A trauma, a degeneráció és a betegségek gyakran teszik szükségessé a sebészeti javítást vagy pótlást. Amikor egy személynek ízületi fájdalma van, a fő gond a fájdalomcsillapítás és az egészséges és funkcionális életmódhoz való visszatérés. Ehhez általában csontvázrészek cseréjére van szükség, amelyek közé tartoznak a térdek, csípők, ujjízületek, könyökök, csigolyák, fogak és az állkapocs javítása. A bioanyagok világpiacának értéke megközelíti a 24 000 millió dollárt. Az ortopédiai és fogászati alkalmazások a teljes bioműanyag-piac mintegy 55%-át teszik ki. Az ortopédiai termékek világszerte meghaladták a 13 milliárd dollárt 2000-ben, ami 12 százalékos növekedést jelent az 1999-es bevételekhez képest. E területek bővülése várhatóan folytatódni fog számos tényező miatt, beleértve az öregedő népességet, a fiatalabb és középkorú jelöltek növekvő preferenciáját a műtétek iránt, a technológia és az életmód fejlődését, a test működésének jobb megértését, a jobb esztétikát és a jobb működés iránti igényt.
Bioanyagok
A definíció szerint a bioanyag “olyan nem gyógyszeres anyag, amely alkalmas a testi szövetek vagy szervek funkcióját növelő vagy helyettesítő rendszerekbe való beépítésre”. A mesterséges anyagokat és eszközöket már egy évszázaddal ezelőtt olyan szintre fejlesztették, hogy képesek az emberi test különböző alkotóelemeit helyettesíteni. Ezek az anyagok képesek arra, hogy hosszabb ideig érintkezzenek a testnedvekkel és szövetekkel, miközben kevés vagy egyáltalán nemkívánatos reakciót váltanak ki.
A bioműanyagok történeti fejlődése
A bioműanyagok legkorábbi alkalmazásai közül néhányat már az ókori Föníciában is alkalmaztak, ahol a meglazult fogakat aranyhuzalokkal kötötték össze, hogy a műfogakat a szomszédos fogakhoz kössék. Az 1900-as évek elején sikeresen alkalmaztak csontlemezeket csonttörések stabilizálására és gyógyulásuk felgyorsítására. Míg az 1950-60-as évekre az érpótlás klinikai kísérletek, a mesterséges szívbillentyűk és csípőízületek fejlesztése már folyamatban volt.
A biomatériák tervezési tényezői
A sebészek és mérnökök már e terület kezdeti szakaszában is azonosítottak olyan anyag- és tervezési problémákat, amelyek az implantátum funkciójának idő előtti elvesztését eredményezték mechanikai hiba, korrózió vagy az alkatrész nem megfelelő biokompatibilitása miatt. A bioanyagok használatának kulcstényezői a biokompatibilitás, a biofunkcionalitás és kisebb mértékben a rendelkezésre állás. A kerámiák ideális jelöltek a fenti funkciók mindegyikét tekintve, kivéve rideg viselkedésüket.
Implantátumanyagok
Már elfogadott, hogy egyetlen élő szervezetbe helyezett idegen anyag sem teljesen kompatibilis. Az egyetlen anyag, amely teljesen megfelel, az a szervezet saját maga által előállított (autogén), és minden más anyag, amelyet idegennek ismerünk fel, valamilyen reakciót vált ki (gazdaszöveti válasz). A négyféle reakciótípust, amelyek lehetővé teszik az implantátumok izom- és vázrendszerhez való rögzülésének különböző módjait, az 1. ábra mutatja be.
1. ábra. A bioanyagok osztályozása bioaktivitásuk szerint (a) bioinert alumínium-oxid fogászati implantátum, (b) bioaktív hidroxiapatit bevonat fém fogászati implantátumon, (c) felületaktív bioglas és (d) biorezorbeálható trikalciumfoszfát ( implantátum.
Bioanyagok osztályozása
Amikor egy szintetikus anyagot helyeznek az emberi szervezetbe, a szövetek az anyag típusától függően különböző módon reagálnak az implantátummal szemben. A szöveti kölcsönhatás mechanizmusa (ha van ilyen) az implantátum felületére adott szöveti reakciótól függ. Általánosságban három kifejezéssel lehet leírni vagy osztályozni egy bioanyagot, amelyek a szöveti reakciókat reprezentálják. Ezek a következők: bioinert, biorezorbeálható és bioaktív, amelyekkel kiváló áttekintő tanulmányok sora foglalkozik.
Bioinert bioanyagok
A bioinert kifejezés minden olyan anyagra utal, amely az emberi szervezetbe helyezve minimális kölcsönhatást mutat a környező szövetekkel, ilyen például a rozsdamentes acél, a titán, a timföld, a részben stabilizált cirkónia és az ultra nagy molekulasúlyú polietilén. A bioinert implantátumok körül általában rostos kapszula alakulhat ki, így biofunkcionalitásuk az implantátumon keresztül történő szöveti integráción alapul (1a. ábra).
Bioaktív bioanyagok
A bioaktív olyan anyagra utal, amely az emberi szervezetbe kerülve kölcsönhatásba lép a környező csonttal, sőt bizonyos esetekben a lágyszövetekkel is. Ez a felület időfüggő kinetikus módosításán keresztül történik, amelyet az élő csontba való beültetésük vált ki. A bioaktív implantátum és a környező testfolyadékok közötti ioncsere-reakció eredményeként az implantátumon egy biológiailag aktív karbonát-apatit (CHAp) réteg képződik, amely kémiailag és kristályográfiailag egyenértékű a csont ásványi fázisával. Elsődleges példák ezekre az anyagokra a szintetikus hidroxiapatit , az üvegkerámia A-W és a bioglass® (1b. és c. ábra).
Biorezorbálható biomatériák
A biorezorbálható olyan anyagra utal, amely az emberi szervezetben való elhelyezés után elkezd feloldódni (felszívódni) és lassan a fejlődő szövet (pl. csont) helyébe lép.) A biorezorbeálható anyagok gyakori példái a trikalcium-foszfát és a poli-tejsav-poliglikolsav kopolimerek. A kalcium-oxid, a kalcium-karbonát és a gipsz szintén gyakori anyagok, amelyeket az elmúlt három évtizedben alkalmaztak (1d. ábra).