بیومتریال
تعريف بيومواد محدوده وسيعی را در بر می گيرد. در واقع هر ماده طبيعي يا مصنوعي که با بافت زنده يا مايعات بيولوژيکي بدن در تماس باشد و فصل مشترک بسازد در اين شاخه قرار می گيرد. با اين تعريف وسايلی چون سمعک و اندام مصنوعی مانند دست و پای مصنوعی به اين علت که پوست را به عنوان سدی در مقابل خود و بافت زنده بدن می بينند، از اين رويه مستثنی می شوند. در مطالعه علم بيومواد به عباراتی همچون سازگاری زيستی (Biocompatibly) و فعاليت زيستی (Bioactivity) برمی خوريم که به اختصار به آنها می پردازيم.
- سازگاری زيستی (Biocompatibly) يعنی اين که ماده کاشته شده تاثير منفي بر روي سيستم بيولوژيک بدن نداشته باشد. با توجه به اينکه اکثر اين مواد دارای پايه فلزی هستند و اکسيداسيون آنها در بدن باعث آلرژی زايي و امراض لاعلاجی مانند سرطان و در نهايت مرگ انسان می شود، اين مسئله می تواند مهمترين خصوصيت آنها اطلاق شود.
- در مقابل مسئله فعاليت زيستی (Bioactivity) ايمپلنت مطرح می شود که علی رغم داشتن خصيصه فوق بتواند کارايی و وظيفه خودش را به نحو احسنت انجام دهد. به عنوان مثال اگر به عنوان ايمپلنت استخوانی به کار مي رود، به راحتی با استخوانی که با آن در تماس است، پيوند مکانيکی برقرار واستحکام مناسب را ايجاد کند.
کاربردهای پزشکی بیومتریال
- قطعات قابل کاشت در قلب و عروق مانند استنت ها، عروق خون رسان، دریچه های قلبی، الکتروشوک و ضربان سازها
- قطعات مورد استفاده در سیستم عصبی، مانند ایمپلنت های عصبی وپروتزهای مورد استفاده در سیستم عصبی مرکزی و سیستم عصبی محیطی
- پروتزهای ارتوپدی مانند استخوان های پیوندی، صفحات استخوانی، فین ها و تجهیزات جوش دادن
- تجهیزات تثبیت کننده ی مورد استفاده در ارتوپدی مثل پیچ های تداخلی در مچ پا، زانو و نواحی دست، میله ها و پین های تثبیت کننده ی شکستگی و پیچ ها و صفحات مورد استفاده در ترمیم جمجمه، فک و صورت
- داربست های مهندسی بافت استخوان برای شکستگی ها و ایمپلنت های دندانی
انواع بیومتریال
بیومتریال می‌توانند به صورت فلزی، پلیمری، سرامیکی یا ترکیبی از این مواد باشند که تحت عنوان کامپوزیت شناخته می‌شوند. با توجه به نوع بافت، هر کدام از این مواد می‌توانند در طراحی پروتزها، دریچه‌ها، مفاصل، استنت‌ها و صفحات مورد استفاده واقع شوند. اهمیت زیست سازگاری، خود ترمیم‌شوندگی، خنثی بودن شیمیایی و استحکام مکانیکی مناسب از جمله مواردی است که در طراحی هر زیست ماده باید مورد توجه قرار گیرد.
فلزات: فلزات به سبب دارا بودن مجموعه ای از خواص مانند استحکام ذاتی، چقرمگی شکست و استحکام خستگی بالا معمولاً در کاربردهای تحمل بار، همچون موارد زیر استفاده می شوند:
- به عنوان مفاصل مصنوعی، صفحات و پیچ ها در ارتوپدی
- دستگاه های مورد استفاده در ارتودنسی و دندانپزشکی، مانند براکت ها و ایمپلنت های دندانی
- به عنوان قطعات مورد استفاده در قلب و عروق و جراحی مغز و اعصاب، مانند قلب مصنوعی، گیره ها، استنت ها، سیم ها و کویل ها به سبب شکل پذیری بهتر
پلیمرها: در بین مواد غیرقابل جذب، پلیمرهای زیست تخریب پذیر در مقایسه با سرامیک ها و فلزات توجه بیشتری را به خود جلب کرده اند. آن ها به راحتی می توانند به اشکال گوناگونی فراوری شوند و دارای گستره وسیعی از خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و حرارتی هستند. پلیمرهای طبیعی یا مصنوعی خواص ویسکوالاستیک دارند و میتوان از آن ها در جاهایی که تنشهای مکانیکی اندک وجود دارد، مثل بافتهای نرمی نظیر غضروف و تاندون ها، استفاده کرد. نیازهای یک ماده پلیمری برای این که بتوان از آن در کاربردهای مهندسی پزشکی استفاده کرد شامل مقاومت به خستگی، مقاومت به پیرشدن در محیط های آبی-نمکی، زیست سازگاری، پایداری ابعادی، عدم حضور افزودنی های مضر مهاجر و قابلیت سِتَرون شدن با روش های استاندارد بدون از دست دادن خواص می باشد. ترکیب پلیمرها و فازهای غیرآلی منجر به تولید مواد کامپوزیتی با خواص مکانیکی بهبود یافته به خاطر استحکام و سفتی ذاتی بالاتر مواد غیر آلی می شود. بنابراین در جاهایی مانند استخوان که سفتی به همراه توانایی جذب ضربه نیاز است، پلیمرهای پر شده با ذرات سرامیکی می توانند راه حل جالب توجهی باشند.
دسته ای از مواد پلیمری که در کاربردهای زیست پزشکی و دارو رسانی کاربرد وسیعی پیدا کرده اند، هیدروژل ها هستند. هیدروژل ها مواد چند فازی آب دوست هستند که زیست سازگاری عالی و هر دو خواص شبه جامد و شبه مایع را از خود نشان می دهند. ساختار آن ها شامل یک شبکه سه بعدی از زنجیره های پلیمری است که معمولاً به عنوان یک مش، با فضای درون شبکه ای پر شده با آب، سیالات بیولوژیکی و یا انواع یون ها توصیف می شوند. شبکه، سیال را در جای خود نگه می دارد که استحکام هیدروژل را به وجود می آورد، در حالی که فاز سیال آن را خیس و نرم می کند. به خاطر این ساختار ویژه، این پلیمرها رفتار ویسکوالاستیک یا گاهی الاستیک خالص از خود نشان می دهند. هیدروژل ها می توانند مقادیر زیادی آب (حتی تا بیش از ۱۰۰۰ برابر جرم پلیمر) را بدون حل شدن جذب کنند، که اجازه تبادل راحت مواد غذایی و مواد زائد را با محیط اطراف می دهد. پروتئین ها و پلی ساکاریدهای ماتریس خارج سلولی را می توان به عنوان هیدروژل در نظر گرفت. این شباهت با ماتریس خارج سلولی به هیدروژل ها توانایی تقلید بافت انسانی را می دهند. می توان هیدروژل ها را به گروه های مختلفی دسته بندی کرد:
- بر اساس نوع پلیمر: هیدروژل های هموپلیمر، کوپلیمر، مولتی پلیمر یا پلیمرهای در هم نفوذ کرده.
- بر اساس بار یونی: هیدروژل های خنثی، آنیونی، کاتیونی یا آمفولیتیک.
- بر اساس خواص ساختاری فیزیکی: هیدروژل های با پیوند هیدروژنی و ساختارهای کمپلکس، آمورف یا نیمه کریستالی.
- بر اساس طبیعت پیوندهای عرضی آن ها: هیدروژل های شیمیایی یا فیزیکی.
کامپوزیت ها: بسیاری از کامپوزیت های زمینه فلزی و زمینه پلیمری با چگالی پایین و استحکام بالا برای کاربردهای زیست پزشکی تولید شده اند. به منظور فراهم شدن الزامات یک ایمپلنت ایده آل، انتخاب ماده زمینه و نوع، اندازه و مقدار تقویت کننده ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. کامپوزیت هایی مانند پرکننده های کوارتز-سیلیکا یا پرکننده های شیشه ای در زمینه ی پلی متیل متاکریلات، به طور عمده در دندانپزشکی به عنوان سیمان دندانی استفاده می شوند. در تولید کامپوزیت ها باید از توزیع یکنواخت تقویت کننده ها در زمینه اطمینان حاصل کرد.
سرامیک ها: در طی چند دهه اخیر، بیوسرامیک ها با داشتن ویژگی هایی چون زیست سازگاری، غیرسمی بودن و پایداری در محیط فیزیولوژیک بدن، تحول چشمگیری در دنیای پزشکی به وجود آورده اند. استفاده از این مواد به منظور ترمیم و یا جایگزین بافت های آسیب دیده نظیر مفصل، ران، زانو، کتف و دیگر کاربردهای ارتوپدی و نیز در جایگزینی دریچه های معیوب قلب و یا ایمپلنت های دندانی موجب شده است تا بیوسرامیک ها طیف گسترده ای از متریال مورد استفاده در پزشکی را در برگیرد.
بیوسرامیک ها به واسطه ویژگی های خاص مکانیکی و فیزیکی در کاربردهایی چون ایمپلنت های بافت سخت، بر پلیمرها و فلزات برتری دارند. به عنوان مثال در دندانپزشکی نوعی از سرامیک ها با ترکیب فلوروآپاتیت و ذرات ریز شیشه زیستی به عنوان ماده جایگزین دندان کاربرد دارند و ویژگی های نوری و مکانیکی این مواد باعث می شود تا علاوه بر اینکه زیبایی و شفافیت دندان طبیعی به نظر برسد، نسبت به سایر مواد، مقاومت به سایش بیشتری در برابر تنش های ناشی از سایر دندان ها نشان دهد. از دیگر محاسن این مواد آن است که هنگامی که در بدن فرد به عنوان ایمپلنت و یا حتی پوشش سطحی یک ایمپلنت فلزی به کار می روند، می توانند رشد استخوان ها را شبیه سازی کنند، ساختمان بافت را ارتقاء دهند و نیز از سیستم ایمنی بدن دفاع نمایند.
بیوسرامیک ها در جراحی ها به عنوان پوشش ایمپلنت های گوناگون کاربرد دارند، زیرا پوشش سرامیکی، سطحی سخت تر از فولاد ضد زنگ به وجود می آورد و با بالا بردن امکان لغزش، موجب کاهش سایش ایمپلنت می شود. از مهمترین گونه های این مواد می توان به بیوسرامیک های کلسیم فسفاتی (CaP) اشاره کرد که در شکل های مختلف (قطعه، دانه، سیمان، اجزای کامپوزیت و…)با منشأ متفاوت (طبیعی، بیولوژیکی و سنتتیک) و ترکیبات گوناگون به صورت تجاری و برای کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی در دسترس قراردارند. ترکیبات کلسیم فسفات در طبیعت و سیستم های زیستی (ماهی ها، مرجان ها، استخوان گاو و…) به فراوانی یافت می شوند و در سیستم های بیولوژیک نقش برجسته ای ایفا می کنند. به عنوان مثال کربنات هیدروکسی آپاتیت (CHA) با ساختارهای کریستالی و غلظتهای متفاوت، فازهای معدنی دندان (مینا، عاج، سمنتوم و…) و استخوانها را تشکیل می دهد. همچنین انواع ترکیبات کلسیم فسفاتی در هنگام کلسیم دار شدن های غیر طبیعی و پاتولوژیک در فرد ظاهر می شوند که سنگ های کلیه، آهکی شدن و رسوب کلسیم در بافت های نرم (قلب، رگ و ریه) از این نمونه اند. بنابراین نگاه به بیوسرامیک های کلسیم فسفاتی به عنوان یک متریال بالقوه در کاربردهای گوناگون ضروری است.
