Trauma, degenerace a nemoci často vyžadují chirurgickou opravu nebo náhradu. Když má člověk bolesti kloubů, hlavním zájmem je úleva od bolesti a návrat ke zdravému a funkčnímu životnímu stylu. To obvykle vyžaduje náhradu kosterních částí, které zahrnují kolena, kyčle, klouby prstů, lokty, obratle, zuby a opravu dolní čelisti. Celosvětový trh s biomateriály má hodnotu téměř 24 000 milionů dolarů. Ortopedické a stomatologické aplikace představují přibližně 55 % celkového trhu s biomateriály. Celosvětové tržby z ortopedických výrobků přesáhly v roce 2000 13 miliard USD, což představuje 12% nárůst oproti roku 1999. Očekává se, že expanze v těchto oblastech bude pokračovat v důsledku řady faktorů, včetně stárnutí populace, rostoucí preference kandidátů mladšího a středního věku podstoupit operaci, zlepšení technologie a životního stylu, lepšího pochopení funkčnosti těla, lepší estetiky a potřeby lepší funkce.
Biomateriály
Biomateriál je podle definice „neléková látka vhodná pro začlenění do systémů, které zvyšují nebo nahrazují funkci tělesných tkání nebo orgánů“. Již před sto lety byly umělé materiály a zařízení vyvinuty do té míry, že mohou nahradit různé součásti lidského těla. Tyto materiály jsou schopny být v kontaktu s tělesnými tekutinami a tkáněmi po delší dobu, přičemž vyvolávají jen málo nežádoucích reakcí, pokud vůbec nějaké.
Historický vývoj biomateriálů
Některé z prvních aplikací biomateriálů se objevily již ve starověké Fénicii, kde se uvolněné zuby spojovaly zlatými dráty pro přivázání umělých zubů k sousedním. Na počátku 20. století byly úspěšně zavedeny kostní destičky ke stabilizaci zlomenin kostí a k urychlení jejich hojení. Zatímco v době od 50. do 60. let 20. století probíhaly klinické zkoušky náhrad cév a vyvíjely se umělé srdeční chlopně a kyčelní klouby.
Faktory návrhu biomateriálů
Již v počátečních fázích tohoto oboru zjistili chirurgové a inženýři problémy s materiály a konstrukcí, které vedly k předčasné ztrátě funkce implantátu v důsledku mechanického selhání, koroze nebo nedostatečné biokompatibility součásti. Klíčovými faktory při použití biomateriálu jsou jeho biokompatibilita, biofunkčnost a v menší míře i dostupnost. Keramika je ideálním kandidátem s ohledem na všechny výše uvedené funkce, s výjimkou jejího křehkého chování.
Materiály implantátů
Je známo, že žádný cizí materiál umístěný do živého těla není zcela kompatibilní. Jediné látky, které jsou zcela kompatibilní, jsou látky vyrobené samotným tělem (autogenní) a jakákoli jiná látka, která je rozpoznána jako cizí, iniciuje určitý typ reakce (reakce hostitelské tkáně). Čtyři typy reakcí, které umožňují různé způsoby dosažení uchycení implantátů ke svalovému kosternímu systému, jsou uvedeny na obrázku 1.
Obrázek 1: Reakce hostitelské tkáně. Klasifikace biomateriálů podle jejich bioaktivity (a) bioinertní dentální implantát z oxidu hlinitého, (b) bioaktivní hydroxyapatitový povlak na kovovém dentálním implantátu, (c) povrchově aktivní biosklo a (d) bioresorbovatelný trikalciumfosfát ( impant.
Klasifikace biomateriálů
Při umístění syntetického materiálu do lidského těla reagují tkáně vůči implantátu různým způsobem v závislosti na typu materiálu. Mechanismus interakce tkáně (pokud existuje) závisí na reakci tkáně na povrch implantátu. Obecně existují tři termíny, kterými může být biomateriál popsán nebo do kterých může být zařazen a které reprezentují reakce tkání. Jsou to bioinertní, bioresorbovatelné a bioaktivní, které jsou dobře popsány v řadě vynikajících přehledových článků.
Bioinertní biomateriály
Termín bioinertní označuje jakýkoli materiál, který má po umístění do lidského těla minimální interakci s okolní tkání, příkladem je nerezová ocel, titan, oxid hlinitý, částečně stabilizovaný zirkon a ultra vysokomolekulární polyetylen. Obecně se kolem bioinertních implantátů může vytvořit vláknité pouzdro, a proto jejich biofunkčnost závisí na integraci tkáně prostřednictvím implantátu (obrázek 1a).
Bioaktivní biomateriály
Bioaktivní označuje materiál, který po umístění do lidského těla interaguje s okolní kostí a v některých případech i s měkkou tkání. K tomu dochází prostřednictvím časově závislé kinetické modifikace povrchu, která je vyvolána jejich implantací do živé kosti. Iontově – výměnná reakce mezi bioaktivním implantátem a okolními tělními tekutinami – vede k vytvoření biologicky aktivní karbonátové apatitové (CHAp) vrstvy na implantátu, která je chemicky a krystalograficky ekvivalentní minerální fázi v kosti. Hlavními příklady těchto materiálů jsou syntetický hydroxyapatit , sklokeramika A-W a biosklo® (Obrázek 1b a c)).
Bioresorbovatelné biomateriály
Bioresorbovatelný označuje materiál, který se po umístění v lidském těle začne rozpouštět (resorbovat) a pomalu nahrazovat postupující tkání (například kostí). Běžnými příklady bioresorbovatelných materiálů jsou trikalciumfosfát a kopolymery kyseliny polymléčné a polyglykolové. Oxid vápenatý, uhličitan vápenatý a sádra jsou dalšími běžnými materiály, které byly využity v posledních třech desetiletích (obrázek 1d).
.