Traumat, rappeutuminen ja sairaudet tekevät usein kirurgisen korjauksen tai korvaamisen välttämättömäksi. Kun henkilöllä on nivelkipu, tärkein huolenaihe on kivun lievittäminen ja paluu terveeseen ja toimivaan elämäntapaan. Tämä edellyttää yleensä luuston osien korvaamista, joita ovat polvet, lonkat, sorminivelet, kyynärnivelet, nikamat, hampaat ja alaleuan korjaus. Maailman biomateriaalimarkkinoiden arvo on lähes 24 000 miljoonaa dollaria. Ortopedisten ja hammaslääketieteellisten sovellusten osuus biomateriaalien kokonaismarkkinoista on noin 55 prosenttia. Ortopedisten tuotteiden maailmanlaajuinen liikevaihto ylitti 13 miljardia dollaria vuonna 2000, mikä merkitsee 12 prosentin kasvua vuoden 1999 liikevaihtoon verrattuna. Näiden alojen kasvun odotetaan jatkuvan useiden tekijöiden vuoksi, joita ovat muun muassa väestön ikääntyminen, nuorempien ja keski-ikäisempien leikkauskandidaattien lisääntyvä mieltymys leikkauksiin, tekniikan ja elintapojen kehittyminen, parempi ymmärrys kehon toiminnallisuudesta, esteettisyyden parantuminen ja paremman toiminnallisuuden tarve.
Biomateriaalit
Määritelmän mukaan biomateriaali on ”muu kuin lääkeaine, joka soveltuu liitettäväksi systeemeihin, jotka lisäävät tai korvaavat kudosten tai elinten toimintoja”. Jo sata vuotta sitten keinotekoisia materiaaleja ja laitteita on kehitetty niin pitkälle, että ne voivat korvata ihmiskehon eri osia. Nämä materiaalit kykenevät olemaan kosketuksissa kehon nesteiden ja kudosten kanssa pitkiä aikoja ja aiheuttamaan vain vähän tai ei lainkaan haittavaikutuksia.
Biomateriaalien historiallinen kehitys
Joitakin varhaisimpia biomateriaalien käyttökohteita oli jo muinaisessa Foinikiassa, jossa irronneita hampaita sidottiin yhteen kultalangoilla keinotekoisten hampaiden sitomiseksi naapurihampaisiin. 1900-luvun alussa luulevyt otettiin onnistuneesti käyttöön luunmurtumien stabiloimiseksi ja niiden paranemisen nopeuttamiseksi. Kun taas 1950-60-luvuilla verisuonten korvaaminen oli kliinisissä kokeissa ja keinotekoisia sydänläppiä ja lonkkaniveliä kehitettiin.
Biomateriaalien suunnittelutekijät
Jopa alan alkuvaiheessa kirurgit ja insinöörit havaitsivat materiaaleihin ja suunnitteluun liittyviä ongelmia, jotka johtivat implantin ennenaikaiseen toimintakyvyn menettämiseen mekaanisen vikaantumisen, korroosion tai komponentin riittämättömän biologisen yhteensopivuuden vuoksi. Keskeisiä tekijöitä biomateriaalin käytössä ovat sen bioyhteensopivuus, biotoiminnallisuus ja vähäisemmässä määrin saatavuus. Keraamiset materiaalit ovat ihanteellisia ehdokkaita kaikkien edellä mainittujen toimintojen suhteen, lukuun ottamatta niiden haurasta käyttäytymistä.
Implanttimateriaalit
On hyväksytty, että mikään elävään elimistöön sijoitettu vieras materiaali ei ole täysin yhteensopiva. Ainoat aineet, jotka ovat täysin yhteensopivia, ovat elimistön itsensä valmistamat (autogeeniset), ja kaikki muut aineet, jotka tunnistetaan vieraiksi, aiheuttavat jonkinlaisen reaktion (isäntäkudosreaktio). Neljä erilaista reaktiotyyppiä, jotka mahdollistavat erilaiset keinot saavuttaa implanttien kiinnittyminen lihasluustoon, on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1. Implanttien kiinnittyminen lihasluustoon. Biomateriaalien luokittelu niiden bioaktiivisuuden mukaan (a) bioinertti alumiinioksidista valmistettu hammasimplantti, (b) bioaktiivinen hydroksiapatiittipinnoite metallisen hammasimplantin päällä, (c) pinta-aktiivinen biolasi ja (d) bioresorboituva trikalsiumfosfaatti ( impantti.
Biomateriaalien luokittelu
Kun synteettistä materiaalia asetetaan ihmiskehoon, kudos reagoi implanttia vasten monin eri tavoin materiaalin tyypistä riippuen. Kudosvuorovaikutusmekanismi (jos sellainen on) riippuu kudoksen reaktiosta implantin pintaan. Yleisesti ottaen on olemassa kolme termiä, joilla biomateriaali voidaan kuvata tai luokitella edustamaan kudosreaktioita. Nämä ovat bioinertti, bioresorboituva ja bioaktiivinen, joita on käsitelty hyvin useissa erinomaisissa katsausartikkeleissa.
Bioinertit biomateriaalit
Käsitteellä bioinertti viitataan mihin tahansa materiaaliin, joka ihmiskehoon asetettuna vuorovaikutus ympäröivän kudoksen kanssa on minimaalinen. Esimerkkejä näistä ovat ruostumaton teräs, titaani, alumiinioksidi, osittain stabiloitu zirkoniumoksidi ja ultrakorkeamolekyylipainoinen polyeteeni. Yleensä bioinerttien implanttien ympärille saattaa muodostua kuitukapseli, joten niiden biofunktionaalisuus perustuu kudosintegraatioon implantin läpi (kuva 1a).
Bioaktiiviset biomateriaalit
Bioaktiivisella tarkoitetaan materiaalia, joka ihmiskehoon sijoitettuna on vuorovaikutuksessa ympäröivän luun ja joissakin tapauksissa jopa pehmytkudoksen kanssa. Tämä tapahtuu ajasta riippuvan kineettisen pinnanmuutoksen kautta, joka käynnistyy, kun ne istutetaan elävään luuhun. Bioaktiivisen implantin ja ympäröivien kehon nesteiden välinen ioninvaihtoreaktio johtaa biologisesti aktiivisen karbonaattiapatiittikerroksen (CHAp) muodostumiseen implantin päälle, joka vastaa kemiallisesti ja kiteellisesti luun mineraalifaasia. Esimerkkejä näistä materiaaleista ovat synteettinen hydroksiapatiitti , lasikeramiikka A-W ja bioglass® (kuva 1b ja c)).
Bioresorboituvat biomateriaalit
Bioresorboituvalla biomateriaalilla tarkoitetaan materiaalia, joka ihmiskehoon sijoitettuna alkaa liueta (resorboitua) ja korvautua hitaasti etenevällä kudoksella (kuten luulla). Yleisiä esimerkkejä bioresorboituvista materiaaleista ovat trikalsiumfosfaatti ja polymaito-polyglykolihappokopolymeerit. Kalsiumoksidi, kalsiumkarbonaatti ja kipsi ovat muita yleisiä materiaaleja, joita on hyödynnetty kolmen viime vuosikymmenen aikana (kuva 1d).