapow transplantacji. 


OMOWIENIE 


Cieple niedokrwienie nerki przed jej wszczepieniem, 
jest czynnikiem szczegolnie niekorzystnie wplywaj
- 
cym na metabolizm i zasoby zwi
ow wysokoener- 
getycznych w komorkach przeszczepianego narz
du. 
Brak dost
pu tlenu do komorki, powoduje nasilenie 
przemian beztlenowych oraz gwaltowny spadek za- 
sobow zwi
kow wysokoenergetycznych. Wraz 
z wydluieniem czasu cieplego niedokrwienia pogar- 
sza si
 funkcja przeszczepianej nerki [3, 4, 8} Najlep- 
szym sposobem zabezpieczenia narz
dow przed 
uszkodzeniami powstaj
cymi w czasie cieplego nie- 
dokrwienia, jest obniZenie temperatury do 4 stopni 
Celsjusza, w ktorej zwolnieniu ulega proces metabo- 
lizmu tlenowego, a zapotrzebowanie na tlen spada 
do 5% w porownaniu do zapotrzebowania w tem- 
peraturze 37 stopni Celsjusza [3, 4, 8} 
Czas cieplego niedokrwienia obejmuje w praktyce 
tylko czas drugiego cieplego niedokrwienia. Pierwszy 
czas ciep1ego niedokrwienia wys
uje jedynie u daw- 
cow bez zachowanej akcji serca, kiedy do pobrania 
nar
dow przys
uje si
 dopiero po zatrzymaniu kr
- 
Zenia. Regul
 w procedurze pobierania narz
ow, 
a w tym tak:Ze nerek, jest pozyskiwanie organow do 
przeszczepu u dawcow z zachowan
 akcj
 serca [9, 10} 
W tej sytuacji pierwszy czas cieplego niedokrwienia ne- 
rek jest rowny zero, poniewaZ zimn
 perfuzj
 rozpoczy- 
na si
 jeszcze w czasie pracy serca [9, 10]. Dlatego tak 
istotny jest problem eliminacji lub skrocenia czasu dru- 
giego cieplego niedokrwienia, ktory jest rownoznaczny 
z czasem wykonania zespoleIi naczyri. nerki z naczynia- 
mi biodrowymi biorcy przeszczepu [3, 8} 
Eliminacja czasu cieplego niedokrwienia byla 
mozliwa, przez umieszczanie przeszczepianej nerki 
w woreczku .P'Olietylenowym HDPE wlasnej kon- 
strukcji. Dzi
ki zastosowaniu polietylenu HDPE 
o niskiej g
stosci wytwarzany zbiornik odznacza 
si
 duz
 mi
kkosci
, co ulatwia przechowywanie 
nerki w czasie transplantacji. W konstruowaniu 
worka wykorzystano odpornosc mechaniczn
 po- 
lietylenu oraz jego odpornosc na dzialanie czyn- 
nikow chemicznych i niskich temperatur. Dzi
ki 
wydzieleniu zbiornikow na topniej
cy lod i nerk
, 
mozliwe jest swobodne wykonywanie zespolen za- 
rowno zylnych jak i t
tniczych, niezaleznie od zais- 
tnialych warunkow srodoperacyjnych. Zbiornik na 
nerk
 pozbawiony jest plynu. Dzi
ki temu nie ma 


which enabled them to exert a cooling function for 
the kidney. After the reconstruction of the blood 
flow through the transplanted kidney, the bag with 
the melting ice was removed, thus allowing for the 
performance of the further stages of transplantation. 


DISCUSSION 


Warm renal ischemia before renal transplantation, 
is a factor affecting very unfavorably metabolism 
and high energy compound resources in cells of the 
transplanted organ. The lack of oxygen 'delivery to 
the cell results in the intensification of anaerobic 
reactions and a rapid decrease in high energy com- 
pounds concentration. Together with the lengthe- 
ning of the time of warm ischemia the function of 
the transplanted kidney deteriorates [3,4, 8]. The 
best way of protection of organs against delete- 
rious effects of warm ischemia, is lowering the tem- 
perature to 4 Celsius degrees. In such conditions 
oxygen metabolism slows down and oxygen demand 
decreases to 5% in comparison to the requirement at 
the temperature 37 Celsius degrees [3, 4, 8} 
Therefore, the time of warm ischemia compri- 
ses practically only the time of the second warm 
ischemia. The first time of warm ischemia is obser- 
ved only in non-heart beating donors, when organ 
harvesting is conducted only after circulatory ar- 
rest. However, the rule in organ harvesting proce- 
dure is taking organs for transplantation from do- 
nors with heart action [9, 10]. In such a situation 
the first time of warm renal ischemia is reduced to 
zero, because cold perfusion starts yet during heart 
work [9, 10]. For this reason, so important is the 
problem of elimination or shortening of the time of 
the second warm ischemia, which is equivalent to 
the time of performance of the anastomosis of graft 
vessels with iliac vessels of graft recipient [3, 8]. 
Elimination of the time of warm ischemia was 
possible, through the placement of the transplan- 
ted kidney in the polyethylene bag of our own con- 
struction. Kidney transplantation was possible al- 
so through the usage soft polyethylene HDPE. In 
the process of the bag construction mechanical re- 
sistance of polyethylene HDPE was used, as well 
as its resistance to chemical factors and low tem- 
peratures. Thanks to the separation of containers 
for melting ice and for the kidney, possible beco- 
mes unrestrained performance of both venous and 
arterial anastomosis independently of existing ope- 
rative conditions. Thanks the separation of contai- 
ner for kidney without liquid was eliminated of the 
diffusion of organic additives from polyethylene 



PRZESZCZEP NERKI; KIDNEY TRANSPLANTATION 


37 


mozliwoSci przenikania zwi
kow chemicznych ze 
sciany worka i ich ewentualnego dzialania na prze- 
szczepian
 nerk
 [11, 12]. Zastosowanie opisanej mo- 
dyfIkacji calkowitej eliminacji cieplego niedokrwienia, 
umozliwia precyzyjne wykonanie naczyniowego eta- 
pu transplantacji nerki, co ma rowniez korzystny 
wplyw na funkcjonowanie przeszczepionej nerki. 


WNIOSKI 


1. Dzi
ki zastosowanej metodzie eliminacji czasu 
drugiego cieplego niedokrwienia z uzyciem 
zbiornika polietylenowego HDPE, mozna spo- 
dziewac si
 lepszej wczesnej funkcji nerki po 
przeszczepie, ograniczenia ilosci i skrocenia cza- 
su wyst
powania ostrej niezapalnej niewydol- 
nosci nerek. 
2. Zastosowanie zbiornika polietylenowego HDPE 
celem chlodzenia nerki, eliminuje ograniczenia 
czasowe wykonywania zespolen naczyniowych. 


LITERATURA 


[1] ROWINSKI W.: History of organ transplanta- 
tion in Warsaw. A personal perspective. ANN 
Transplant (1996), 1, 5-8. 
[2] STARZL T. E.: The development of clinical re- 
nal transplantation. Am. J. Kidney Dis. (1990), 
6, 548-556. 
[3] SZYDLOWSKI Z., RYBAK Z., SKORA J., i in.: 
Wplyw czasu cieplego i zimnego niedokrwie- 
nia na okres bezmoczu u chorych po prze- 
szczepie nerki. Post. Med. Klin. Dosw. (1992), 
1, 23-29. 
[4] SZYDLOWSKI Z., RYBAK Z., SKORA J., i in.: 
Wplyw rodzaju perfuzji na czas bezmoczu 
oraz poziom kreatyniny u chorych po prze- 
szczepie nerki. Post. Med. KIm. Dosw. (1992), 
1, 15-22. 
[5] ALMOND P. S., GILLINGHAM K. J., SIBLEY R., et 
al.: Renal transplant function after ten years 
of cyc1ospC;rine. Transplantation (1992), 53, 
316-323. 
[6] BLUEMKE M., KELLER H., FISCHER J., et al.: 
Donor age is a risk factor in cadaver kidney 
transplantation. Transplant. Roc. (1992), 24, 
27-28. 
[7] BOHATYREWICZ R., NIKODEMSKI T., HERBOWSKI 
L., i in.: Pos
powanie anestezjologiczne w cza- 
sie operacji pobrania wielonarz
dowego. 
Anest. Inten. Ter. (1992), 24, 215-217. 


material into liquid and renal [11, 12]. The renal 
bag application of the described modification of 
the total elimination of warm ischemia allows for 
the precise performance of the vessel stage of renal 
transplantation, which exerts also a beneficial ef- 
fect on the graft function. 


CONCLUSIONS 


1. Due to the applied method of the elimination of 
the second warm ischemia with use of the poly- 
ethylene bag HDPE one, can expect better early 
renal function after transplantation - decrease 
in the number of cases and shortening of the 
time of acute tubular necrosis. 
2. Employment of the polyethylene bag HDPE 
with the purpose of kidney cooling eliminates 
time limitations of performance of the vessel 
anastomosis. 


[8] SZOSTEK M., L1\GIEWSKA B., PACHOLCZYK M., 
i in.: Chlodzenie nerki w czasie wykonywania 
zespolen naczyniowych zmniejsza ryzyko wys
- 
pienia A TN po przeszczepieniu. II Zjazd Pol. 
Tow. Transplant., Mi
dzyzdroje (1995), 129. 
[9] PATRZALEK D., HOUSSIN D.: Zasady i techni- 
ka pobrania wielonarz
dowego do celow 
transplantacji. Wiad. Lek. (1993), 46, 382-387. 
[10] PATRZALEK D., SKORA K., ZEMBALA M., i in.: 
Pobranie serca, w
troby i nerek dla celow 
transplantacji. Medycyna 2000 (1993), 4, 
40---43. 
[11] BROCCA D., ARVIN E., MOSBAEK H.: Identifi- 
cation of organic compounds migrating from 
polyethylene pipelines into drinking water. 
Water. Res. (2002), 36, 3675-3680. 
[12] SKJEVRAK 1, DUE A., GJERSTAD K. 0., et al.: 
Volatile organic components migrating from 
plastik pipes (HDPE, PEX and PVC) into dri- 
nking water. Water. Res. (2003), 37, 1912-1920. 


Adres autorow: 
Katedra i Klinika Chirurgii Naczyniowej, 
Ogolnej i Transplantacyjnej AM 
ul. Poniatowskiego 2, 
50-326 WrocIaw 
tel.jfax. (071) 322-32-12 
e-mail: apupka@chirn.am.wroc.pl 


. . . . . . . . 



7"'1 
-
.J 


,\ 


) 
.
 


, 


" 
'. 


.... 

! 


.
- 
,
 , 


1 
 



Effects of concentration 
boundary layers in a transport 
of electrolyte solutions through 
horizontal mounted polymeric 
membrane 


JOLANTA JASIK-SqJZAK, ANDRZEJ SLI
ZAK, 
JACEK W1\SIK 


Department of Biomedical Fundaments of 
Sport, 
Cz
stochowa University of Technology 


Summary 
The results of experiment of diffusive trans- 
membrane transport in a single-membrane 
osmotic-diffusive electrochemical cell were 
presented. In all experiments one of the ves- 
sels was filed with pure water, and the se- 
cond one - with aqueous potassium chlo- 
ride solution in aqueous ammonia solutions 
of constant concentration. The flux of po- 
tassium chloride was assigned according to 
the following measure procedure. In a first 
step we assigned the time dependence of po- 
tassium chloride flux in conditions of uni- 
form mechanically stirred solution with 
speed of 500 rpm. 
In a second step those characteristics 
were assigned in conditions of mechanically 
unstirred solution. Each experiment was 
made fOT two configurations of gravitatio- 
nal membrane system: (i) with the water in 
a vessel above the membrane and solution 
below it (configuration A) (ii) with the solu- 
tion in a vessel above the membrane and 
water below it (configuration B). Taking 
under the consideration the values of potas- 
sium chloride flux in steady state for diffe- 
rent solution concentration of the same 
substances and the same configurations of 
membrane system, the dependencies of po- 
tassium chloride flux from the solution con- 
centration differences were made approp- 


Polymers in Medicine 2003. T. XXXIII. Nr 3 


riately. On the base of those experiments 
the solute flux concentration boundary lay- 
ers effects GCBLE) were counted. Moreover 
it was shown that single-membrane osmo- 
tic-diffusive electrochemical cell has rectifier 
and amplyfying of diffusive flow features. 
The coefficients, appropriately, of asymmet- 
ry and amplification of diffusive flux are the 
measurements of those features. 


Efekty stfzeniowych warstw 
granicznych w biernym transporcie 
membranowym roztworow 
elektrolitow, przez poziomo 
ustawion
 membranf polimerow
 


Streszczenie 


Przedstawiono wyniki badan dyfuzyjnego 
transportu membranowego w jednomemb- 
ranowej osmotyczno-dyfuzyjnej komorce 
elektrochemicznej. We wszystkich ekspery- 
mentach jedno z naczyn wypelniano czyst
 
wod
, natomiast drugie - wodnym roz- 
tworem chlorku potasu lub roztworem 
chlorku potasu W wodnym roztworze amo- 
niaku 0 stalym st
zeniu. Wyznaczono stru- 
mien chlorku potasu wedlug nast
puj
cej 
procedury pomiarowej. W pierwszym eta- 
pie wyznaczono czasowe zaleznosci stru- 
mienia chlorku potasu, w warunkach row- 
nomiernego mieszania mechanicznego roz- 
tworow z pr
dkosci
 scinania 500 obr/min. 
W drugim etapie owe charakterystyki 
wyznaczano w warunkach braku mieszania 
mechanicznego roztworow. Kazdy ekspery- 
ment przeprowadzono dla dwoch konfigu- 
racji grawitacyjnych ukladu membranowe- 
go: (i) z wod
 w naczyniu nad membran
 
i z roztworem pod membran
 (konfiguracja 
A), (ii) z roztworem w naczyniu nad mem- 
bran
 i z wod
 pod membran
 (konfigura- 
cja B). Bior
c pod uwag
 wartosci strumie- 
nia chlorku potasu W stanie stacjonarnym, 
dla roznych st
zen roztworow, tych samych 
substancji oraz tych samych konfiguracji 
ukladu membranowego, sporz
dzono odpo- 



40 


JOLANTA JASIK-SL!i;ZAK ET AL. 


wiednio zaleznosci strumienia chlorku po- 
tasu od roznicy st
zen roztworow. Na pod- 
stawie owych zaleznosci obliczono strumie- 
niowy efekt st
zeniowych warstw granicz- 
nych GCBLE). Ponadto pokazano, ze jedno- 
membranowa osmotyczno-dyfuzyjna komor- 
ka elektrochemiczna posiada wlasciwosci 
prostownicze oraz wzmacniaj
ce przeply- 
wow dyfuzyjnych. Miar
 tych wlasciwosci 
s
 wspolczynniki odpowiednio asymetrii 
i wzmacniania strumienia dyfuzyjnego. 


Key words: membrane transport; effect of 
concentration boundary layer; Kedem-Kat- 
chalsky model-equations. 


Slowa kluczowe: transport membranowy, 
efekt st
zeniowych warstw granicznych, ro- 
wnania modelowe Kedem-Katchalsky'ego 


INTRODUCTION 


Living organisms in result of evolution process ha- 
ve adapted themselves to function in conditions of 
relative steady gravitational field [1]. In plants the 
gravitropic reactions depending on this, that the 
change of value or direction of gravitational force 
is shown in the growth direction, have appeared. 
In animals, different receptors for right orientation 
in gravitational field and antigravitational structu- 
res such as: skeleton, muscles or cardiovascular 
system have been created. Gravity determines also 
form, size and proportions of biological systems. 
The influence of gravitational field on diffusive 
transmembrane transport is shown in a form of 
different kind of gravieffects. From the literature 
we know, that gravieffects appear also in biological 
systems and in artificial electrochemical cells. In 
biological systems that influence is shown among 
others through changes: genetic [2], growth, divi- 
sion and differentiation ofthe cell [3-5], molecular 
organisation and morphological characteristic for 
a single cell and also for whole organisms [6-8]. It 
has been shown by many biological experiments 
leaded on the earth and also in conditions of simu- 
lated microgravity and natural microgravity con- 
ditions, during the long - term space flights [9]. 
The study objects have been bacterias, mushro- 
oms, algas, protozoa and mammals cells (human 
kidney cell, human erythrocytes, limphocytes, fib- 
roblasts and osteoblasts) and whole organisms [3, 
4, 9, 10]. The function of living organisms on the 


whole in micro gravity conditions is a very comp- 
licated problem. In result of evolution process, 
a human organism has created a lot of adaptations 
for living in the environment with earth gravity 
[1]. They are, among others: sense organs, atrium 
organs in inner ear, muscles and joints and also 
touch and push receptors [9, 11]. 
The gravitational field can influence on biolo- 
gical cells in immediate way [12]. Immediate in- 
fluence is realised by affecting the cell organelles 
and macromolecules as gravireceptors, and the in- 
termediate influence by provoking physicochemi- 
cal changes in cell environment [13]. It's been 
shown [12], that a cell isn't sensitive for gravitatio- 
nal impulse for at The time, but only in some pe- 
riods of the life. That kinds of 'gravity sensitive 
windows' when the action of the system may pro- 
voke different changes, can exist from the millise- 
conds to a few hours. The cause of this reaction of 
the organisms in the space conditions is the change 
of conditions, which the trasmembrane transport 
effects through the biological coats, appear in. The 
lack of sedimentation and convection in the state 
of weightlessness reflects in a gradient of food, oxy- 
gen and by-products. In connection with this in 
microgravity conditions on a board of contact cell 
- solution there can appear the changes of poten- 
tial and solution concentration favouring of crea- 
tion the boundary layers [13]. In connection with 
it in cells where the speed of taking the oxygen and 
food is bigger than the speed of diffusion, the meta- 
bolism can be distinctly violated. 
The interest of micro gravity conditions influen- 
ce on the biological systems function is connected 
with the crew space flights [9]. It's been shown, 
that long - term stay in the state of weightlessness 
influences for human organism behaviour also du- 
ring the flight and after it. That's why the gravita- 
tional biology and space medicine belong to the 
most dynamically developing science disciplines. 
However the studies lead in a space are very ex- 
pensive and accessible only for not many people. 
Some of those studies, specifically about the me- 
chanism of creating the concentrational boundary 
layers can be leaded in the earth conditions on 
model systems. For this we can use the artificial 
electrochemical membrane cells. 
How we know, the earth gravitational field is 
a modifying factor of transmembrane transport al- 
so in the artificial electrochemical membrane cells 
[14, 15-20]. In those cells in result of the diffusion 
and osmosis on the two sides of membrane divi- 
ding two unstirred solutions there are always some 
concentrational boundary layers, the areas of solu- 
tion adjoining to the surface of membrane and pos- 



POLYMERIC MEMBRANE; MEMBRANY POLIMEROWE 


41 


sessing pseudomembrane features [21]. The liqu- 
id in area of boundary layers doesn't change the 
position and it is next to the area of laminar move- 
ment, where the natural convection doesn't make 
the real solution stirring [22]. The thickness of this 
layer depends, among others, on: the kind ofmem- 
brane and used solutions, convectional stirring, 
which reason is a gradient of density (made by 
changes of temperature and/or concentration) the 
speed of mechanical solution stirring and geometry 
and orientation of a membrane together with 
a measuring chamber containing the solution in 
relation of gravity vector. We should point that the 
increase of stirring solution speed causes reducing 
of thickness of this layer, however even the speed 
coagulation has the high value, the total elimination 
of boundary layers doesn't happen. The consequen- 
ce of creating those layers is prominent reduction of 
transmembrane transport and immediately watched 
results of creating the concentrational boundary la- 
yers in different configurations of single-membrane 
osmotic-diffusive electrochemical cell are: curving 
interferential stripes in by membrane areas on 
Mach-Zender interferograms [15, 23, 24], decrea- 
sing of volume and solute fluxes value [15, 16] and 
diffusive membrane potential [17]. The measure of 
influence of gravitational field on the passive trans- 
membrane transport are effects: graviosmotic (flux 


N 


u 


M 


'- 
0-, 


D 


and pressure), gravidiffusive (flux and pressure), 
gravielectric (voltage and current) [18]. 
The purpose of the work was the determina- 
tion of influence gravitational force on the passive 
diffusive transport of electrolyte solutions on mo- 
del membrane. To realise the main purpose of the 
work the studies of the transport of binary and 
ternary electrolyte solutions have been made. The 
experimental material was a flat, symmetric mem- 
brane made of cellulose acetate so called N ephrop- 
hane used in hemodialyzer and solution of aqueous 
potassium chloride, aqueous ammonia and potas- 
sium chloride solution in aqueous ammonia solu- 
tion of constant concentration and ammonia solu- 
tion in aqueous potassium chloride of constant con- 
centration. 


2. MATERIAL AND METHODS 


Studies of transmembrane transport were carried 
out by means of the measuring apparatus shown in 
Figure 1. The set was composed of two' cylindrical 
vessels U and D, each with volume of 200 cm 3 , 
divided with a membrane with 3.36 cm 2 of availab- 
le area. Volume osmotic fluxes were measured with 
a calibrated pipette K (with accuracy 0.5 mm 3 ) 
connected with U vessel. D vessel was connected 


r L.JL
;;/ 


K 


1,1111111 



z 


5 


<:::J z 


I 
r I I 


FIG.!. The single-membrane measuring system (M - the membrane; U, D - the measuring vessels; N - the external reservoir; 
K - the calibrated pipette; s - the mechanical stirrers; r - the magnets) 
Ryc. L Jednomembranowy uklad pomiarowy (M - membrana; U, D - naczynia pomiarowe; N - zewn
trzny rezerwuar; K - wy- 
kalibrowana pipeta; s - mieszadla mechaniczne; r - magnesy) 


6 - Polimery w Medycynic 3/2003 



42 


JOLANTA JASlK-SL
ZAK ET AL. 


with the solution reservoir with a regular height of 
setting to a pipette K. It enabled the compensation 
of hydrostatic pressure appearing in a measuring 
apparatus. Moreover each of the vessels had the 
mechanical stirrers with the regulated speed of stir- 
ring (from 25 to 1500 rpm). In all experiments 
D vessel contained pure water, and U vessel - the 
solution. Volume osmotic fluxes flowed from D to 
U and solute fluxes - in opposite direction from 
U to D. In this measuring set, the solute fluxes 
were studied according to the method described in 
works [20). 
The measure of solute flows is solute flux (J
). 
Its value can be counted with the equation 
Ji _ ( 'Vc dC ) (1) 
s - S dt J
=O 
where 'Vc - volume of measuring vessel D, dC 
- increment of average concentration in vessel D, 
in that one, where was the pure water in first, in 
time dt, S - the surface area of membrane, J
 
- volume osmotic flow; index i = A, B - pertain 
recpectively to configurations A and B of measu- 
ring system. Increment dC was appointed with 
a method of isotope markers. The procedure of 
appointing dC was following: for times t 1 , t z , t 3 , 
. .. - the average solution concentration were de- 
terminated in partition D, until receiving the stea- 
dy state, getting values C b C z , C 3 , '" Next we 
counted increments dCl> dCz, dC 3 , ... in time dtl> 
dt z , dt 3 , ... Taking under consideration increment 
dC x in steady state, we counted dC as arithmetic 
average of concentration increments in steady sta- 
te. Solution concentration responded to the activi- 
ty measured with scintillation counter. 
Each experiment was leaded for gravitational 
configuration A and B of single-membrane osmo- 
tic-diffusive electrochemical cell. In configuration 
A, water was in a vessel over a membrane and 
solution below it. In configuration B water and 
solution were situated opposite. 
The studies of diffusive fluxes, which measure is 
flux J
, in both gravitational configurations of sin- 
gle-membrane osmotic-diffusive electrochemical 
cell were performed according to the following 
procedure. In first step the characteristic J
 (t) was 
appointed in conditions of uniform mechanical 
stirring of solutions with the speed of 500 rpm. In 
second step those characteristics were appointed in 
conditions of unstirred solutions. Each measuring 
series was repeated 3-5 times. Taking under conside- 
rations values of J
(t) in a steady state for different 
solution concentrations of the same substances and 
the same configurations of membrane system, we 
made appropriate dependencies and J
(L1C). Studies 


were carried at steady temperature T= (295::t0.5) 
K. A relative error made by appointing J
 wasn't 
bigger than 5%. 
In studies we used flat, symmetric and porous 
membrane made of cellulose acetate used in hemo- 
dialyser. Its thickness in aqueous state was 200 Jim. 
The value of the parameters this membrane: hyd- 
raulic permeability (L p ), reflection (a) and diffusive 
permeability (w) coefficients for aqueous solutions 
of potassium chloride and/or ammonia are shown 
in table 1. From this table we can see, that Neph- 
TOphane membrane is selective also for potassium 
chloride and ammonia (0 
 as 
 1, 0 
 a
 
 1), 
but it transmits better the water elements (big value 
of Lp coefficient) than solute elements (big value 
of w coefficient and low value of a coefficient). 


TABLE 1. The values of transport parameters for 
membrane N ephrophane and aqueous solutions of 
potassium chloride 
TABELA 1. Wartosci parametrow transportowych 
dla membrany Nephrophane i wodnych roztworow 
chlorku potasu 


Coefficient 


Values of membrane 
coefficients 


Configu- 
ration A 


Configu- 
ration B 


Lp .10 12 [m 3 . N- 1 . S-I] 
a 1 . lO z 
a
 . 10 3 
WI -10 9 [mol- N- 1 .s- 1 ] 
Qi l - 10 9 [mol- N- 1 - S-I] 


5.0::t 0.2 
4.0::t0.l 
0.50::t 0.01 
2.5::t0.l 
0.03 ::t 0.0 1 


5.0::t 0.20 
4.0::t 0.2 
9.6::t0.l 
2.5 ::t 0.1 
0.6::t 0.2 


3_ RESULTS 


3.1. Temporal dependencies of solute flux 


In Figure 2 we showed the characteristic of J
 (t) in 
configurations A and B of the membrane system 
for 0.1 mol, 1- 1 of aqueous potassium chloride. 
The plot 1, common for both configurations illust- 
rating the studies results received in conditions of 
uniform mechanical stirring with speed of 500 rpm, 
show that J
 takes the steady state independent 
from the configuration of membrane system. It me- 
ans that in this case the gravitational force has the 
same influence for the solute transport. After tur- 
ning off in time t = 0 mechanical stirring of solu- 
tions both in configurations A and B, the value of 
flux J
 decreases and after about 10 minute rea- 
ches value J1, constant in configurations A and 



POLYMERIC MEMBRANE; MEMBRANY POLIMEROWE 


43 


4.00 


1 


6.00 



 
";"cn 
N' 
'E 4.00 
"0 
oS 
"'0 
..- 
-
 
-:I 
200 


0.00 


0.00 


0-25 


0.5 


t[h] 


FIG. 2. Evolution of the solute flux from J
 to J1 and Jf in 
configuration A and B after turning off the mechanical stirrers 
Ryc. 2. Ewolucja strumienia solutu od J
 do J1 oraz 
Jf w konfiguracjach A i B po wylq,czeniu mieszania mechanicz- 
nego 


B little bit bigger than zero (see Figure lA). In 
configuration B flux Jf reaches the steady state 
after about 10 min. And in steady state is two ti- 
mes lower than flux J
 (see Figure IB). 


3.2. Concentrational dependencies of solute 
flux 


Concentrational dependencies of solute flux (JD 
for unstirring binary solutions (aqueous solute of 
potassium chloride or ammonia) and ternary (aqu- 
eous solute of potassium chloride and ammonia) 
for configurations A and B membrane system are 
shown in Figures 3 and 4. 
In Figure 3 we showed dependencies of solute 
flux (JD from differences of potassium chloride con- 
centration (LlC 1 ) with settled differences of am- 
monia concentration (LlC z ). Index i = A, B re- 
sponds appropriately to configurations A and 
B membrane system. The plots lA and IB were 
received for LI C z = 0 mol, 1- 1, and the diagrams 
2A and 2B - for LI C z = 0.25 mol .1- 1 and plots 
3A and 3B for LlC z = 0.5 mol'l- l . From this figu- 
re it results, that like in case of flux J
, for binary 
solutions, Ji is a linear dependence LlC 1 and that 
in configuration B values of flux Ji are bigger than 
in configuration A. The values of flux Ji are also 
bigger when the solution of bigger density is above 
the membrane and water below it. It is similar for 
ternary solutions that are: potassium chloride so- 
lution in 0.25 mol, 1- 1 aqueous ammonia solution 


3.00 
";"cn 
.... 
'E 
(5 
oS 200 
... 
0 
...... 
<- 
..... 
1.00 


";"cn 
".'e: 6.00 
(5 
oS 
"'0 
..... 4.00 


1><- 
..... 


0.00 


0.3:> 


8.00 


200 


0.00 


0.00 


0.10 


FIG. 3. Experimental solute flux (Ji, i = A, B) across a single- 
membrane osmotic-diffusive cell as a function of the potassium 
chloride difference (LlC 1 ) for configuration A (upper) and B (lo- 
wer): plot 1 - no ammonia, plot 2 - LlC 2 = 0.25 mol.\-1 and 
plot 3 - LlC 2 = 0.5 mol.I- 1 ammonia. The plots 1, 2 and 
3 were obtained without any mechanical stirring 
Ryc. 3. Doswiadczalny strumieli solutu (Ji, i = A, B) przez je- 
dnomembranowq, komork v osmotyczno-dyfuzyjnq, w funkcji 
roznicy st
zen chlorku potasu (LlC 1 ) dla konfiguracji A (gorny) 
i B (dolny): wykres 1 
 bez amoniaku, wykres 2 - LlC 2 = 0.25 
mol.I- 1 i wykres 3 - LlC 2 = 0.5 mol'I- 1 amoniaku. Wykresy 
1, 2 i 3 otrzymano bez mieszania mechanicznego roztworow 


(plots 2A and 2B) and potassium chloride solution 
in 0.5 mol .1- 1 aqueous ammonia solution (plots 
3A and 3B). From courses of the curves 2A and 3A 
it results that flux Ji reaches maximums at coor- 
dinates J1 = 2.5.10- 5 mol. m - Zs -1 (for a curve 
2A) and 11 = 4.10- 5 mol'm- ZS-l and LlC 1 = 0,1 
mol.I- 1 (for a curve 3A). For LlC 1 > 0.1 mol.l- 1 
in case of a curve 2A and LlC 1 > 0.2 mol.l- 1 in 



44 


JOLANTA JASIK-SLJ:;ZAK ET AL. 


4. DISCUSSION 


case of curve 3A flux J1 is a linearly dependence 
LlC 1 and it doesn't depend on value LlC z . In this 
case the density of ternary solutions, appearing 
under the membrane is lower than the density of 
water which is above it. And from courses of cur- 
ves 2B and 3B it results that for LlC 1 < 0.07 
mol.l- 1 (for a curve 2B) and LlC 1 < 0.14 mol.l- 1 
(for a curve 3B) value of flux, in a small degree, 
depends on the concentration. In this case the den- 
sity of ternary solutions appearing above the mem- 
brane is bigger than the density of the water below. 
For LlC 1 > 0.12 mol.l- 1 (for a curve 2B) and 
LI C 1 > 0.22 mol.I- 1 (for a curve 3B) the flux J
 is 
lineary dependence LlC 1 at the same tangent of 
inclination angle like a plot IB and the bigger va- 
lue of LlC z , the lower value of Jf. 


=] 


'(1) 
':'E 
(5 
oS 

o 
- 


12.00 


..-, 8.00 


4.00 


0.00 


0.00 0.10 0.20 0.30 
!lC , [molT'] 
FIG. 4. Experimental solute flux (.tl) across a single-membrane 
osmotic-diffusive cell as a function of the potassium chloride 
difference (LlC , ) obtained under stirring conditions by mechani- 
cal means: plot 1 - no ammonia, plot 2 - LI C 2 = 0.25 
mol, 1-1 and plot 3 - LlC 2 = 0.5 mol, 1-1 ammonia 
Ryc. 4. Doswiadczalny strumien solutu (
 przez jednomem- 
branowq, komork
 osmotyczno-dyfuzyjnq, w funkcji roznicy st
- 
zen chlorku potasu (LlC , ), otrzymany w warunkach braku mie- 
szania mechanicznego roztworow: wykres 1 - bez amoniaku, 
wykres 2 - Lle-£= 0.25 mol-l- 1 i wykres 3 - LlC 2 = 0.5 
mol, 1-1 amoniaku' 


In Figure 4 we showed, like in Figure 3, depen- 
dencies J
 (LlC 1 ), but measurements J
 were lea- 
ded in conditions of intensive mechanical stirring 
of the solutions. In this case all the dependencies, 
shown in those pictures are lineary ones and the 
flux J
 doesn't belong for gravitational membrane 
system configuration. Moreover the value of flux 
J
 increases linear with the increase of LI C 1 and it 
doesn't depend on value LlC z . 


Let's consider configurations A and B of single- 
membrane osmotic-diffusive electrochemical cell 
shown in Figure 5, in which membrane is mounted 
horizontally. In this system symmetric and elect- 
rical neutral membrane (M) divides two the same 
and big enough volumes of dilute solutions of elec- 
trolytic substances which the chemical reactions 
don't occur. Let's assume that process of transme- 
mbrane transport is isothermal. The transporting 
features of membrane are characterised by coeffi- 
cients: hydraulic permeability (L p ), reflection (a) 
and diffusive permeability (w). In start moment the 
solutions are homogenous and their concentra- 
tions are: C: and C
, where C
 > C: _ After the 
time t > 0 in result of diffusion and osmosis in 
both sides of each membranes, the concentration 
boundary layers (CBL) are starting to form them- 
selves. The transporting features of complex 
CBL/M/CBL are characterised by a
 oraz .Q
 coef- 
ficients. 
In a base of interferometrical studies [23, 24] 
we can draw concentration profiles for two con- 
figurations of single-membrane osmotic-diffusive 
electrochemical cell. Let's us consider concentra- 
tion profiles shown schematically in Figure 5. Two 
of them (A 1 and Bz) pertain to situation when the 
solution at lower density is over a membrane and 
at bigger density - below a membrane. The last 
two profiles (Az and B 1 ) pertain to situation when 
the solution at lower density is below a membrane 
and at bigger density - over a membrane. Let's 
assume for the simplification considerations, that 
concentrations of C
 and C: are steady. If the den- 
sity of the solution is in a direct proportion to 
concentration then concentration profiles Al and 
Bl are possible. We can meet this situation, e.g. in 
case of aqueous solution of glucose, sacharose, 
KCl and/or NaC!. But if the density of solution is 
inversely proportional to concentration then con- 
centration profiles Az and Bz are possible. With 
this situation we can meet in case of aqueous solu- 
tion primary alcohols (ethanol, methanol) and am- 
monia. In multicomponent solutions (e.g. ternary) 
if the concentration of component decreasing the 
density of solution is constant, then increasing of 
concentration of component increasing the density 
makes that density of solution below the memb- 
rane in configuration A can be lower, equal or 
bigger than the density of the solution below the 
membrane. If the density of the solution over the 
membrane is lower than density of the solution 
below the membrane then the concentration profi- 
le is Al or Bz type. But if the density of the solu- 



POLYMERIC MEMBRANE; MEMBRANY POLIMEROWE 


45 


Configuration A 


c
 (JJ
 


(Qs)
 


(I0
 


(ll)
 


M 


(J,)
 


Al 


(JJ
 


M 
(l0
 L_____ 


(J,)
 



 


(J,)
 


Configuration B 


(Jv)
 


BI 


(lJ
 
M 


(Q.)
 


(ll)
 


(Jv)
 


Bz 


FIG. 5. Graphic illustration configurations A and B of the single-membrane osmotic-diffusive cell and concentration profiles Alo A 2 , 
B 1 and B 2 (stable Al and B 2 and unstable A 2 and B 1 ). (M - membrane; d - thickness of the membrane; (1 1 )1, (lh)1, (l1)1, (lh)l, (l1)
' 
(lhW, (l1)
' (lh)
 - boundary layers; (<5 1 )1,(<5 h )1, (<5 1 )1. (<5,,)1. (<51)
' (<5h)
, (<51)
' (<<5h)
 - thickness ofthe boundary layers; C:, C
 - global 
solutions concentration; (C:)1, (C
)1, (C:)1, (C
)1, (C:)
, (C
)
, (C:)
, (C
)
 - local solutions concentration on boundaries membrane- 
boundary layers; (J v )1, (J v )1, (Jv)
, (Jv)
 - volume fluxes; (J.)1, (J.)l, (JJ
, (J$ - solute fluxes; - (Q.)1, (Q.)1, (Q.)
, (Q.)
 - diffusive 
permeability coefficients of the complex: boundary layer/membraneJboundary layer) 


Ryc. 5. Graficzna ilustracja konfiguracji A i B jednomembranowej komorki osmotyczno-dyfuzyjnej i profili st
zeniowych At. A 2 , 
B 1 oraz B 2 (stabilne Al i B 2 oraz niestabilne A 2 i B 1 ). (M - membrana; d - grubosc membrany; (11)1, (lh)1, (11)1, (lh)1, (ll)
' (lh)
' (ld
, 
(lh)
 - warstwy graniczne; (<<5 1 )1,(<<5 h )1, (<5 1 )1, (<5 h )1. (<<5 1 W, (<<5h)
' (<<51)
' (<<5h)
 - grubosci warstw granicznych; C:, C
 - globalne stezenia 
roztworow; (C:)l, (C
)l, (C:)l, (C
)1, (C:)
, (C
)t (C:)
, (C
)
 - lokalne st
zenia roztworow na styku membrana-warstwy graniczne; 
(J v )1, (J v )1, (JV>
, (Jv)
 - strumienie objetosciowe; (J.)1, (J.)l, (J.)
, (J.)
 - strumienie solutu; (Q.)l, (Q.)1, (QJ
, (Q.)
 - wspolczynniki 
przepuszczalnosci dyfuzyjnej kompleksu: warstwa graniczna/membrana/warstwa graniczna) 


tion over the membrane is bigger than density of 
the solution below the membrane then the concen- 
tration profile is Az or BI type. 
In configurations Az and BI the process of for- 
ming those layers is ended in while when the 
osmotic - diffusive cell reaches the steady state 
and the processes of natural convection appear 
themselves. The thickness oflayers (l1h, (l:h, (lfh, 
(lfh is constant and equal appropriately (c5 1 )1, 
(c5 h )l, (c5 I )f, (c5 h )f, because the increase of thickness 
is limited by natural convection. In connection 
with this, the concentration on a board membrane 
- solution increases from value C; to value (C;)1 
(in configuration Az) or to value C;)f (in configu- 
ration B I ), and concentration C
 decreases to value 
(C
)1 (in configuration Az) or to value (C
)f (in 


configuration B I ) (s = 1, 2), while (C;)1 > (C;)f, 
(C
)1 < (C
)f, (C:)1 < (C:)
 and (C
)1 > (C
ft. The 
value of volume flux in configuration Az is (J v)1, 
and solute flux - (Js)1. In configuration BI the 
value of volume flux is (J v)f, and solute flux 
- (Js)f. In configurations Al and Bz in connection 
with lack of natural concentration in available mem- 
brane area, exactly the process of forming the 
concentrational boundary layers ends in termodi- 
namical equilibrium state, because the thickness of 
those layers still increase. It's justified with rever- 
sed gradient of solution concentrations. However, 
according to Pedley or Nernst criterion [22], if in 
steady state the value of concentration on a board 
membrane - solution takes values (C;)1 and (C
)1 
(in configuration AI) and (C:)
 and (C
)
 (in con- 



46 


JOLANTA JASIK-SL
ZAK ET AL. 


figuration B 2 ), while (C!)1 > C!, (C
)1 < C
, 
(C!)
 > C! and (C
)
 < C
, then the thickness of 
layers O1h, (l:h, (If)z, (lfh reaches values (15 1 )1, 
(b h )1, (b 1 fz and (bh)
' The value of the volume flux 
in configuration A 1 is (J v )1 and solute flux - (J s )1- 
In configuration B 2 the value of volume flux is 
(J v)
, and solute flux (J s)
. 
The diffusive permeability coefficient of comp- 
lex boundary layer/membranefboundary layer 
(It/M/l h ) we mark appropriately (Os)1, (in configu- 
ration Ad, (Os)1 (in configuration A 2 ), (Os)f (in co- 
nfiguration B 1 ) and (Os)
 (in configuration B 2 ). For 
binary solutions the value of the coefficient de- 
pends only on single-membrane osmotic-diffusive 
electrochemical cell configurations, and in steady 
configurations (AI and B I ) is lower than value of 
this coefficient in unsteady configurations (A 2 and 
B 1). If the solutions are mechanically stirred well, 
then (C!); = (C!)
 = C!, (C
)i = (C
)
 = C
, (J v ); = 
(Jv)
 = J
, (Js); = (Js)
 = J
, (15 1 ); = (b1)
 = (bh)l = 
(bh)
 
 0 and (0..); = (Os)
 = OJ s (i = A, B). In stea- 
dy state there are fulfilled conditions: J
 = cons!., 
(J
)
 = cons!., J
 = cons!. oraz J
 = const. The thic- 
kness of concentrational boundary layers can be 
appointed interferomaticaly [23]. 
The primary way of description of transmemb- 
rane transport processes, coming from unbalance 
of thermodynamic of inversible process is Kedem- 
Katchalsky model-equations [25]. In case of dif- 
fusive membrane transport of ternary electrolytes 
solutions it can be expressed as: 
2 
J
 = L OJks(sLlllk+J
(1-as)Cs (2) 
k=1 
where J
 and J
 - solute and volume fluxes for 
homogenous solutions, OJks - diffusive permeability 
coefficient for s-th substance, which comes through 
the membrane thanks to the difference of osmotic 
pressures involved with a gradient of k-th substance 
(OJks=OJskCs'Ci:1, s=1,2,...,n;s#.k), (n+l), 
the component is a solvent, for which 0'''+1 = 0, 
's - Van HQff coefficient (1 
 's 
 2, for non-elect- 
rolytes solutIons (s = 1), Lllls = RT(C
-C!) - 
difference of osmotic pressures, R T - product of 
gas constant and termodynamical temperature, 
C s = (C
-C;)[ln(C
/C!)]-1 
 0,5(C
+C
) - ave- 
rage concentration solution, as - membrane re- 
flection coefficient. 
This model is for case where: membrane divi- 
des two ternary solutions completed with two mu- 
tual independed solute in solvent 'w'. The concent- 
ration of those substances amount cl, C
 and ct 
C1, where C
 > ct and C1 > C!. Membrane is se- 
lective, homogeneous and electro-neutral and it 
has the finite thickness. Solutions are diluted and 


homogeneous, it means, that the gradient of che- 
mical potential is only in membrane. There is no 
chemical reactions occur in the solutions and mem- 
brane transport processes are isothermal. 
For the purpose of assuring the homogeneous 
of solutions we should apply mechanical stirring of 
solutions, driven with the right selected speed. If 
the solutions are unstirred, then in both sides of 
membrane the are concentrational boundary lay- 
ers created, that is - the areas of liquid contigu- 
ous to membrane surface possessed the pseudomem- 
brane properties, making with a membrane 
a schedule system. The consequence of their exis- 
tencion is considerable reduction of .membrane 
transport. The mechanism of creating the concent- 
rational boundary layers was discussed in previous 
chamber. The above awareness let us modify the 
Kedem-Katchalsky model-equations [20]. The 
modified Kedem-Katchalsky model-equations for 
ternary electrolyte solutions can be written as: 


2 
J
 = L O
s'sLlllk+J
(l-a
) C
 (3) 
k=1 
where J
 and J
 - solute and volume fluxes for 
heterogeneous solutions O
s - diffusive permeabi- 
lity coefficient of complex (l1/M/1h) for s-th substa- 
nces, which goes through the membrane thanks to 
the difference of osmotic pressures connected with 
a gradient of k-th substances (O
s = O
k C s . Ci: 1, 
S = 1, 2, ..., n; s #. k), a
 - a complex (l1/M/1h) 
reflection coefficient, C
 = [(C
)
-(C!)n {In [(C
)U 
(C!)U -1 
 0,5 [(C
)
+(C
)D - an average solu- 
tion concentration. 
The definitions of phenomenological membra- 
ne coefficients (L p , as, a;, OJks, O
s) for ternary so- 
lutions were given in our previous paper [20]. 
From the experimental studies it results, that valu- 
es of coefficient a
 and O
k for and for binary elect- 
rolyte solutions depend only on configuration of 
membrane system [14, 19], however for ternary 
solutions - also on configuration of membrane 
system and on solution concentration [14, 19]. Be- 
tween the coefficients O
s and OJks there is a right 
relation [26]: 
(1-S i )4 _ (RT)3 (S
s)3 ( OJ ks)3 (Rd
 
ks - 9 (D
s)2 (
- p!) 
x [(v! p!)+(v
 A')1/4 J (4) 
where S
s ::::;:: O
s(OJks)- \ O
s - diffusive permeabi- 
lity coefficient of complex: membrane-boundary 
layers, OJks - diffusive permeability coefficient of 
membrane, Dfs - the coefficient of substance dif- 
fusion in a solution, RT - the product of gas con- 



POLYMERIC MEMBRANE; MEMBRANY POLIMEROWE 


47 
1.00 
0.00 
";"UI 
Z 
0 0.60 
oS 
"'0 

 
<'::: 0.40 
C 
0.20 
0.00 
0.00 0.10 0.20 O.:KI 
0.60 


stant and thermodynamical temperature, v
 and v: 
- kinematics viscosity of solutions and solvent, 
respectively; rJ; and p: - density of solution and 
solvent respectively, R
 - critical value of the con- 
centration Rayleigh number, g - gravitational ac- 
celeration; i = A, B. Q
s means that diffusive per- 
meability coefficient depends on the solute concen- 
tration. 
The measure of the gravitational field influence 
on a passive transmembrane transport of solute is 
solute flux concentration boundary effect (jCBLE)
, 
defined with help of formula 
(jCBLE)
 = J
-J
 (6) 


Considering in above sentence, equations (2) and 
(3) we've got: 


z 
(jCBLE)
 = L [OJks-Q
s(Cs)] (kLlllk 
s*k= 1 


+Jv(l-as)Cs-J
(l-a
)C
 (7) 
The above equation is a termodynamical model of 
solute flux concentration boundary effect. 


4.1. Concentration dependencies of 
coefficient Qi 1 for ternary solutions 


In Figure 6 we showed the dependence of QL coef- 
ficients (i = A, B) from the differences of potassium 
chloride concentration (LI C 1) with the settled dif- 
ference of ammonia concentration (LlC z ) for con- 
figuration A (upper picture) and B (downer pictu- 
re). The plots 1A and 1B were received for 
LI C z = 0.25 mol, 1-1 but the plots 2A and 2B were 
received for LI C z = 0.5 mol, 1- 1. From plots lA 
and 1B showed in the figure we can see, that the 
value of Q11 coefficient first increases from the va- 
lue of Q11 = 0.78 '10- 9 mol, N- 1 s- 1 to Q11 = 
0.9'10- 9 mol'N- 1 s- 1 (for a curve 1A) or to 
Q11 = 0.85.10- 9 mol, N- 1 s- 1 (for a curve 2A), 
and then it, _ decreases nonmonotonically to 
Q11 = 0.03 '10":"'9 mol, N- 1 s- 1 independely from 
LlCC 1 , and also LlC z (in case of 1A for LlC I 
 0.1 
mol. 1-1 and 2A - for LlC I 
 (0.2 mol. 1-1. And 
from the plots IB and 2B showed in this figure we 
C!in see, that the value of coefficient Dfl first is 
constant and it is Q
1 = 0.03'10- 9 mol. N- 1 s-1, 
and then from LlC I = 0.0375 mol .1- 1 for a curve 
IB and from LlC I = 0.125 mol. 1-1 for a curve 2B 
it increases unmonotonically to Q
1 = 0.56'10- 10 
mol. N- 1 s- 1 (for curve IB) and to Dfl = 0.54'10- 9 
mol'N- 1 s- 1 (for curve 2B). For LlC I 
 0.15 
mol '1- 1 in case of curve 1B and for LlC I 
 0.2125 


";"UI 0.40 
Z 
0 
oS 
.. 
0 

 ::: 
C 020 


0.00 


0.00 


I 
0.10 


I 
0.20 


I 
O.:KI 
L'.c1!moIT'] 


FIG. 6. Potassium chloride concentration dependencies of 
Qil in 0.25 mol-l- 1 (plots lA and lB) and in L1C 2 = 0.5 
mol, 1-1 (plots 2A and 2B) aqueous ammonia solutions for con- 
figuration A (plots lA and 2A) and in configuration B (graphs 
lB and 2B) 


Ryc. 6. ZaleZnosci od st
zenia chlorku potasu Qil w 0.25 
mol -1- 1 (wykresy lA i lB) oraz w L1 C 2 = 0.5 mol, 1-1 (wykresy 
2A i 2B) wodnym roztworze amoniaku dla konfiguracji A (wy- 
kresy lA i 2A) oraz dla konfiguracji B (wykresy lB i 2B) 


mol, 1- 1, has the constant value independed form 
LlC I . For LlC z = 0.25 mol ,1-1, the value of .Q
l is 
bigger than for LlC z = 0.5 mol. ]-1. 


4.2. Asymmetry of solute flux 


The results of studies of Ji flux in single-memb- 
rane osmotic-diffusive electrochemical cell show 
that their values received for the same value of 
LlC I are different in configurations A and B. It 



48 


JOLANTA JASIK-SLI:;ZAK ET AL. 


means, that single-membrane osmotic-diffusive ele- 
ctrochemical cell has got the asymmetry facilities 
of solute flux. The measure of that is the asymmet- 
ry of solute flux coefficient (k 1 ) showed as: 
k - Jf _ Dfd C 1 )RT(1 +J:(1-uf)Cf (8) 
1 - '.11- Qfd C 1 )RT(1 +J:(1-u1)C1 
Taking the condition that J
 = J: 
 0, we can 
write above equation in form: 
k _ nfl (C 1 ) 
1 - n11 (C 1 ) 


(9) 


The results of counting the k 1 coefficient for binary 
solutions is illustrated in plot 1, and for ternary 
solution - plots 2 and 3 showed in Figure 7. 
From the plot I it results, that for binary solutions, 
k 1 coefficient is independed on solution concent- 
ration and on aqueous potassium chloride solu- 
tions its value is k 1 = 20. For ternary solutions the 
value of this coefficient is depended on solution 
concentration what curves 2 and 3 show in the 
mentioned picture. From those plots it results, that 
for LI C 1 < 0.075 mol. 1- 1 (for a curve 2) and 
LI C 1 < 0.15 mol .1- 1, value of k 1 in regions 0.075 
mol.l- 1 (LI C 1 (0.125 mol .1- 1 (for a curve 2) and 
0.1125 mol.l- 1 (LlC 1 (0.225 mol.l- 1 (for a curve 3) 
increases jumpily from value k 1 = 0.05 to k 1 = 17 


20.00 


1 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 


k 1 


16.00 


12.00 


B.OO 


400 


000 


0.00 


0.20 0.30 

C1 [mol.r 1 ] 


0.10 


FIG. 7. The asymmetry coefficient solute flux (k l ) as a function 
of the potassium chloride concentration difference (L1C l ) in a bi- 
nary (plot 1) and ternary solutions (potassium chloride in 0.25 
mol .1- 1 - plot 2, and in 0.5 mol' 1-1 ammonia aqueous solu- 
tions) - (plot 3) 
Ryc. 7. Wspblczynnik asymetrii strumienia solutu (k l ) w funk- 
cji roznicy st
zeli chlorku potasu (L1C l ) w roztworach binar- 
nych (wykres 1) i ternarnych (chlorek potasu w 0.25 mol' 1-1 
- wykres 2, i w 0.5 mol. 1-1 wodnych roztworach amoniaku) 
(wykres 3) 


(for curve 2) and k 1 = 15 (for a curve 3). For 
LlC 1 > 0.15 mol.l- 1 oraz LlC 1 > 0.225 mol.l- 1 
the value of coefficient k 1 is constant and indepen- 
Qed on solution concentration. 


4.3. The amplification of solute flux 


To demonstrate the effect of amplification solute 
flux (JD let us consider the pairs of plots: 1 and 
2 and also 1 and 3 showed in Figure 3. Plot 1 show 
that the same change of value of concentrations 
difference LI(LlC 1 ) in case of binary solutions make 
the same change of LlJi value in all regions of used 
differences of concentration LlC 1 . In case of ter- 
nary solution what is illustrated in plots 2 and 3 in 
mentioned figures, the same change of .concentra- 
tion differences make different, about the value 
and a mark, changes of LlJi value. The quantity 
measurement of this effect is the coefficient of amp- 
lification the solute flux (ai) defined by the follo- 
wing formula: 
i (LlJDt 
al = (LlJDb 


(10) 


{[.o;1 (C,)MIIC')h - [.o;, (C,)] (LlC),}Rn, +J
[(qy,,-(CDiJ (l-u;) 
.0;, RTr;, [(LlC')h-(LlC,),] +.r. [C;)
-(qm (l-uD 


Where '1' and 'b' indexes regarding to binary and 
ternary solution, respectively, 'h' and '1' indexes 
means respectively higher and .lower value of re- 
spective size. If we assume that J
 = 0, then the 
equation (8) can be written as: 
ai = [nidC l n
 (LlC 1 )h - [nil (C 1 n l (LlLll) 
 (11) 
Qil [(LI ( 1)h-(LlLl 1 h] 
In Figure 8 we showed graphically with the help of 
curves lA, 2A, IB and 2B the dependencies of 
a} coefficient (i = A, B) responds respectively to 
conf. A and B of single-membrane osmotic-diffusi- 
ve electrochemical cell from average concentration 
C l' Plots lA and 2A were got for configuration A, 
and plots IB and 2B - for configuration B of 
single-membrane osmotic-diffusive electrochemical 
cell. The procedure of counting C 1 was following. 
If, for example LlC" = Ck-C o (where k = 1, 2, 3, 
..., n) then C 1 = (C 1 +C o )f2, and so on. From dia- 
grams lA and 2A showed in Fig. 9 it results, that 
together with the increasing of C 1 value, value of 
a1 coefficient first increases, but after reaching ma- 
ximal value of a1 = 48, decreases nonmonotonical- 
ly to min, value a1 = - 80 for a curve lA and 
value of a1 = - 60 (in case of curve 2A) and then it 
increases to the constant value of a1 = 0.05 for 
C 1 > 0.08 mol.I- 1 (in case of lA) and C 1 > 0.16 



POLYMERIC MEMBRANE; MEMBRANY POLIMEROWE 


49 


a
 


60.00 


40.00 


2A 


0.00 


-40.00 


-80.00 
om 0.10 020 0.30 
4.00 
a
 
3.00 


2.00 


1.00 


0.00 


0.00 


0.10 


Q.2O 


0.30 
- 1 
C 1 [mol.rl 


FIG. 8. The amplification coefficient solute flux (aD i = A, B as 
a function of the mean potassium chloride concentration (C 1) in 
0.25 mol, 1-1 and in 0.5 mol .1- 1 aqueous ammonia solutions 
for configuration A (plots lA and 2A) and configuration 
B (plots 1B and 2B) 


Ryc. 8. Wspolczynnik wzmocnienia strumienia solutu (ai) 
i = A, B w funkcji sredniego st
zenia chlorku potasu (C 1 ) 
w 0.25 mol, 1-1 oraz w 0.5 mol .1- 1 wodnego roztworu amonia- 
ku dla konfiguracjl A (wykresy lA i 2A) oraz konfiguracji 
B (wykresy 1B i 2B) 


mol. 1-1 independed also from (\ and C 2 values. 
The value of af first is independed from C 1 and 
C 2 and it is af = 0.05 and then for C l > 0.05 
mol .1- 1 (in case of IB) and C l > 0.12 mol, 1-1 (in 
case of 2B) it increases jumpily to the maximum. 
Value of af = 3.25 (for IB) and af = 3.5 (for 2B). 
After crossing maximal value, value of af decreases 
nonmonotonically to value of af = 1 independed 
also from C 1 and in small degree from C 2. 


7 - Polimery w Medycynie 3/2003 


4.4. Solute flux concentration boundary 
layers effect 


The measure of gravitational field influence on dif- 
fusive transmembrane transport of potassium 
chloride is solute flux concentration boundary lay- 
er effect (jCBLE)
. That effect is defined on the 
base of the measurements of J
, 11 and Jf values 
using following equations: 


(jCBLE)1 = J
-J1 
(jCBLE)f = J
 - Jf 


(12) 
(13) 


The results of counting are shown graphically in 
Fig. 9. In that picture it is shown the dependence 
(jCBLE)
 (i = A, B) from the difference of potas- 
sium chloride (.LIC l ) in binary solution (plots 1) 
and ternary (plots 2 and 3) for configuration A (u- 
pper figure) and configuration B (downer figure). 
The diagrams lA and IB were received for 
.LIC 2 = 0 mole. 1-1, plots 2A and 2B - for 
.LIC 2 = 0.25 mol .1-1, and plots 3A and 3B - for 
.LIC 2 = 0.5 mol. 1-1. In case of binary solutions 
(jCBLE)
 depends linearly from .LIC I also for con- 
figuration A (plots lA) and configuration B (plot 
IB) and in configuration A (jCBLE)
 is bigger that 
in configuration B. The dependencies (jCBLE)
 
from LlC l in ternary solutions are shown by plots 
2A and 3A for configuration A and 2B and 3B 
- for configuration B. The courses of curves 2A 
and 3A show, that for LlC l ::::; 0.0875 mol. 1-1 (in 
case of curve 2A) and .LIC I ::::; 0.175 mol. I 1 (in 
case of 3A) the value of (jCBLE)
 increases non- 
lineary and for .LI C 1 > 0.0875 mol. 1-1 and 
.LIC I > 0.175 mol. 1-1 - lineary with the increase 
of .LIC I . For .LIC I ::::; 0.05 mol. 1-1 (jCBLE)
 do- 
esn't depend neither LlC l nor .LIC 2 . For 
LlC l > 0.0875 mol. 1-1 (in case of 2A) and for 
LlC l > 0.175 mol. 1-1 (in case of 3A) (jCBLE)
 do- 
esn't depend on .LIC 2 . From diagrams 2B and 3B it 
results that for LlC l ::::; 0.075 mole. 1-1 and 
LlC l ::::; 0.15 mol, 1-1 and for LlC l > 0.1125 mol. 1-1 
and .LI C 1 > 0.2125 mol. 1- 1, (jCBLE)
 increases to- 
gether with the increase of LI C 1 value. The tangent of 
inclination angle of the first interval is bigger than 
tangent of inclination angle the second of discussed 
intervals of curves 2B and 3B. For LlC l ::::; 0.075 
mol. 1-1 (in case of 2B) and for LlC l ::::; 0.15 mol. 1-1 
(in case of curve 3B) value of (jCBLE)
 doesn't de- 
pend on .LI C z value. But for 0.075 mol. 1- 1 ::::; 
.LIC I ::::; 0.1 mol. 1-1 and for 0.15 mol. 1-1 ::::; 
LlC l ::::; 0.2125 mol. 1-1 (jCBLE)
 decreases nonli- 
neary together with .LIC I increase. Moreover from 
plots 1, 2 and 3 it results, that together with the 
increase of .LIC z , the value of (jCBLE)
 increases. 



50 


JOLANTA JASIK-SLJ:;ZAK ET AL. 


20.00 


To work out the terffiodynamical model of so- 
lute flux concentration boundary effect for potas- 
sium chloride solution (s = 1) for configurations 
A and B of single-membrane osmotic-diffusive elec- 
trochemical cell, let us consider equation (7). Ta- 
king the condition Wn = W21 = nkl 
 0 and ta- 
king that nil and nkz coefficients depend on 
C I and C z concentrations, we receive for configu- 
rations A (i = A) and B (i = B) the following for- 
mula: 


(jCBLE)1 = (14) 
= [rou -oil (C 1 )] '1 All 1 +J v (l-al) C 1 -J:(1-af) c1 
(jCBLE)
 = (15) 
= [ro u -0
1 (C 1 )Hl All 1 +J v (l-al) C 1 -J:(1-af) cf 
Taking into account in above equations the values 
of coefficients from table 1 and in Figures 6 and 7, 
. we counted solute flux concentration boundary ef- 
fect for configurations A and B and for binary and 
ternary solutions. The results of the counting are 
shown by continuous graphs in Figure 9. The good 
compatibility of experiment results and counting 
was received on the base of equations (14) and (15). 
The results of experimental studies showed in 
this work show that the gravitational force has the 
influence on the passive solute flows of electrolytic 
solutions. In this work we showed that the measu- 
rement of this influence is solute flux concentration 
boundary effect GCBLE). The value of jCBLE de- 
pends on sequence of set of solutions in relative of 
the membrane situated paralleled to the direction 
of gravitational force effect and on composition 
and concentration of solutions divided by the me- 
mbrane. The situation when the solutions are me- 
chanically stirred (homogeneous) in case of the con- 
centration is illustrated by the state, where the 
gravitational field has the same influence on a pas- 
sive transmembrane transport in both configura- 
tions of single-membrane osmotic-diffusive electro- 
chemical cell because it doesn't create nor elimina- 
te the local concentration gradients. It can suit the 
hypergravity conditions. In case of lock of the me- 
chanical stirring, on both sides of membrane there 
are boundary layers creating themselves. Only in 
situation when the sense of density gradient is op- 
posite to the sense of gravitational force in by-mem- 
brane areas the natural convection making the 
solute stirring shows itself. That situation can hap- 
pen in biological systems in Earth gravitational 
field and in biological systems put into hypergravity. 
The non-convectional state suits to state of weith- 
lessness or state of microgravity. It was ascer- 
tained, that also J
 and jCBLE for binary solutions 
are the linear functions of concentration. For ter- 


16.00 
f!J 

 
E 
12.00 
0 
oS 
... 
0 
":"" 8.00 

 
W 
-I 
ID 
U 400 
'=' 
0.00 


f!J 

 
E 8.00 
0 
oS 
... 
0 
":"" 
m.....;: 
W 
-I 4.00 
ID 
U 
'=' 


12.00 


0.00 


0.00 


0.10 


l'..C I (mol.r 1 ] 


FIG. 9. Experimental and calculated (jCBLE)i as a function of 
the KCl concentration difference (LlC 1 ) in binary (plots lA and 
IB) and in ternary (graphs 2A, 3A, 2B and 3B): plots lA and 1B 
- no ammonia; plots 2A and 2B - LlC 2 = 0.25'mol.I- 1 am- 
monia; plots 3A and 3B - 0.5 mol.I- 1 ammonia. Solid lines 
illustrate the jCBLE calculated on the basis of equations (14) 
and (15) after taking into consideration 0 11 (C 1 ) 
Ryc. 9. Doswiadczalny i obliczony (jCBLE)i w funkcji romi- 
cy st
zeli chlorku potasu (LlC 1 ) w roztworze binarym (wykresy 
lA i IB) oraz w ternarnym (wykresy 2A, 3A, 2B i 3B): wykresy 
lA i 1B - bez amoniaku; wykresy 2A i 2B - LlC 2 = 0.25 
mol, I' 1 amoniaku; wykresy 3A i 3B - 0.5 mol, 1- 1 amoniaku. 
Linie ciq,gle ilustrujq, (jCBLE)i obliczony na podstawie rownan 
(14) i (15) po uwzgl
dnieniu zaleznosci Ou(C 1 ) 


nary solutions those dependences are non-linear. 
The values of J
 also for binary and ternary solu- 
tions in convectional state, which is the consequen- 
ce of gravitational force influence on kinetics of 
horizontal transport of substance, are bigger than 
in non-convectional state. But the values of jCBLE 
are bigger in non-convectional state than in con- 



POLYMERIC MEMBRANE; MEMBRANY POLIMEROWE 


51 


vectional one. It was also ascertained that in non- 
-convectional state jCBLE has maximal values, in- 
creasing with the increase of solute concentration. 
Moreover in non-convectional state jCBLE 
 J
. 
But in convectional one jCBLE < J
. We showed, 
in the work, the results of studies on the influence 
of gravitational force on passive membrane trans- 
port of electrolyte solutions, which confIrming the 
right also Schatz and his co-workers model [13] 
and Mesland model [12]. 


LITERATURE 


[1] TAIRBEKOV M. G., KUMOVITSKII V. I., OGA- 
NOV V. S.: The role of gravitational force in 
the evolution of living system (the biomedical 
and energy aspects). Izv. Acad. Nauk. SeT. 
BioI. (1997), 5, 517-530. 
[2] CARMELIET G., Nys G., STOCKMANS I., BOUIL- 
LON R.: Gene expression related to the 
differentiation of the osteoblastic cells is 
altered by microgravity. Bone (1998), 22, 
139-143. 
[3] COGOLI-GREUTER M., MELONI M. A, SCIOLA 
L., SPONO A, PIPPIA P., MONACO G., COGOLI 
A: Movements and interactions of leukocy- 
tes in microgravity. J. BiotechnoI. (1996), 47, 
279-287. 
[4] COGOLI A, GMUNDER F., K: Gravity effects 
on single cells: techniques, fIndings and theo- 
ry. Adv. Space BioI. Med. (1991), 1, 183-248. 
[5] UNSWORTH B. R., LELKES P. I.: Growing tis- 
sues in microgravity. Nature Med. (1998), 4, 
901-907. 
[6] HELMSTETTER C. E.: Gravity and the orien- 
tation of cell division. Proc. NatI. Acad. Sci. 
U.S.A, (1997), 94, 10195-10198. 
[7] HUGHEs-FuLFORD M.: Review of the biologi- 
cal effects of weightlessness on the human en- 
docrine system, Receptor (1993), 3, 145-154. 
[8] SEITZER u., BODO M., MULLER P. K, ACIL 
Y., BATGE B.: Microgravity and hypergravity 
effects on collagen biosynthesis of human der- 
mal fibroblasts. Cell, Tissue Res. (1995), 282, 
513-517. 
[9] COGOLI A, COGOLI-GREuTER M.: Activation 
and proliferation of lymfocytes and other 
mamalian cells in microgravity. Adv. Space 
BopI. Med. (1997), 6, 33-79. 
[10] KLAUS D. M., SIMSKE I., TOOD P., STODIECK 
L.: Investigation of space flight effects on Es 
cherichia coli and a proposed model of under- 


luing physical mechanism. Microbiology 
(1997), 143, 449-455. 
[11] VICO L., LAPAGE-PROusT M. M., ALEXANDRE 
c.: Effects of gravitational changes on the 
bone system in vitro and in vivo. Bone 
(1998), 22, 95-100. 
[12] MESLAND D. A: Mechanism of gravity effects 
on cells: are there gravity-sensitive windows? 
Adv. Space BopI. Med. (1992), 2, 211-228. 
[13] SCHATZ A., REITSTETTER R., BRIEGLEB W., 
LINKE-HoMMES A: Gravity effects on memb- 
rane processes. Adv. Space Res. (1992), 12, 
51-53. 
[14] JASIK-SLI;JZAK J., Sq
zAK A: Volume flux 
graviosmotic effects in passive transmembra- 
ne transport of aqueous potassium chloride 
and ammonia solutions. Polish J. Med. Phys. 
Eng. (2001), 7, 127-153. 
[15] SLI;JZAK A, DwORECKI K, ANDERSON J. E.: 
Gravitational effects on transmembrane flux: 
the Rayleigh-Taylor convective instability. J. 
Membrane Sci. (1985), 23, 71-81. 
[16] SLI;JZAK A: Irreversible thermodynamic mo- 
del equations of the transport across a hori- 
zontally mounted membrane, Biophys. 
Chem. (1989), 34, 91-102. 
[17] SLI;JZAK A.: A model equations for the gravie- 
lectric effect in electrochemical cells. Biophys. 
Chem. (1990), 38, 189-199. 
[18] SLI;JZAK A, W4SIK J., DWORECKI K: Gravita- 
tional effects in a passive transmembrane 
transport: the flux graviosmotic and gravid if- 
fusive effects in non-electrolytes. J. BioI. 
Phys. (2000), 26, 149-170. 
[19] SLI;JZAK A, JASIK-SLI;JZAK J., SIERON A: Gra- 
vitational effects in the passive osmotic flows 
across polymeric membrane of electrolytic 
solutions, Polym. Med. (2000), 30, 21-45. 
[20] SLI;JZAK A, TURCZYNSKI B., NAWRAT Z.: Mo- 
difIcation of the Kedem-Katchalsky-Zelman- 
-model-equations of the transmembrane 
transport. J. Non-Equilib. Thermodyn. (1989), 
14, 205-218. 
[21] BARRY P. H., DIAMOND J. M.: Effects of 
Unstirred Layers on Membrane Phenomena. 
Physiol. Rev. (1984), 64, 763-872. 
[22] PEDLEY T. J.: Calculation of unstirred layer 
thickness in membrane transport experi- 
ments: a survey. Quart. Rev. Biophys. (1983), 
16, 115-150. 
[23] DwORECKI K: Interferometric Investigations 
of Near-Membrane Diffusion Layers, J. BioI. 
Phys. (1995), 21, 37-49. 



52 


JOLANTA JASIK-SLI:;ZAK ET AL. 


[24] DWORECKI K., W 4SIK S.: The investigation of 
time-dependent solute transport through ho- 
rizontally situated membrane: the effect of 
configuration membrane system. J. BioI. 
Phys. (1997), 23, 181-195. 
[25] KATCHALSKY A., CURRAN P. F.: Nonequilib- 
rium thermodynamics in biophysics. Har- 
vard University Press, Cambridge, 1965. 
[26] SqjZAK A., GRZEGORCZYN S., DWORECKI K., 
JASIK-SLJ;!ZAK J.: A method of evaluation of 
concentration Rayleigh number for is other- 


mal passive transmembrane transport pro- 
cesses, Polish J. Med. Phys. Phys. Eng. (2003) 
- in the press. 


Address authors: 
Cz
stochowa University of Technology 
Department of Biomedical Fundaments 
of Sport 
AI. Armia Krajowa 19b, 
42-200 Cz
stochowa, PL 
e-mail: ajslezak@zim.pcz.czest.pl 


. . . . . . . . 



Badania in vitro 
powlok polimerowych 
na elementach elektronicznych 


BOZENA KONIECZNA *, GRZEGORZ CHMIELEWSKI, 
STANISLAW BLAZEWICZ 


Akademia Gorniczo- Hutnicza, 
Wydzial Inzynierii Materialowej i Ceramiki, 
Katedra Biomaterialow w Krakowie 


Streszczenie 


W pracy przedstawiono wyniki badan nad 
opracowaniem powlok polimerowych na 
wszczepialnych elementach elektronicznych 
do zastosowan medycznych. Elementy takie 
pracuj
 najcz
sciej jako uklady zasilaj
ce 
urz
dzenia, sluz
ce stymulacjii okreslonych 
grup zakonczen nerwowych lub w rozrusz- 
nikach serca. W pracy dokonano wst
pnej 
oceny biozgodnego i biostabilnego polisul- 
fonu, jako powloki izoluj
cej uklady scalo- 
ne i baterie sluz
ce do zasilania ukladow 
elektronicznych, przed korozyjnym dziala- 
niem srodowiska zywego organizmu. 
Dodatkowo, dla porownania weryfiko- 
wano rowniez powloki wytworzone z sili- 
konu (SIL) oraz silikonu z wierzchni
 wars- 
tw
 polisulfonu (SIL + PSU). Szczelnosc 
otrzymanych powlok badano dokonuj
c 
pomiarow zmian napi
cia baterii w czasie, 
w warunkach in vitro. 


...
-- 


In vitro study of polymer coatings on 
electronic elements 


Summary 
The paper presents the results of investiga- 
tions of polymer coatings used as capsules 
for implantable microelectronic devices for 
medical applications. Such devices work in 


Polimery w Medycynie 2003, T. XXXIII, Nr 3 


artificial pacemakers and as feeding systems, 
in nerve ending stimulator sets. Biocompa- 
tible and biostable polysulfone capsules for 
integrated circuits and batteries have been 
prepared. Preliminary investigation of over- 
all chemical stability of encapsulated elect- 
ronic devices in Ringer's solution, has been 
carried out as a function of immersion time. 
Influence of number of coating polysulfone 
layers on voltage-stability of batteries im- 
mersed in 0.9% NaCl solution has been 
measured with time. 
A comparative study of silicone (SIL) 
coating and double coating with silicone 
and polysulfone (SIL+PSU) in an in vitro 
test has been carried out. 


Siowa kluczowe: wszczepialne uklady elek- 
troniczne, powloki, polimery biozgodne 


Key words: implantable integrated circuits, 
encapsulants, biocompatible polymers 


WPROW ADZENIE 


W ostatnich latach nast
pil gwaltowny rozwOJ 
w zakresie badan nad nowymi materialami dla me- 
dycyny, a szczegolnie wszczepialnymi materialami 
elektronicznymi. Nalez
 do nich urz
dzenia wpro- 
wadzane do zywego organizmu jako elektroniczne 
rozruszniki serca, defibrylatory, uklady mikropro- 
cesorowe sluz
ce do pobudzania okreslonych grup 
zakonczen nerwowych oraz sensory jonoselektyw- 
ne. Wi
kszosc urz
dzen elektronicznych wszcze- 
pianych do organizmu ludzkiego jest wyposazona 
w mikroprocesory, co wymusza posiadanie wlasnego 
zasilania, najcz
sciej w postaci baterii litowych. 
Aby uklady te mogly pracowac w srodowisku zy- 
wego organizmu, musz
 byc szczelnie chronione 
nie przewodz
c
 warstw
 izolacyjn
, gdyz plyny 
ustrojowe czlowieka s
 silnymi elektrolitami 
i w krotkim czasie wywoluj
 korozj
 ukladow [1]. 
Podstawowymi parametrami, charakteryzuj
- 
cymi dobr
 warstw
 izolacyjn
, s
 ci
glosc oraz 
brak porow i resztek uwi
zionego we wn
trzu roz- 
puszczalnika. Warstwa powinna chronic urz
dze- 
nie przed dost
pem wilgoci, migracj
 jonow, wply- 



54 


BOZENA KONIECZNA I INNI 


Badania szczelnosci powlok z Polisulfonu 


wem promieniowania widzialnego i UV oraz ab- 
sorbowac cz
stki c/", ktore moglyby zaklocae prac
 
urz
dzenia [2]. Zastosowana powloka winna tak- 
ze odznaczac si
 wysok
 czystosci
, dobrymi wlas- 
ciwosciami izolacyjnymi oraz chronic urz
dzenie 
przed uszkodzeniami mechanicznymi. 
Materialami najcz
sciej stosowanymi jako po- 
wloki s
 polimery organiczne. Nalez
 do nich siliko- 
ny, poliamidy, poliestry, zywice epoksydowe i alkilo- 
we. Stosowane s
 rowniez polimery termoplastyczne, 
jak polistyren, polietylen i polichlorek winylu [3]. 
Powloki wytwarzane na ukladach elektronicz- 
nych, z przeznaczeniem do stosowania w medycy- 
nie, powinny charakteryzowae si
 dodatkowo nis- 
k
 absorpcj
 wody, doskonal
 adhezj
 do podloza 
i stabilnosci
 w naturalnym srodowisku zywego 
organizmu. W przypadku stosowania powlok na 
elementach elektronicznych pracuj
cych jako jo- 
noselektywne sensory, zastosowany polimer musi 
takZe chronic uklad przed powierzchniow
 adsorp- 
cj
 bialek, adhezj
 plytek i komorek, ktore mog
 
wplywae na odczyt wartosci i prac
 urz
dzenia. 
Przeciwdziala si
 temu zjawisku stosuj
c dodatko- 
we pokrycia z octanu celulozy, kopolimeru poli- 
metakrylanu hydroksyetylufpolimetakrylanu me- 
tylu oraz polialkoholu winylowego [4]. 
Celem pracy bylo zbadanie mozliwosci zasto- 
sowania biozgodnego polisulfonu, jako powloki 
izoluj
cej uklady elektroniczne przed korozyjnym 
dzialaniem srodowiska zywego organizmu. Dodat- 
kowo, dla porownania weryfikowano rowniez po- 
wloki wytworzone z silikonu. Szczelnosc otrzyma- 
nych powlok badano w testach in vitTO. 


MATERIALY I METODY BADAN 


Materialy 


Powloki na elementach elektronicznych wykonane 
zostaly przy wykorzystaniu dwoch rodzajow poli- 
merow: 
polisulfon (E,SU), (Polisulfon, Aldrich Chemical 
Company Inc., Mw 26000, nr kat. 25135-51-7) 
nanoszony z roztworu w chlorku metylenu, 
jednoskladnikowy silikon (SIL), (typ SILICO- 
NE 600C). 
Elementami podlozowymi otrzymywanych po- 
wlok, byly uklady scalone zamkni
te w obudowie 
DIP-14 oraz baterie sluz
ce do zasilania ukladow 
elektronicznych. Elementy te roznily si
 ksztaltem 
oraz rodzajem powierzchni. Wyprowadzenia elek- 
trod I
czone byly przy uzyciu komercyjnie dost
p- 
nego kleju Uniflex, zawieraj
cego przewodz
ce 
zwi
zki srebra. 


Pierwszym etapem badan bylo okreslenie optyma- 
lnego st
zenia roztworu polimeru, ktory zapewni 
ci
glose otrzymanej powloki. W tym celu przygo- 
towano trzy roztwory polisulfonu w chlorku mety- 
lenu 0 roznych st
zeniach, od 8,8% do 13,5%. St y - 
zenia dobierano w taki sposob, aby otrzymane 
roztwory tworzyly ci
gI
 warstw
 na elementach 
e1ektronicznych. Warstwy na elementach uzyski- 
wano zanurzaj
c je w roztworze. Rozpuszczalnik 
usuwano, poddaj
c element elektroniczny w czasie 
24 godzin swobodnemu odparowaniu i przetrzy- 
muj
c w suszarce prozniowej w czasie okolo 24 
godzin w temperaturze pokojowej. W ten sposob 
na elementy nakladano wiele warstw, az do uzys- 
kania odpowiedniej szczelnosci. Szczelnosc wytwo- 
rzonych powlok byla sprawdzana przez zanurzenie 
ukladow w plynie Ringera, symuluj
cym naturalne 
srodowisko zywego organizmu i przetrzymywaniu 
w cieplarce w temperaturze 37°C. Badania prowa- 
dzono przez 20 dni mierz
c zmiany pH roztworu, 
a nast
pnie dokonano obserwacji mikroskopo- 
wych powierzchni probek. 
W podobny sposob nanoszono warstwy PSU 
na baterie, sluz
ce do zasilania miniaturowego 
ukladu elektronicznego. Ogniwa pokrywano wars- 
twami z roztworu polimeru 0 st
zeniu 8,8 %. Po- 
jedyncze warstwy nanoszono na ogniwa, zawie- 
raj
ce metalowe elektrody przytwierdzone klejem 
Uniflex. Przygotowano 4 partie ogniw rozni
cych 
si
 liczb
 naniesionych warstw polimerowych. 
Otrzymano uklady z 1, 2, 4 i 5 warstwami. Tak 
przygotowane ogniwa z warstwami poddano dzia- 
laniu soli fizjologicznej, przetrzymuj
c je w cie- 
plarce w temp. 37°C. JednoczeSnie notowano 
zmiany napi
cia po roznym czasie kontaktu z roz- 
tworem. 


Badania szczelnosci powlok 
z iywic silikonowych 


Badania prowadzono stosuj
c jako podloza ba- 
terie, z przytwierdzonymi wyprowadzeniami prze- 
wodow elektrycznych jak poprzednio. Uklady 
pokryto warstw
 SIL i po 48 godzinach zanurzo- 
no w roztworze soli fizjologicznej. Przeprowa- 
dzono takZe prob
, w ktorej ogniwa z naniesion
 
powlok
 SIL pokryto dodatkowo warstw
 PSU 
z roztworu 0 st
zeniu 8,8 % i zanurzono w roztwo- 
rze soli fizjologicznej. Uklady przetrzymywano 
w cieplarce w temp. 37°C, mierz
c zmiany napiycia 
w czaSle. 



POLIMERY BIOZGODNE; BIOCOMPATIBLE POLYMER 


WYNIKI I DYSKUS.JA 


55 


1.6 
--- 
6.4 ---------------. 1.4 
. 
. 
/ 1.2 
. 
/ 
6.3 . 
,./ 

 1.0 
/' 
J: ,./ .
 Q) 
c.. urn 
6.2 .-------. .m- .s 0.8 
c..- 
/
 II! 0 
z> 
0.6 
6.1 / 
/ 0.4 
. 
6.0 0.2 
a 5 10 15 20 0 
Czas [dni] 
Time [days] 


W wyniku przeprowadzonych badan in vitro szczel- 
nosci powlok polisulfonowych, wytworzonych 
z roztworow 0 wyzszych st
zeniach na ukladach 
DIP-14, zaobserwowano znacz
ce zwi
kszenie po- 
ziomu pH roztworu Ringera w czasie 20 dni od- 
dzialywania. Zastosowany w badaniach polisulfon 
jest polimerem przezroczystym, dlatego tez mozli- 
we bylo zaobserwowanie nieci
glosci wn
trza war- 
stwy przy uzyciu mikroskopu optycznego. Prze- 
prowadzone obserwacje probek, wykazaly naru- 
szenie ci
glosci powloki polimerowej oraz jej uby- 
tki w miejscach, w ktorych warstwa byla wyraznie 
pogrubiona. 
Obserwacje mikroskopowe ukladow pokrytych 
warstw
 polisulfonu otrzyman
 z roztworu 
o mniejszym st
zeniu pokazaly, ze powloki takie 
s
 bardziej odporne na dzialanie srodowiska ply- 
nu. Zmiany pH roztworu Ringera w wyniku od- 
dzialywania ukladow DIP-14 pokrytych warstwa- 
mi polisulfonu z roztworu 0 st
zeniu 8,8%, przed- 
stawia rycina 1. 
Wykonane w ten sposob warstwy s
 bardziej 
jednolite i rownomierne, pozbawione przy tym po- 
row zamkni
tych. Powstawanie porow zamkni
- 
tych w warstwach otrzymanych na elementach ele- 
ktronicznych, pokrywanych roztworami polimeru 
o wyzszym st
zeniu, spowodowane jest szybszym 
odparowaniem rozpuszczalnika z zewn
trznych 
powierzchni. Tworz
ca si
 w ten sposob powloka, 
uniemozliwia swobodne odparowanie rozpuszczal- 


6.5 


Ryc. 1. Zmiany pH roztworu Ringera w obecnosci powlok 
wykonanych z polisulfonu 


FIG. L Changes of Ringer's solution pH after elongated im- 
mersion of microelectronic devices with polysulfone encapsula- 
tion 


nika, znajduj
cego si
 gI
biej i powoduje jego uwi
- 
zienie we wn
trzu warstwy. Defekty te znacz
co 
wplywaj
 na pogorszenie jakosci nanoszonej po- 
wloki, na skutek jej mniejszej grubosci i szybsze 
niszczenie w kontakcie z plynem symuluj
cym sro- 
dowisko zywego organizmu. W krotkim czasie 
prowadzi to do bardzo szybkiej korozji i do znisz- 
czenia elementu elektronicznego. Wplyw grubosci 
powloki polisulfonowej, otrzymanej z roztworu 
o st
zeniu 8,8%, na zmiany napi
cia ogniw pod- 
czas inkubacji w soli fizjologicznej przedstawia ry- 
cina 2. 
Wykonane pomiary wykazuj
, ze zastosowanie 
cienkich warstw Gedno- lub dwukrotne pokrywanie 
roztworem polimeru), nie stwarza dostatecznie 
trwalej i szczelnej warstwy izoluj
cej. Przeprowa- 
dzone badania wskazuj
 rowniez na skal
 proble- 
mu dobrania odpowiednich powlok na elementy 
elektroniczne, pracuj
ce w srodowisku zywego or- 
ganizmu. Sol fizjologiczna, w ktorej przetrzymy- 
wane byly ogniwa jest 0.9% roztworem NaCl, kto- 
ry w badaniach symuluje naturalne srodowisko zy- 
wego organizmu. Juz kilkudniowy okres kontaktu 
powoduje niszczenie warstwy izoluj
cej i przenika- 
nie roztworu elektrolitu do ogniwa, powoduj
c je- 
go korozj
 oraz zwarcie prowadz
ce do gwaltow- 
nego rozladowania ogniwa, w kontakcie z jonami 
roztworu fizjologicznego. Stwierdzono takze, ze 
zywica polisulfonowa nie jest materialem nadaj
- 
cym si
 do bezposredniego pokrywania elementow 
elektronicznych, na skutek jej wrazliwosci na dzia- 
lanie karbu [5]. Dokladna analiza powierzchni 


5 warstw 
4 warstwy 
2 warstwy 
1 warstwa 


(5 layers) 
(4 layers) 
(2 layers) 
(1 layer) 


2 


4 
Czas [dni] 
Time [days] 


6 


8 


10 


Ryc. 2. Wplyw grubosci powloki polisulfonowej na zmiany 
napi
cia ogniw, w czasie inkubacji w soli fizjologicznej 


FIG. 2. Influence of polysulfone layer thickness on changes 
of battery voltage, with time of immersion in 0.9% NaCI solu- 
tion 



56 


BOZENA KONIECZNA IINNI 


WNIOSKI 


probek pokrytych warstwami polisulfonu wy- 
kazala, ze degradacj
 ogniwa poprzedza oderwa- 
nie si
 warstewki polisulfonowej w miejscach, 
stanowi
cych ostre kraw
dzie lub naroza. Wska- 
zuje to na koniecznose nadawania zaokr
glonych 
ksztaltow wszystkim pokrywanym elementom. 
Dlatego tez, polisulfon moze stanowie warstw
 
wierzchni
 oslanianego e1ementu, przy wyko- 
rzystaniu innego polimeru jako warstwy podkla- 
dowej. Badania odpornosci ogniw, pokrytych war- 
stw
 SIL oraz warstwami SIL+PSU, przedstawia 
rycina 3. 


1.60 


1.59 .-.-.-.-.-.-.-. 




 
.
  1.58 
<.>C> 
.

 
'" 0 
z> 


1.57 .
.-.-.-.-.- .-. 


156 


o 


5 


10 


15 


20 


25 


30 


35 


Czas [dni] 
Time [days] 


Ryc. 3. Zmiany napi
cia ogniwa pokrytego powlokq, SIL oraz 
powlokq, SIL + PSU w soli fizjologicznej 


FIG. 3. Voltage changes of batteries encapsulated in SIL and 
SIL + PSU coatings with time of immersion in 0.9% NaCI solu- 
tion 


Inkubacja ogniw pokrytych wyl
cznie warstw
 
SIL w roztworze elektrolitu, jakim byla sol fizjo- 
logiczna, nie wplyn
la na zmian
 napi
cia badanych 
ukladow, co swiadczy 0 ci
glosci i dobrej izolacyj- 
nosci powloki. Pokrycie ogniw z silikonem dodat- 
kow
 wierzchni
 warstw
 polisulfonu (SIL + PSU, 
ryc. 3), rowniez nie wplyn
lo na zmiany napi
- 
cia ogniw podczas inkubacji w roztworze soli fi- 
zjologicznej. -'-JednakZe zastosowana dodatkowa 
wierzchnia warstwa polisulfonu, moze miee duze 
znaczenie przy pokrywaniu elementow elektro- 
nicznych, przeznaczonych do implantacji w zy- 
wym organizmie. Polisulfon jest polimerem sto- 
sowanym z powodzeniem od wielu lat w medycy- 
nie, charakteryzuj
cym si
 dobr
 biozgodnosci
 
i biostabilnosci
 w kontakcie z plynami ustro- 
jowymi i krwi
 [3, 6-11]. Dlatego tez, jego zasto- 
sowanie jako warstwy wierzchniej na elementach 
elektronicznych przeznaczonych do zastosowan 
medycznych, pozwoli na popraw
 ich biozgo- 
dnosci. 


W pracy przeprowadzono wst
pn
 analiz
 przydat- 
nosci polisu]fonu jako powloki uszczelniaj
cej 
uklad elektroniczny, przeznaczony do zastosowan 
medycznych. Zagadnienie to obejmuje wybor poli- 
meru b
d
cego materialem 0 potwierdzonej bio- 
zgodnosci, a nast
pnie wytworzenie z niego ci
glej, 
szczelnej powloki izolacyjnej, pozbawionej defek- 
tow oraz chroni
cej uklad przed dost
pem wilgoci 
i oddzialywaniem korozyjnym. 
Badania wykazaly, ze uzyty wst
pnie polisul- 
fon, nie moze bye stosowany bezposrednio na po- 
wierzchniach metalowych (ogniwa) ani na powie- 
rzchniach niemetalicznych (uklady scalone), celem 
uzyskania szczelnosci w srodowisku zywego orga- 
nizmu. Takie uszczelnienie mozna uzyskae przy 
zastosowaniu warstwy podkladowej z silikonu, 
a nast
pnie poprzez nalozenie powloki polisulfo- 
nowej. Pelna ocena przydatnosci tego polimeru, 
wymaga jednak dalszych badan trwalosci opraco- 
wanej powloki w warunkach in vitro w dluzszym 
okresie czasu. 


LITERATURA 


[1] SZYMANSKI A. red.: Biomineralizacja i bioma- 
terialy. PWN, Warszawa 1991, 182-193. 
[2] SINNADURAI N.: Reliability of new packaging 
concepts. Microelectronics Reliability 40 (2000), 
1073-1080. 
[3] INTERRANTE L. V., HAMPDEN-SMITII M. J.: Che- 
mistry of Advanced Materials. Wiley- VCH 
Nowy Jork (1998), 549, 130-131. 
[4] COSO FRET V. v., ERDOSY M., JOHNSON T. A., 
BELLINGER D. A., BUCK R. P., ASH R. B., 
NEUMAN M. R.: Electroanalytical and surface 
characterization of encapsulated implantable 
membrane planar micro sensors. Analytica 
Chemica Acta 314 (1995), 1-11. 
[5] DOBROSZ K., MATYSIAK A.: Tworzywa sztucz- 
ne: wlasciwosci i zastosowanie. WSiP, War- 
szawa 1990, 273-280. 
[6] RAMAKRISHNA S., MAYER J., WINTER MANTEL 
E., LEONG K. W.: Biomedical applications of 
polymer-composite materials: a review, Com- 
posites Science and Technology 61 (20ot), 
1189-1224. 
[7] CIAPPETTA P., BORIAN! S., FAVA G. P.: A car- 
bon fiber reinforced polymer cage for verteb- 
ral body replacement: a technical note. Neu- 
rosurgery (1997), 41, 5, 1203-1206. 



POLIMERY BIOZGODNE; BIOCOMPATIBLE POLYMER 


57 


[8] CLAES L., HUTIER W., WEISS R: Mechanical 
properties of carbon fiber reinforced polysul- 
fone plates for internal fixation. In: CHRISTEL 
P., MEUNIER A., LEE A. J. c.: Biological and 
Biomechanical Performance of Biomaterials, 
Amsterdam, The Netherlands: Elsevier Scie- 
nce Publishers 1997. 
[9] PERRY C. c.: Biomaterials. In: INTERRANTE 
L. V., HAMPDEN-SMITH M. J.: Chemistry of 
Advanced Materials, USA, Wiley- VCH 1998. 
[10] ISHIHARA K., FUKURNOTO K., KUWAHARA 
H., IWASAKI Y., NAKABAYASHI N.: Excellent 
blood compatibility of polysulfonejphospho- 
lipid polymer blend membrane. Trans. Soc. 
Biomater. (1997), 20, 434. 


[11] SILVER F. H.: Biomaterials, Medical Devices 
and Tissue ENGINEERING, Chapman & 
& Hall, London 1994. 


* Praca niniejsza byla cZ
Sciowo finansowana z pro- 
jektu badao wlasnych nr 10.10.160.841. 


Adres autorow: 
Akademia Gorniczo- H utnicza 
Wydzial Inzynierij Materialowej I Ceramiki 
Katedra Biomaterialow 
AI. Mickiewicza 30, 
30-059 Krakow 
e-mail: bkoniecz@uci.agh.edu.pl 


. . . . . . . . 


8 - Polimery w Medycyme 3/2003 



Wskazowki dla autorow 


Kwartalnik POLIMERY W MEDYCYNIE za- 
mieszcza: 
prace techniczne, analityczne, doswiadczalne 
i kliniczne, doniesienia tymczasowe oraz prace 
pogl
dowe zwi
zane z tematem zastosowania 
polimerow (naturalnych i sztucznych tworzyw 
wielkocz
steczkowych) w roznych dziedzinach 
medycyny; 
informacje biez
ce z zakresu polimerow; 
oceny ksi
zek i monografii; 
komunikaty 0 konferencjach i sympozjach, lis- 
ty do redakcji i informacje handlowe. 
Prace b
d
 przyjmowane wyl
cznie z tluma- 
czeniem na j
zyk angielski. Prosimy je nadsylae na 
dyskietkach w programie Word 6.0 (lub wyzszym) 
wraz z 2 egzemplarzami kontrolnego wydruku 
i kompletem rysunkow, zdj
e i tabel. 
Obj
tose artykulow do druku nie powinna 
w zasadzie przekraczae 30 stron. Przewiduje si
 
takZe mozliwose druku prac monograficznych. 


Struktura artykulu: 
streszczenie (minimum 200 slow); 
slowa kluczowe (3-10 slow); 
wprowadzenie; 
material i metoda; 
wyniki; 
dyskusja; 
wnioski; 
literatura (wg systemu Hovard). 
Odnosniki literaturowe w tekscie nalezy podawae 
jako kolejne liczby arabskie w nawiasach kwadra- 
towych. 
Literatura (zawieraj
ca nazwiska autorow i ini- 
cjaly ich imion, tytul artykulu, tytul czasopisma, 
tom, rok w nawiasach okr
glych i strony) powinna 
bye zamieszczona na koncu artykulu. Skrotow ty- 
tulow czasopism nalezy unikae, b
di podawae 
zgodnie z Chemical Abstract. Cytuj
c ksi
zki nale- 
zy podawae .'_numery odpowiednich rozdzialow. 
Adres autora (auto row) na koncu artykulu. 
Redakcja nie przewiduje wyplacania honora- 
riow autorskich. 
Prace naleiy przesylac pod adresem: 


Polimery w Medycynie 2003, T. XXXIII, Nr 3 


Guide for authors 


The quarterly POLYMERS IN MEDICINE pub- 
lishes: 
original papers and articles which deal with te- 
chnical, analytical, experimental or clinical 
subjects related to use of different, natural or 
artificial, polymers in medicine; 
up-dates and news from the field of polymers; 
reviews of books and monographs; 
conferences, congress and meetings announce- 
ments; 
letters to Editor; 
trade announcements and information. 
The articles are published in English. Text 
should be submitted on 3.5-inch floppy disc, writ- 
ten in MS Office Word 6.0 or higher, accompanied 
by 2 control printouts, together with attached dra- 
wings, photos and tables. 
The length of the paper should not exceed 30 pa- 
ges, however there is a possibility to publish mo- 
nograph works also. 


The layout of the paper should be as follows: 
abstract (up to 200 words); 
key words (3 to 10 words); 
introduction; 
materials and methods; 
results; 
discussion; 
conclusions; 
references (according to Harvard standard). 
References should be made through the text by 
using consecutive Arabic number given in square 
brackets. The full bibliography, including author's 
surname and abbreviated names, title of the paper, 
title of the journal, volume, edition year and pages 
should be given as a list at the end of the article. 
The journal's titles should be given in full names or 
abbreviated according to Chemical Abstract. When- 
ever the book is cited, the number of the relevant 
chapter should be given. 
- There is no author's fee. 
t

 materials should be send to: 
(";'z ; b'
\ 

\_,. '
I 
\

{t'
' 


Redakcja 
Akademia Medyczna 
ul. Pasteura 2, 50-367 Wroclaw 
Polska - Poland 
tel. (071) 7841133; fax. (071) 78400 32 
e-mail: redakcja@wyd.am.wroc.pl 



WARUNKIPRENUMERATY 
Kwartalnik POLIMERY W MEDYCYNIE mozna zaprenumerowac na 2004 rok w dowolnej liczbie 
egzemplarzy. Cena 1 zeszytu wynosi 10 PLN, cena rocznika (4 zeszyty) - 40 PLN. Czasopismo b
dzie 
dostarczane poczt
. Koszt przesylki pocztowej jest wliczony w cen
 prenumeraty. 


Prenumerat
 mozna oplacic w urz
dach pocztowych (podaj
c swoj dokladny adres) na rachunek: 


Redakcja POLIMERY W MEDYCYNIE 
Akademia Medyczna 
Wybrzeze L. Pasteura 2 
50-367 Wroclaw 
KREDYT BANK SA IV Oddzial Wroclaw 
Nr 35150017931217900099970000 


I, 


Wrodawska Drukarnia Naukowa PAN 
im. St. Kulczynskiego sp. Z 0.0.