Trauma, degeneration och sjukdomar gör ofta kirurgiska reparationer eller ersättningar nödvändiga. När en person har ledsmärta är det viktigaste att lindra smärtan och återgå till en hälsosam och funktionell livsstil. Detta kräver vanligtvis utbyte av skelettdelar som omfattar knän, höfter, fingerleder, armbågar, kotor, tänder och reparation av underkäken. Den globala marknaden för biomaterial värderas till nära 24 000 miljoner dollar. Ortopediska och dentala tillämpningar står för cirka 55 % av den totala marknaden för biomaterial. Ortopediska produkter i världen översteg 13 miljarder dollar år 2000, vilket är en ökning med 12 procent jämfört med 1999 års intäkter. Expansionen inom dessa områden förväntas fortsätta på grund av ett antal faktorer, bl.a. den åldrande befolkningen, en ökande preferens bland yngre och medelålders kandidater att genomföra operationer, förbättringar i teknik och livsstil, en bättre förståelse för kroppens funktionalitet, förbättrad estetik och behov av bättre funktion.
Biomaterial
Biomaterial är per definition ”ett icke-läkemedelsbaserat ämne som lämpar sig för att ingå i system som förstärker eller ersätter funktionen hos kroppens vävnader eller organ”. Så tidigt som för hundra år sedan har konstgjorda material och anordningar utvecklats så långt att de kan ersätta olika komponenter i människokroppen. Dessa material kan komma i kontakt med kroppsvätskor och vävnader under lång tid, samtidigt som de ger upphov till få eller inga biverkningar.
Historisk utveckling av biomaterial
Vissa av de tidigaste tillämpningarna av biomaterial fanns så långt tillbaka som i det antika Fenicien, där lösa tänder bands ihop med guldtrådar för att binda ihop konstgjorda tänder med närliggande tänder. I början av 1900-talet användes benplattor framgångsrikt för att stabilisera benbrott och påskynda deras läkning. På 1950-60-talen pågick kliniska försök med blodkärlsersättning och utveckling av konstgjorda hjärtklaffar och höftleder.
Designfaktorer för biomaterial
Även i de inledande skedena av detta område identifierade kirurger och ingenjörer material- och konstruktionsproblem som resulterade i att implantatets funktion gick förlorad i förtid på grund av mekaniskt fel, korrosion eller otillräcklig biokompatibilitet hos komponenten. Nyckelfaktorer vid användning av ett biomaterial är dess biokompatibilitet, biofunktionalitet och tillgänglighet i mindre utsträckning. Keramik är idealiska kandidater med avseende på alla ovanstående funktioner, med undantag för deras spröda beteende.
Implantatmaterial
Det har accepterats att inget främmande material som placeras i en levande kropp är helt kompatibelt. De enda ämnen som är helt förenliga är de som tillverkas av kroppen själv (autogena) och alla andra ämnen som känns igen som främmande, initierar någon typ av reaktion (värdvävnadsrespons). De fyra typerna av reaktioner, som möjliggör olika sätt att uppnå fastsättning av implantat i muskelskelettsystemet, anges i figur 1.
Figur 1. Klassificering av biomaterial enligt deras bioaktivitet (a) bioinert tandimplantat av aluminiumoxid, (b) bioaktiv hydroxyapatitbeläggning på ett metalliskt tandimplantat, (c) ytaktivt bioglas och (d) bioresorberbart trikalciumfosfat ( impant.
Biomaterialklassificeringar
När ett syntetiskt material placeras i människokroppen reagerar vävnaden mot implantatet på olika sätt beroende på materialtyp. Mekanismen för vävnadsinteraktion (om någon) beror på vävnadsresponsen mot implantatytan. I allmänhet finns det tre termer i vilka ett biomaterial kan beskrivas eller klassificeras och som representerar vävnadernas reaktioner. Dessa är bioinert, bioresorberbart och bioaktivt, vilka behandlas väl i en rad utmärkta översiktsartiklar.
Bioinert biomaterial
Termen bioinert hänvisar till alla material som när de väl är placerade i människokroppen har minimal interaktion med den omgivande vävnaden, exempel på dessa är rostfritt stål, titan, aluminiumoxid, partiellt stabiliserad zirkoniumoxid och polyeten med ultrahög molekylvikt. I allmänhet kan det bildas en fibrös kapsel runt bioinert implantat och dess biofunktionalitet är därför beroende av vävnadsintegration genom implantatet (figur 1a).
Bioaktiva biomaterial
Bioaktivitet avser ett material som när det placeras i människokroppen interagerar med det omgivande benet och i vissa fall till och med med mjukvävnad. Detta sker genom en tidsberoende kinetisk modifiering av ytan, som utlöses av deras implantation i det levande benet. En jonutbytesreaktion mellan det bioaktiva implantatet och de omgivande kroppsvätskorna leder till att det bildas ett biologiskt aktivt karbonatapatitskikt (CHAp) på implantatet som kemiskt och kristallografiskt är likvärdigt med mineralfasen i ben. Primära exempel på dessa material är syntetisk hydroxyapatit , glaskeramik A-W och bioglass® (figur 1b och c)).
Bioresorberbara biomaterial
Bioresorberbart avser ett material som när det placeras i människokroppen börjar lösas upp (resorberas) och långsamt ersätts av framväxande vävnad (t.ex. ben). Vanliga exempel på bioresorberbara material är trikalciumfosfat och sampolymerer av polymjölks- och polyglykolsyra. Kalciumoxid, kalciumkarbonat och gips är andra vanliga material som har använts under de senaste tre decennierna (figur 1d).