Biomateriale - Biomaterial

"Biomaterials" omdirigerer hit. For tidsskriftet, se Biomaterials (journal) .
Et hofteimplantat er et eksempel på anvendelse av biomaterialer

Et biomateriale er et stoff som er konstruert for å samhandle med biologiske systemer for et medisinsk formål, enten et terapeutisk (behandle, utvide, reparere eller erstatte en vevsfunksjon i kroppen) eller en diagnostisk. Som vitenskap er biomaterialer omtrent femti år gamle. Studiet av biomaterialer kalles biomaterials science eller biomaterials engineering . Den har opplevd jevn og sterk vekst gjennom historien, med mange selskaper som investerer store mengder penger i utvikling av nye produkter. Biomaterialvitenskap omfatter deler av medisin , biologi , kjemi , vevsteknikk og materialvitenskap .

Merk at et biomateriale er forskjellig fra et biologisk materiale, for eksempel bein , som er produsert av et biologisk system . I tillegg bør det utvises forsiktighet når det gjelder å definere et biomateriale som biokompatibelt , siden det er applikasjonsspesifikt. Et biomateriale som er biokompatibelt eller egnet for en applikasjon, er kanskje ikke biokompatibelt i en annen.

IUPAC- definisjon
Materiale utnyttet i kontakt med levende vev, organismer eller mikroorganismer.

Introduksjon

Biomaterialer kan avledes enten fra naturen eller syntetiseres i laboratoriet ved hjelp av en rekke kjemiske tilnærminger ved bruk av metalliske komponenter, polymerer , keramikk eller komposittmaterialer . De blir ofte brukt og / eller tilpasset for en medisinsk applikasjon, og omfatter således hele eller deler av en levende struktur eller biomedisinsk innretning som utfører, forsterker eller erstatter en naturlig funksjon. Slike funksjoner kan være forholdsvis passiv, som blir brukt for en hjerteklaff , eller kanskje bioaktive med en mer interaktiv måte, slik som hydroksy-apatitt- belagte hofte implantater . Biomaterialer brukes også hver dag i tannlegeanvendelser, kirurgi og legemiddeltilførsel. For eksempel kan en konstruksjon med impregnerte farmasøytiske produkter plasseres i kroppen, som tillater forlenget frigjøring av et medikament over en lengre periode. Et biomateriale kan også være et autograft , allograft eller xenograft brukt som et transplantasjonsmateriale .

Bioaktivitet

Evnen til et konstruert biomateriale til å indusere en fysiologisk respons som støtter biomaterialets funksjon og ytelse er kjent som bioaktivitet. Vanligvis refererer dette begrepet til bioaktive briller og bioaktive keramikker til muligheten til implanterte materialer til å binde seg godt til omgivende vev i enten osseokonduktiv eller osseoproduktiv rolle. Benimplantatmaterialer er ofte designet for å fremme beinvekst mens de oppløses i omkringliggende kroppsvæske. Således er for mange biomaterialer god biokompatibilitet sammen med god styrke og oppløsningshastigheter ønskelig. Vanligvis måles bioaktivitet av biomaterialer ved overflatebiomineralisering der det dannes et naturlig lag av hydroksyapatitt på overflaten. I disse dager er utviklingen av klinisk nyttige biomaterialer sterkt forbedret av ankomsten av beregningsrutiner som kan forutsi de molekylære effektene av biomaterialer i en terapeutisk setting basert på begrenset in vitro- eksperimentering.

Selvmontering

Selvmontering er det vanligste begrepet i bruk i det moderne vitenskapelige samfunnet for å beskrive den spontane aggregeringen av partikler (atomer, molekyler, kolloider , miceller , etc.) uten påvirkning fra noen eksterne krefter. Store grupper av slike partikler er kjent for å samle seg i termodynamisk stabile, strukturelt veldefinerte matriser, som minner om ett av de syv krystallsystemene som finnes i metallurgi og mineralogi (f.eks. Ansiktssentrert kubikk, kroppssentrert kubikk, etc.). Den grunnleggende forskjellen i likevektsstruktur er i den romlige skalaen til enhetscellen (gitterparameter) i hvert enkelt tilfelle.

Molekylær selvmontering finnes mye i biologiske systemer og gir grunnlaget for et bredt utvalg av komplekse biologiske strukturer. Dette inkluderer en fremvoksende klasse av mekanisk overlegne biomaterialer basert på mikrostrukturelle egenskaper og design som finnes i naturen. Dermed dukker også selvmontering opp som en ny strategi innen kjemisk syntese og nanoteknologi . Molekylære krystaller, flytende krystaller, kolloider, miceller, emulsjoner , faseseparerte polymerer, tynne filmer og selvmonterte monolag representerer alle eksempler på typer av høyt ordnede strukturer, som oppnås ved bruk av disse teknikkene. Kjennetegnet ved disse metodene er selvorganisering.

Strukturelt hierarki

Nesten alle materialer kan sees på som hierarkisk strukturerte, siden endringene i romlig skala medfører forskjellige mekanismer for deformasjon og skade. Imidlertid, i biologiske materialer, er denne hierarkiske organisasjonen iboende for mikrostrukturen. Et av de første eksemplene på dette, i historien om strukturbiologi, er det tidlige røntgenspredningsarbeidet med den hierarkiske strukturen til hår og ull av Astbury og Woods. I bein er for eksempel kollagen byggesteinen til den organiske matrisen , en trippel helix med en diameter på 1,5 nm. Disse tropokollagenmolekylene er interkalert med mineralfasen ( hydroksyapatitt , kalsiumfosfat) som danner fibriller som krøller seg inn i helikoider i vekslende retninger. Disse " osteonene " er de grunnleggende byggesteinene i bein, med volumfraksjonsfordelingen mellom organisk og mineralsk fase ca. 60/40.

I et annet nivå av kompleksitet er hydroksyapatittkrystallene mineralplater som har en diameter på omtrent 70 til 100 nm og en tykkelse på 1 nm. De kjernen opprinnelig ved hullene mellom kollagenfibriller.

Tilsvarende begynner hierarkiet av abalone shell ved nanolevel, med et organisk lag med en tykkelse på 20 til 30 nm. Dette lag fortsetter med enkle krystaller av aragonitt (en polymorf av CaCO 3 ) som består av "klosser" med dimensjoner på 0,5 og etterbehandling med lag omtrent 0,3 mm (mesostructure).

Krabber er leddyr, hvis karapace er laget av en mineralisert hard komponent (viser sprø brudd) og en mykere organisk komponent som hovedsakelig består av kitin . Den sprø komponenten er arrangert i et spiralformet mønster. Hver av disse mineralstengene (1 mikrometer diameter) inneholder kitin-proteinfibriller med en diameter på omtrent 60 nm. Disse fibriller er laget av kanaler med en diameter på 3 nm som forbinder det indre og ytre av skallet.

applikasjoner

Biomaterialer brukes i:

  1. Felles erstatninger
  2. Benplater
  3. Intraokulære linser (IOL) for øyekirurgi
  4. Beinsement
  5. Kunstige leddbånd og sener
  6. Tannimplantater for tannfiksering
  7. Proteser i blodkar
  8. Hjerteventiler
  9. Hudreparasjonsutstyr (kunstig vev)
  10. Kokleautskiftninger
  11. Kontaktlinser
  12. Brystimplantater
  13. Legemiddelavgivelsesmekanismer
  14. Bærekraftige materialer
  15. Vaskulære transplantater
  16. Stenter
  17. Nerverør
  18. Kirurgiske suturer , klips og stifter for sårlukking
  19. Pinner og skruer for bruddstabilisering
  20. Kirurgisk nett

Biomaterialer må være kompatible med kroppen, og det er ofte problemer med biokompatibilitet , som må løses før et produkt kan markedsføres og brukes i kliniske omgivelser. På grunn av dette er biomaterialer vanligvis underlagt de samme kravene som de som er gjennomgått av nye medikamentelle terapier. Alle produksjonsbedrifter er også pålagt å sikre sporbarhet av alle produktene sine, slik at hvis det oppdages et defekt produkt, kan andre i samme batch spores.

Hjerteventiler

I USA involverer 49% av de 250 000 ventilutskiftingsprosedyrene som utføres årlig et mekanisk ventilimplantat. Den mest brukte ventilen er en bileaflet plate hjerteventil eller St. Jude-ventil. Mekanikken involverer to halvcirkelformede skiver som beveger seg frem og tilbake, hvor begge tillater strøm av blod, samt muligheten til å danne en tetning mot tilbakeslag. Ventilen er belagt med pyrolytisk karbon og festet til det omkringliggende vevet med et nett av vevd stoff kalt Dacron (du Ponts handelsnavn for polyetylentereftalat ). Masken lar kroppens vev vokse mens den inneholder ventilen.

Hudreparasjon

Hovedartikkel: Vevsteknikk

Mesteparten av tiden dyrkes "kunstig" vev fra pasientens egne celler. Men når skaden er så ekstrem at det er umulig å bruke pasientens egne celler, dyrkes kunstige vevsceller. Vanskeligheten er å finne et stillas som cellene kan vokse og organisere seg på. Egenskapene til stillaset må være at det er biokompatibelt, celler kan feste seg til stillaset, mekanisk sterkt og biologisk nedbrytbart . En vellykket stillas er en kopolymer av melkesyre og glykolsyre .

Kompatibilitet

Biokompatibilitet er relatert til oppførselen til biomaterialer i forskjellige miljøer under forskjellige kjemiske og fysiske forhold. Begrepet kan referere til spesifikke egenskaper til et materiale uten å spesifisere hvor eller hvordan materialet skal brukes. For eksempel kan et materiale fremkalle liten eller ingen immunrespons i en gitt organisme, og kan eller ikke være i stand til å integrere med en bestemt celletype eller vev . Immunoinformerte biomaterialer som styrer immunresponsen i stedet for å prøve å omgå prosessen, er en tilnærming som viser løfte. Uklarheten i begrepet gjenspeiler den pågående utviklingen av innsikt i "hvordan biomaterialer samhandler med menneskekroppen " og til slutt "hvordan disse interaksjonene bestemmer den kliniske suksessen til et medisinsk utstyr (for eksempel pacemaker eller hofteutskiftning )" . Moderne medisinsk utstyr og proteser er ofte laget av mer enn ett materiale, så det er ikke alltid det er tilstrekkelig å snakke om biokompatibiliteten til et bestemt materiale. Kirurgisk implantasjon av et biomateriale i kroppen utløser en organisme-inflammatorisk reaksjon med tilhørende helbredelse av det skadede vevet. Avhengig av sammensetningen av det implanterte materialet, overflaten av implantatet, utmattelsesmekanismen og kjemisk nedbrytning er det flere andre reaksjoner mulig. Disse kan være både lokale og systemiske. Disse inkluderer immunrespons, fremmedlegemereaksjon med isolasjon av implantatet med et vaskulært bindevev, mulig infeksjon og innvirkning på implantatets levetid. Graft versus host sykdom er en auto- og alloimmun lidelse, som viser et variabelt klinisk forløp. Det kan manifestere seg i enten akutt eller kronisk form, som påvirker flere organer og vev og forårsaker alvorlige komplikasjoner i klinisk praksis, både under transplantasjon og implementering av biokompatible materialer.

Biokompatibel plast

Noen av de mest brukte biokompatible materialene (eller biomaterialene) er polymerer på grunn av deres iboende fleksibilitet og justerbare mekaniske egenskaper . Medisinsk utstyr laget av plast er ofte laget av noen få utvalgte, inkludert: syklisk olefinkopolymer (COC), polykarbonat (PC), polyeterimid (PEI), medisinsk kvalitet polyvinylklorid (PVC), polyetersulfon (PES), polyetylen (PE), polyetereterketon ( PEEK) og til og med polypropylen (PP). For å sikre biokompatibilitet er det en serie regulerte tester som materialet må bestå for å bli sertifisert for bruk. Disse inkluderer United States Pharmacopoeia IV (USP Class IV) Biological Reactivity Test og International Standards Organization 10993 (ISO 10993) Biological Evaluation of Medical Devices. Hovedmålet med biokompatibilitetstester er å kvantifisere den akutte og kroniske toksisiteten til materialet og bestemme eventuelle potensielle bivirkninger under bruksforhold, og testene som kreves for et gitt materiale er avhengig av sluttbruk (dvs. blod, sentralnervesystemet osv. .).

Mekaniske egenskaper

I tillegg til at et materiale er sertifisert som biokompatibelt , må biomaterialer konstrueres spesielt for målapplikasjonen i et medisinsk utstyr . Dette er spesielt viktig når det gjelder mekaniske egenskaper som styrer måten et gitt biomateriale oppfører seg på. En av de mest relevante materialparametrene er Young's Modulus, E , som beskriver materialets elastiske respons på spenninger . Youngs moduler av vevet og enheten som blir koblet til det, må stemme overens for optimal kompatibilitet mellom enhet og kropp, enten enheten er implantert eller montert eksternt. Matching av elastisk modul gjør det mulig å begrense bevegelse og delaminering på biogrensesnittet mellom implantat og vev, samt å unngå spenningskonsentrasjon som kan føre til mekanisk svikt . Andre viktige egenskaper er strekk- og trykkfasthetene som kvantifiserer de maksimale spenningene et materiale tåler før de brytes, og kan brukes til å angi spenningsgrenser som en enhet kan være utsatt for i eller utenfor kroppen. Avhengig av anvendelsen kan det være ønskelig at et biomateriale har høy styrke slik at det er motstandsdyktig mot svikt når det utsettes for en belastning, men i andre anvendelser kan det være gunstig for materialet å være lav styrke. Det er en nøye balanse mellom styrke og stivhet som bestemmer hvor robust til svikt det biomateriale enheten er. Når biomaterialets elastisitet øker, vil typisk den ultimate strekkfastheten reduseres og omvendt. En applikasjon der et høyfast materiale er uønsket er i nevrale prober ; dersom en høy-styrke materiale anvendes i disse anvendelser vevet alltid vil svikte før enheten blir (under påtrykt belastning ) fordi den Youngs modul på dura mater og cerebralt vev er av størrelsesorden 500 Pa . Når dette skjer, kan det oppstå irreversibel skade på hjernen, og derfor må biomaterialet ha en elastisk modul mindre enn eller lik hjernevev og en lav strekkfasthet hvis det forventes en påført belastning.

For implanterte biomaterialer som kan oppstå temperatursvingninger , f.eks tannimplantater , duktilitet er viktig. Materialet må være duktilt av en lignende grunn for at strekkfastheten ikke kan være for høy, duktilitet lar materialet bøyes uten brudd og forhindrer også konsentrasjonen av spenninger i vevet når temperaturen endres. Den materielle egenskapen til seighet er også viktig for tannimplantater så vel som ethvert annet stivt, bærende implantat, for eksempel et erstatnings hofteledd . Tøffhet beskriver materialets evne til å deformere under påført stress uten brudd og ha høy seighet, slik at biomaterialeimplantater kan vare lenger i kroppen, spesielt når de utsettes for store belastninger eller syklisk belastede påkjenninger , som påkjenningene på en hofteledd under løping.

For medisinske anordninger som er implantert eller festes på huden, en annen viktig egenskap som krever betraktning er bøyestivhet, D . Bøyestivhet vil avgjøre hvor godt enhetens overflate kan opprettholde konform kontakt med vevsoverflaten , noe som er spesielt viktig for enheter som måler vevsbevegelse ( belastning ), elektriske signaler ( impedans ) eller er designet for å feste seg til huden uten delaminering , som i epidermal elektronikk. Siden bøyestivhet avhenger av tykkelsen på materialet, h , til den tredje kraften ( h 3 ), er det veldig viktig at et biomateriale kan formes til tynne lag i de tidligere nevnte applikasjoner der konformitet er viktigst.

Biopolymerer

Hovedartikkel: Biopolymer

Biopolymerer er polymerer produsert av levende organismer. Cellulose og stivelse , proteiner og peptider , og DNA og RNA er alle eksempler på biopolymerer, hvor henholdsvis de monomere enhetene er sukker , aminosyrer og nukleotider . Cellulose er både den vanligste biopolymeren og den vanligste organiske forbindelsen på jorden. Cirka 33% av alt plantemateriale er cellulose. På lignende måte har silke (proteinholdig biopolymer) høstet enorm forskningsinteresse i et mylder av domener, inkludert vevsteknikk og regenerativ medisin, mikrofluidika, medikamentlevering.

Se også

Fotnoter

  1. ^ Begrepet utnyttelse inkluderer nytte for applikasjoner og for grunnleggende forskning for å forstå gjensidige forstyrrelser også.
  2. ^ Definisjonen “ikke-levedyktig materiale brukt i medisinsk utstyr, ment å samhandle med biologiske systemer” anbefalt i refer. kan ikke utvides til å omfatte miljøfeltet der mennesker mener "materiale av naturlig opprinnelse".
  3. ^ Denne generelle betegnelsen skal ikke forveksles med begrepene biopolymer eller biomakromolekyl . Bruk av "polymert biomateriale" anbefales når man arbeider med polymer eller polymeranordning av terapeutisk eller biologisk interesse.

Referanser

Eksterne linker