Биоматериал
В качестве биоматериала или частично в качестве материала имплантата, как правило, синтетические или натуральные неживые материалы, упоминаемые в медицине для терапевтических или диагностических целей, используются при непосредственном контакте с биологическими тканями тела. Эти материалы вступают в химические , физические и биологические взаимодействия с соответствующими биологическими системами.
В общем, этот термин относится ко всем материалам, которые вступают в контакт с телом в рамках терапевтических или диагностических мероприятий, и, таким образом, также включает кратковременный контакт через внешнюю поверхность тела , через отверстия тела и через доступные извне слизистые оболочки . Более узкое определение, используемое, в частности, в исследованиях, включает только те материалы, которые вводятся в организм для длительного удержания.
Термин «биоматериал» относится к материалу, в частности к химическим и физическим свойствам материала. Характеристикой биоматериала является биосовместимость, проистекающая из его свойств , которая включает как функциональное сходство с собственными структурами тела, так и соответствующую биологическую совместимость в организме. Напротив, термины « имплант» или « протез» описывают конкретную функцию медицинского продукта, состоящего из одного или нескольких различных биоматериалов, применительно к конкретному применению.
Назначение и требования
Биоматериалы часто используются для временной или постоянной замены органов , частей органов или структур тела, которые были разрушены из-за болезни , травм или старения или ограничены в своей функции.
Пригодность материала для использования в качестве биоматериала определяется, с одной стороны, его функциональной совместимостью с органом или тканью, которые необходимо заменить. Это означает, что используемый материал должен быть достаточно похожим на заменяемую биологическую ткань с точки зрения основных свойств, таких как твердость , эластичность и пластичность или проницаемость для различных веществ. Кроме того, по возможности, он должен обладать этими свойствами на протяжении всего времени пребывания в организме, но хотя бы в течение достаточно длительного периода времени до возможной замены.
С другой стороны, биосовместимость , то есть биологическая совместимость, является решающим критерием пригодности биоматериала. Это означает, что материал должен оказывать минимальное негативное воздействие на окружающие ткани в долгосрочной перспективе. Важными составляющими реакции организма, влияющими на биосовместимость, являются воспалительные процессы и иммунологические реакции . Все эти процессы, направленные против имплантированного биоматериала, называются реакциями на инородное тело .
Краткосрочные и долгосрочные негативные последствия использования биоматериала, которых следует по возможности избегать, включают, например, механическое раздражение, такое как болезненность, стойкие острые воспалительные реакции, токсические и мутагенные эффекты, аллергии и инфекции . Помимо повреждающего воздействия на ткани тела, эти реакции также могут отрицательно сказаться на функции материала и даже привести к выходу имплантата из строя.
«Идеальный» биоматериал, отвечающий всем требованиям к его функциональным свойствам, а также характеризующийся полной биосовместимостью и, таким образом, позволяющий неограниченное использование с постоянной функцией, в настоящее время недоступен.
использованный материал
Материалы, используемые в качестве биоматериалов, не являются однородной группой с точки зрения их происхождения или их химических и физических свойств. Скорее можно выделить несколько различных групп материалов. Самые старые материалы, используемые в качестве биоматериалов, включают металлы , особенно драгоценные металлы, такие как золото и платину, и другие коррозионно-стойкие металлы, такие как титан . Помимо химической стойкости, они отличаются высокой механической прочностью и поэтому в основном используются для замены костей и зубов . Они считаются инертными . Для аналогичных целей также используются материалы на основе углерода и различных керамических материалов . Также широко распространены медицинские пластмассы, такие как полиэстер , полиэтилен и полиуретан , которые используются для различных целей в зависимости от их конкретных свойств. К ним относятся протезы лица для несчастных случаев и больных раком или протезы для замены кровеносных сосудов, а также имплантаты мениска и вкладки для протезов суставов.
Так называемые рассасывающиеся материалы следует отличать от упомянутых материалов, которые из-за своих химических и физических свойств должны постоянно сохранять свою функцию. Они расщепляются организмом в результате химических и биологических процессов, что желательно при использовании этих материалов. К ним относятся, например, полимеры, изготовленные из гликолевой кислоты или диоксанона , которые используются в качестве хирургических шовных материалов при операциях, при которых снятие шва после заживления зашитого отверстия тела нецелесообразно. Другим примером рассасывающегося биоматериала является гидроксиапатит (ГА), материал на основе фосфата кальция, используемый для замещения кости. В этом контексте гидроксиапатит в основном используется в качестве материала покрытия. Он работает как остеокондуктивно, то есть как опорная структура (каркас) для костных клеток, так и остеоиндуктивно, стимулируя рост новой костной ткани, тем самым способствуя росту имплантата на кости. Магниевые сплавы , которые имеют свойства, сопоставимые со свойствами костей человека с точки зрения прочности и эластичности, испытываются, в частности, в сочетании с ГК в качестве материала имплантата. Цель состоит в том, чтобы разработать рассасывающийся материал имплантата.
Природные вещества, которые используются в качестве биоматериалов, включают, например, кораллы в качестве опорной конструкции при замене костей. Другими примерами являются коллаген , хитозан, полученный из хитина, или альгинат, полученный из морских водорослей . Эти вещества используются, в частности, для поверхностного покрытия или оболочки материалов, упомянутых в начале, с целью улучшения биосовместимости всего имплантата .
Примеры применения
Биоматериалы используются в медицине по-разному. К простейшим приложениям относятся перевязочные материалы для покрытия ран. Они временно берут на себя часть функций кожи, разрушенных раной , таких как защита подлежащей ткани от воздействия окружающей среды и предотвращение утечки крови. Еще одно сравнительно простое применение биоматериалов - контактные линзы . В таких внешних применениях обычно очень легко удалить или заменить материал в случае несовместимости или потери функции.
Многие биоматериалы используются внутри тела в виде имплантатов. Они используются, например, как часть лечения, называемого остеосинтезом, для поддержки заживления после перелома кости, а также для постоянной замены костей, которые были безвозвратно разрушены в результате несчастного случая или рака кости . Также возможна замена суставных структур , изношенных из-за хронических заболеваний или длительного стресса. С сосудистые протезы кровеносных сосудов , могут быть заменены, стенты используются для поддержки стенки кровеносных сосудов. Примерами замены частей органов или целых органов биоматериалами являются искусственные сердечные клапаны , искусственные мочевые пузыри , кардиостимуляторы или искусственное сердце , а также кохлеарные имплантаты в ухе. Биоматериалы также используются в пластической хирургии , например, стекло для искусственных глаз , силикон для увеличения груди или полиэстер для реконструкции лица.
Особым случаем использования биоматериалов являются так называемые экстракорпоральные системы замены или поддержки органов, то есть устройства, которые временно берут на себя функцию органа вне тела. К ним относятся, например, аппарат искусственного кровообращения , который может временно заменить сердце и легкие во время операции , устройства для диализа в качестве повторного лечения для восстановления функции почек или системы, известные как система рециркуляции молекулярного адсорбента (MARS) для детоксикации крови, например, печень. заменители . Материалы, используемые в этих устройствах для циркуляции крови и обмена веществ и газов между кровью и устройствами, должны соответствовать аналогичным требованиям с точки зрения их функциональных свойств и биосовместимости, как биоматериалы, которые используются в качестве имплантатов внутри тела.
история
Швы для закрытия ран, вероятно, использовались около 32000 лет назад. Первые находки, подтверждающие целенаправленное использование экзогенных материалов в качестве терапевтических имплантатов, датируются несколькими сотнями лет после начала эпохи. Например, железные протезы были найдены в человеческом теле , со вторым века, и около 400 лет спустя Майя сделали зубные протезы из матери - зача- перламутра из морских раковин . Изобретение контактных линз, вероятно, восходит к Адольфу Гастону Ойгену Фику примерно в 1887 году. Золото и платина в качестве материала штифта для зубных протезов были впервые использованы в начале 19 века. В тот же период врачи и ученые начали специально исследовать использование металлов для имплантатов внутри тела в исследованиях. Немецкий хирург Фемистокл Глюк в 1891 году выполнил первую имплантацию эндопротеза тазобедренного сустава из слоновой кости , которая, однако, не имела длительного успеха. Первыми исследованиями использования пластика в качестве биоматериала были изучение целлофана как покрытия кровеносных сосудов в 1939 году и исследование нейлоновой нити в качестве хирургического шовного материала в 1941 году.
Однако современная история биоматериалов началась примерно в 1950 году с разработки искусственных органов и систем поддержки органов. Например, сосудистый протез был впервые использован на людях в 1952 году и оказался успешным; пациент, о котором идет речь, выжил в течение многих лет без каких-либо проблем с имплантатом. В том же году впервые, хотя и безуспешно, была предпринята попытка имплантации искусственного сердечного клапана в бьющееся сердце. Год спустя Джон Хейшем Гиббон представил первый аппарат искусственного кровообращения. Помимо других операций на сердце в состоянии покоя, это также позволило провести первую замену митрального клапана искусственным имплантатом в 1960 году. В том же году Виллем Колфф разработал первую экстракорпоральную искусственную почку на основе исследований, начиная с 1943 года. С помощью этой технологии впервые удалось спасти пациентов с почечной недостаточностью от неминуемой смерти. Колфф впервые имплантировал собаке искусственное сердце тремя годами ранее. После первого использования кардиостимулятора в 1958 году шведским врачом Оке Сеннингом Майкл Дебейки впервые применил систему поддержки сердца внутри человеческого тела в 1966 году . Три года спустя Дентон Кули впервые попытался заменить все сердце человека искусственным сердцем. Первые успехи пришли с использованием искусственного сердца Ярвик-7 с 1982 года.
Помимо значительных достижений в технологии и функциональности имплантатов, 1960-е годы также ознаменовали начало разработки биоматериалов , то есть целенаправленной разработки и модификации биоматериалов в отношении их функциональных свойств и их биосовместимости. Материалы, которые использовались до этого, обычно были стандартными материалами, которые были проверены эмпирическими тестами на их пригодность в качестве биоматериалов. Соответственно, врачи и инженеры доминировали в области исследований биоматериалов до начала 1960-х годов. В отличие от этого, в настоящее время разработаны методы стандартизированного тестирования функциональных свойств и биосовместимости, которые позволяют сравнивать различные материалы. Это означает, что химики, физики и материаловеды также все чаще включаются в исследования, и с возрастающей важностью биосовместимости и, в частности, ряда важных результатов иммунологии, а также биологов.
литература
- Эрих Винтермантел : Медицинские технологии - Инженерия наук о жизни. Springer, Берлин и Гейдельберг, 2009 г., ISBN 978-3-540-93935-1 .
- Герхард Ракхорст, Рутгер Плоег (ред.): Биоматериалы в современной медицине: перспектива Гронингена . World Scientific, 2008, ISBN 978-981-270-956-1 (английский).
- Бадди Ратнер : Наука о биоматериалах. Введение в материалы в медицине. Эльзевир, Амстердам 2004, ISBN 0-12-582463-7 .
- Гэри Л. Боулин, Гэри Унек: Энциклопедия биоматериалов и биомедицинской инженерии. Марсель Деккер, Нью-Йорк и Оксфорд 2004, ISBN 0-8247-5562-6 .
- Джеймс М. Андерсон : Биологические реакции на материалы. В: Ежегодный обзор исследований материалов. 31/2001. Ежегодные обзоры, стр. 81-110, ISSN 1531-7331 .