Войти
A имплантат бедра, является примером применение биоматериалов A биоматериал - это вещество, которое было разработано для взаимодействия с биологическими системами в медицинских целях - либо терапевтических (лечить, увеличивать, восстанавливать или заменять функцию тканей тела), либо диагностических. Как науке биоматериалам около пятидесяти лет. Изучение биоматериалов называется наука о биоматериалах или инженерия биоматериалов . За свою историю компания пережила устойчивый и сильный рост, и многие компании вкладывали большие суммы денег в разработку новых продуктов. Наука о биоматериалах охватывает элементы медицины, биологии, химии, тканевой инженерии и материаловедения.
Обратите внимание, что биоматериал отличается от биологического материала, такого как кость, который производится биологической системой. Кроме того, следует проявлять осторожность при определении биоматериала как биосовместимого, поскольку он зависит от области применения. Биоматериал, который является биосовместимым или пригодным для одного применения, может быть несовместимым в другом.
IUPAC определение Материал, используемый в контакте с живыми тканями, организмами или микроорганизмами.Биоматериалы могут быть получены из природы или синтезированы в лаборатории с использованием различных химических подходов с использованием металлических компонентов, полимеров, керамики или композиционных материалов. Они часто используются и / или адаптированы для медицинского применения и, таким образом, включают в себя всю или часть живой конструкции или биомедицинского устройства, которое выполняет, дополняет или заменяет естественную функцию. Такие функции могут быть относительно пассивными, например, использоваться для сердечного клапана, или могут быть биоактивными с более интерактивными функциями, такими как гидроксиапатит с покрытием имплантаты бедра. Биоматериалы также используются каждый день в стоматологии, хирургии и доставке лекарств. Например, конструкция с пропитанными фармацевтическими продуктами может быть помещена в тело, что обеспечивает пролонгированное высвобождение лекарства в течение продолжительного периода времени. Биоматериал может также представлять собой аутотрансплантат, аллотрансплантат или ксенотрансплантат, используемый в качестве материала трансплантата.
Способность сконструированного биоматериала вызывать физиологический ответ, поддерживающий функцию и характеристики биоматериала, известна как биоактивность. Чаще всего в биоактивных стеклах и биоактивной керамике этот термин относится к способности имплантированных материалов хорошо связываться с окружающей тканью, выполняя либо остеокондуктивную, либо остеопродуктивную роль. Материалы костных имплантатов часто предназначены для стимулирования роста костей при растворении в окружающей жидкости организма. Таким образом, для многих биоматериалов желательна хорошая биосовместимость, а также хорошая прочность и скорость растворения. Обычно биоактивность биоматериалов оценивают по поверхностной биоминерализации, при которой на поверхности образуется естественный слой гидроксиапатита.
Самосборка - наиболее распространенный термин, используемый в современном научном сообществе для описания спонтанной агрегации частиц (атомов, молекул, коллоидов, мицеллы и др.) Без воздействия каких-либо внешних сил. Известно, что большие группы таких частиц собираются в термодинамически стабильные, структурно четко определенные массивы, весьма напоминающие одну из 7 кристаллических систем, обнаруженных в металлургии и минералогии (например, гранецентрированный кубический, объемноцентрированный кубический и т. Д.). Принципиальное различие в равновесной структуре заключается в пространственном масштабе элементарной ячейки (или параметра решетки) в каждом конкретном случае.
Самосборка молекул широко распространена в биологических системах и составляет основу множества сложных биологических структур. Это включает в себя новый класс механически превосходных биоматериалов, основанных на микроструктурных особенностях и конструкциях, встречающихся в природе. Таким образом, самосборка также становится новой стратегией в химическом синтезе и нанотехнологии. Молекулярные кристаллы, жидкие кристаллы, коллоиды, мицеллы, эмульсии, полимеры с разделением фаз, тонкие пленки и самоорганизующиеся монослои - все они представляют собой примеры типов высокоупорядоченных структур, которые получают с использованием этих методов. Отличительной чертой этих методов является самоорганизация.
Практически все материалы можно рассматривать как иерархически структурированные, тем более что изменения в пространственном масштабе вызывают различные механизмы деформации и повреждения.. Однако в биологических материалах эта иерархическая организация присуща микроструктуре. Одним из первых примеров этого в истории структурной биологии является ранняя работа по рассеянию рентгеновских лучей по иерархической структуре волос и шерсти, выполненная авторами Эстбери и Вудс. В кости, например, коллаген является строительным блоком органической матрицы - тройной спирали диаметром 1,5 нм. Эти молекулы тропоколлагена интеркалированы с минеральной фазой (гидроксиапатит, фосфат кальция), образуя фибриллы, которые сворачиваются в геликоиды чередующихся направлений. Эти «остеоны » являются основными строительными блоками костей, причем распределение объемной доли между органической и минеральной фазами составляет примерно 60/40.
На другом уровне сложности кристаллы гидроксиапатита представляют собой минеральные пластинки, которые имеют диаметр приблизительно 70–100 нм и толщину 1 нм. Первоначально они зарождаются в промежутках между фибриллами коллагена.
Точно так же иерархия оболочки морского ушка начинается на наноуровне с органического слоя, имеющего толщину 20–30 нм. Этот слой состоит из монокристаллов арагонита (полиморф CaCO 3), состоящих из «кирпичей» размером 0,5 и заканчивающихся слоями примерно 0,3 мм ().
Крабы - это членистоногие, панцирь которых состоит из минерализованного твердого компонента (который демонстрирует хрупкое разрушение) и более мягкого органического компонента, состоящего в основном из хитина. Хрупкий компонент расположен по спирали. Каждый из этих минеральных «стержней» (диаметром 1 мкм) содержит хитин-белковые фибриллы диаметром примерно 60 нм. Эти фибриллы состоят из каналов диаметром 3 нм, которые соединяют внутреннюю и внешнюю части оболочки.
Биоматериалы используются в:
Биоматериалы должны быть совместимы с телом, и часто возникают проблемы биосовместимости, которые необходимо решить заранее продукт может быть размещен на рынке и использоваться в клинических условиях. Из-за этого к биоматериалам обычно предъявляются те же требования, что и к тем, которым подвергаются новые лекарственные методы лечения.
Все компании-производители также обязаны обеспечивать отслеживаемость всех своих продуктов, чтобы в случае обнаружен дефектный продукт, возможно отслеживание других в той же партии.
В США 49% из 250 000 процедур замены клапана, выполняемых ежегодно, связаны с имплантацией механического клапана. Наиболее широко применяемым клапаном является двустворчатый дисковый сердечной клапан или клапан Сент-Джуда. Механика включает в себя два полукруглых диска, которые движутся вперед и назад, и оба обеспечивают поток крови, а также способность образовывать уплотнение против обратного потока. Клапан покрыт пиролитическим углеродом и прикреплен к окружающей ткани сеткой из тканого материала, называемого дакроном (торговое наименование Du Pont для полиэтилентерефталата ). Сетка позволяет тканям тела расти при включении клапана.
В большинстве случаев «искусственная» ткань выращивается из собственных клеток пациента. Однако, когда повреждение настолько велико, что невозможно использовать собственные клетки пациента, выращивают искусственные тканевые клетки. Сложность состоит в том, чтобы найти основу, на которой клетки могут расти и организовываться. Характеристики каркаса должны заключаться в том, что он является биосовместимым, клетки могут прикрепляться к каркасу, механически прочным и биоразлагаемым. Одним из успешных каркасов является сополимер молочной кислоты и гликолевой кислоты.
Биосовместимость связана с поведением биоматериалов в различных средах при различных условиях. химические и физические условия. Термин может относиться к конкретным свойствам материала без указания того, где и как материал будет использоваться. Например, материал может вызывать слабый иммунный ответ или вовсе не вызывать его в данном организме и может или не может быть способен интегрироваться с конкретным типом клеток или тканью. Иммуноинформированные биоматериалы, которые направляют иммунный ответ, а не пытаются обойти этот процесс, - это один из перспективных подходов. Неоднозначность этого термина отражает постоянное развитие понимания того, как биоматериалы взаимодействуют с человеческим телом и, в конечном итоге, как эти взаимодействия определяют клинический успех медицинского устройства (например, кардиостимулятор или замена тазобедренного сустава ). Современные медицинские устройства и протезы часто изготавливаются из более чем одного материала, поэтому не всегда может быть достаточно говорить о биосовместимости конкретного материала. Хирургическая имплантация биоматериала в организм вызывает воспалительную реакцию организма с соответствующим заживлением поврежденной ткани. В зависимости от состава имплантированного материала, поверхности имплантата, механизма усталости и химического разложения возможен ряд других реакций. Они могут быть как местными, так и системными. К ним относятся иммунный ответ, реакция на инородное тело с изоляцией имплантата с сосудистой соединительной тканью, возможная инфекция и влияние на срок службы имплантата. Болезнь трансплантат против хозяина - это ауто- и аллоиммунное заболевание, имеющее различное клиническое течение. Он может проявляться как в острой, так и в хронической форме, поражая несколько органов и тканей и вызывая серьезные осложнения в клинической практике как во время трансплантации, так и во время применения биосовместимых материалов.
.
Некоторые из наиболее часто используемых биосовместимые материалы (или биоматериалы) представляют собой полимеры из-за присущей им гибкости и регулируемых механических свойств. Медицинские изделия из пластмасс часто изготавливаются из нескольких избранных, включая: сополимер циклических олефинов (COC), поликарбонат (PC), полиэфиримид (PEI), медицинские марка поливинилхлорид (PVC), полиэфирсульфон (PES), полиэтилен (PE), полиэфирэфиркетон (PEEK) и даже полипропилен (ПП). Чтобы гарантировать биосовместимость, существует ряд регламентированных тестов, которые материал должен пройти, чтобы получить сертификат для использования. К ним относятся Тест биологической реактивности Фармакопеи США IV (класс IV Фармакопеи США) и биологическая оценка медицинских устройств Международной организации по стандартизации 10993 (ISO 10993). Основная цель тестов на биосовместимость - количественно оценить острую и хроническую токсичность материала и определить любые потенциальные побочные эффекты в условиях использования, поэтому тесты, необходимые для данного материала, зависят от его конечного использования (т. Е. Крови, центральной нервной системы,
Помимо материала, сертифицированного как биосовместимый, важно, чтобы биоматериалы были разработаны специально для их целевого применения в пределах медицинское изделие. Это особенно важно с точки зрения механических свойств, которые определяют поведение данного биоматериала. Одним из наиболее важных параметров материала является Модуль Юнга, E, который описывает упругую реакцию материала на напряжения. Модули Юнга ткани и соединяемого с ней устройства должны точно соответствовать для оптимальной совместимости между устройством и телом, независимо от того, имплантировано ли устройство или установлено снаружи. Соответствие модуля упругости позволяет ограничить движение и расслоение на биоинтерфейсе между имплантатом и тканью, а также избежать концентрации напряжения, которая может привести к механическая неисправность. Другими важными свойствами являются предел прочности и сжатие, которые количественно определяют максимальные нагрузки, которые материал может выдержать перед разрушением, и могут использоваться для установки пределов напряжения, которые может быть предметом внутри или вне тела. В зависимости от применения может быть желательно, чтобы биоматериал обладал высокой прочностью, чтобы он был устойчивым к разрушению при воздействии нагрузки, однако в других применениях может быть полезно, чтобы материал имел низкую прочность. Существует тщательный баланс между прочностью и жесткостью, который определяет, насколько устойчиво к отказу устройство из биоматериала. Обычно по мере увеличения эластичности биоматериала предел прочности на разрыв будет уменьшаться, и наоборот. Одно применение, где использование высокопрочного материала нежелательно, - это нейронные зонды ; если в этих случаях используется высокопрочный материал, ткань всегда выходит из строя раньше, чем устройство (при приложенной нагрузке ), потому что модуль Юнга твердой мозговой оболочки и церебральная ткань порядка 500 Па. Когда это происходит, может произойти необратимое повреждение мозга, поэтому крайне важно, чтобы биоматериал имел модуль упругости меньше или равный мозговой ткани и низкую прочность на растяжение, если ожидается приложенная нагрузка.
Для имплантированных биоматериалы, которые могут испытывать колебания температуры , например зубные имплантаты, пластичность важны. Материал должен быть пластичным по той же причине, что предел прочности на разрыв не может быть слишком высоким, пластичность позволяет материалу изгибаться без разрушения, а также предотвращает концентрацию напряжений в ткани при температуре изменения. Свойство материала твердость также важно для зубных имплантатов, а также для любого другого жесткого, несущего нагрузку имплантата, такого как заменяющий тазобедренный сустав. Прочность описывает способность материала деформироваться под действием приложенного напряжения без разрушения, а высокая прочность позволяет имплантатам из биоматериала дольше служить в организме, особенно при больших нагрузках или циклически. напряжения, такие как напряжения, приложенные к тазобедренному суставу во время бега.
Для медицинских устройств, которые имплантируются или прикрепляются к коже, другим важным свойством, требующим рассмотрения, является жесткость при изгибе, D. Жесткость при изгибе определяет, насколько хорошо поверхность устройства может поддерживать конформный контакт с поверхностью ткани, что особенно важно для устройств, измеряющих движение ткани (напряжение ), электрические сигналы (импеданс ) или предназначены для прилипания к коже без расслаивания, как в эпидермальной электронике. Поскольку жесткость на изгиб зависит от толщины материала h в третьей степени (h), очень важно, чтобы биоматериал мог быть сформирован в виде тонких слоев в ранее упомянутых приложениях, где конформность имеет первостепенное значение.
Биополимеры - это полимеры, производимые живыми организмами. Целлюлоза и крахмал, белки и пептиды, а также ДНК и РНК все являются примеры биополимеров, в которых мономерные звенья, соответственно, представляют собой сахара, аминокислоты и нуклеотиды. Целлюлоза - это самый распространенный биополимер и наиболее распространенное органическое соединение на Земле. Около 33% всего растительного вещества составляет целлюлоза. Аналогичным образом шелк (белковый биополимер) вызвал огромный исследовательский интерес во множестве областей, включая тканевую инженерию и регенеративную медицину, микрофлюидику, доставку лекарств и т. Д.
 | На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Биоматериалы. |
