Czym są biomateriały?

Biomateriały są trójwymiarowymi, porowatymi i biokompatybilnymi - dobrze działającymi w ludzkim organizmie strukturami. Odgrywają zarówno mechaniczną, jak i funkcjonalną rolę w stymulacji komórek macierzystych do odtwarzania tkanki.

Wykorzystuje się je w celu produkcji implantów mogących zastąpić organy utracone lub uszkodzone wskutek urazu, choroby nowotworowej czy genetycznej. Przez ich różnorodność i wiele zastosowań – od przeszczepów skóry po skomplikowane narządy jak serce ciągle są prowadzone badania nad nimi.

W 1987 roku w trakcie Konferencji Europejskiego Towarzystwa Biomateriałów grupa ekspertów zdefiniowała biomateriały jako abiotyczne materiały, czyli mające wpływ na środowisko, które wykorzystywane są w charakterze urządzeń medycznych, w założeniu mające wchodzić w interakcję z systemami biologicznymi. Ówcześni naukowcy stawiali sobie za zadanie opracowanie powłok zmniejszających ryzyko odrzucenia mechanicznych implantów. Od tego czasu dokonał się w tej dziedzinie ogromny postęp, umożliwiający przeszczepianie narządów niemal w całości składających się z biomateriałów. Te osiągnięcia nabierają dużego znaczenia w obliczu coraz bardziej realnej wizji medycyny regeneracyjnej. Ideałem leczenia ubytków tkanki, zarówno dla lekarza jak i pacjenta, byłoby uzupełnianie komórek za pomocą zwykłego wstrzyknięcia, jednak jest to możliwe w bardzo niewielu przypadkach (choroby hematopoetyczne, choroby naczyń, niedobory substancji, np. insuliny).

Większość narządów ma swoją szczególną trójwymiarową organizację i potrzebuje stałego podłoża do uformowania narządu z komórek. Podłoże to nazywane jest rusztowaniem, matrycą lub sztuczną macierzą zewnątrzkomórkową. Pełni tę samą funkcję, co naturalna macierz: wspomaga namnażanie komórek, różnicowanie i biosyntezę komórek, zapobiega także napływowi komórek z sąsiednich tkanek i substancji międzykomórkowej produkowanej przez komórki tkanki łącznej, które masowo kolonizują ubytek, co zakłóca utrudnia regeneracje narządu.

Ich właściwości fizyczne i chemiczne.

Biomateriał do zastępowania macierzy musi odznaczać się odpowiednią porowatością, co oznacza, że w jego wnętrzu znajdą się skomunikowane ze sobą mikropory, które zostaną zasiedlone przez komórki. Jednocześnie komórki powinny mieć swobodę migracji, namnażania się i łatwy dostęp do składników odżywczych oraz możliwość odprowadzania ubocznych produktów metabolizmu. Należy pamiętać, że nie może on być również zbyt „gąbczasty” i musi zachować wytrzymałość mechaniczną. Ponadto biomateriał musi zachować odpowiedni czas degradacji. Przykładowo podczas regeneracji kości musi być tak długi by utrzymać tkankę, aż kość się zregeneruje. Za to w przypadku skóry nie ma potrzeby, by matryca pozostawała w organizmie dłużej niż miesiąc. Zbędny materiał, nie mogąc ustąpić miejsca odtwarzającej się tkance, prawdopodobnie tylko zahamuje procesy regeneracyjne.

Przy doborze materiałów bierze się zaś pod uwagę:

• biozgodność oraz biotolerancję dla danego osobnika • własności mechaniczne i wytrzymałościowe • stopień kontaktu z ciałem ludzkim (stopień inwazyjności) • oddawanie energii lub substancji do ciała lub na ciało • okres zastosowania • możliwości wykonawcze • ekonomiczność rozwiązania

Jakie substancje mogą być wykorzystywane jako biomatryce?

Biomateriały dzielą się na rodzaju materiały metaliczne, ceramiczne, węglowe, polimery naturalne tj. białkowe i polisacharydowe, polimery syntetyczne oraz kompozyty.

Pierwsza wzmianka o biomateriałach metalicznych pojawiła się już w XVI w. (zszywanie kości złotymi i srebrnymi nićmi). Dziś wykorzystywane są np. jako płytki kostne, implanty dentystyczne, rozruszniki serca, stenty, endoprotezy. Metale, z których się je wytwarza ze względu na największe bezpieczeństwo to: •stal Cr-Ni-Mo, o strukturze austenitycznej •tytan i jego stopy •stopy na osnowie kobaltu •tantal, niob i ich stopy •metale szlachetne

Kolejny rodzaj – ceramiczne, charakteryzują się większą tolerancją w organizmie, są bardziej odporne na ścieranie i ściskanie, mają większa odporność na korozje w obecności płynów ustrojowych, ale największą zaletą jest ich porowatość, dzięki której tkanka ma możliwość wrosnąć w materiał i co daje trwalsze połączenie. Ich wadami są za to kruchość, mała wytrzymałość na zginanie i nie wykazywanie odkształcalności. Najczęściej są wykorzystywane w stomatologii.

Biomateriały węglowe Biomateriały węglowe mają duże znaczenie w chirurgii, gdyż cechują się: dobrą biotolerancją, dobrymi własnościami fizykochemicznymi i odpornością na promieniowanie jonizujące i niejonizujące, atrombogennością (własność materiału eliminująca powstawanie skrzepów) i dobrą hemozgodnością (biozgodnością z krwią). Węgiel wykorzystywany jest w postaci grafitu, diamentu i fullerenu. Często wykorzystywany materiał do protez wiązadeł i ścięgien.

Oczywiście najlepiej tolerowane przez organizm są białka, jak obecny w wielu tkankach kolagen, czy fibryna – biorąca udział w tworzeniu skrzepów. Na uwagę zasługuje również jedwab, charakteryzujący się znacznie lepszą wytrzymałością mechaniczną i przedłużonym czasem trwałości.

Obok matryc białkowych, innymi polimerami tworzącymi dobre środowisko macierzy są polisacharydy inaczej nazywane wielocukrami. Łatwo przeprowadzić je w stan żelu, co ułatwia podanie do rany. Wśród tych najczęściej używanych polisacharydów znajdują się agaroza, alginian, hialuronian i chitosan. Alginian nie posiada żadnego wiązania ulegającego hydrolizie, a mimo to jest używany jako materiał wchłanialny. Dzieje się tak dlatego, że alginian wapnia nie rozpuszcza się w wodzie, ale w organizmie jony wapnia są stopniowo zastępowane jonami sodu. Powstający w tym procesie nowy związek doskonale rozpuszcza się w wodzie, tak więc implant przygotowany na bazie tej substancji niemal znika bez śladu.

Do produkcji biomateriałów bardzo powszechnie wykorzystywane są również polimery syntetyczne. Ich największą zaletą jest możliwość uzyskania powtarzalności, dzięki ściśle określonemu składowi chemicznemu. Także kontrolowania właściwości mechanicznych, kształtu oraz stopnia degradacji. Jednak wymagaj dodatkowej modyfikacji i nie są tak biozgodne jak macierze białkowe, a produkty ich rozkładu mogą wywoływać odpowiedź układu odpornościowego. Niektóre z używanych polimerów syntetycznych to: silikony w chirurgii plastycznej i rekonstrukcyjnej, politetrafluoroetylen – do protez naczyniowych i nici chirurgicznych, poliuretany jako elementy sztucznego serca, protezy naczyniowe o małym przekroju, polietylen również w chirurgii plastycznej, a także jako cewniki, główki i panewki endoprotez stawowych, polimetakrylan metylu – ortopedia, soczewki wewnątrzgałkowe.

W ostatnim czasie często wykorzystywane są kompozyty Są to materiały makroskopowo-monolityczne to znaczy widoczne gołym okiem lub z koniecznością użycia mikroskopu. Dla otrzymania ich łączy się składniki o różnych właściwościach. W wyniku czego otrzymano właściwości albo wyższe, albo dodatkowe w stosunku do właściwości osobnych składników. Kompozyty stanowią obszerną rodzinę materiałów konstrukcyjnych, z których wytwarzane są najróżniejsze wyroby szeroko stosowane w wielu dziedzinach techniki i życia codziennego. Kompozyty utworzone są z co najmniej dwóch składników, znacząco różniących się właściwościami. Celem takiego połączenia jest uzyskanie materiału o nowych właściwościach, lepszych w porównaniu z właściwościami składników