Trauma, degeneratie en ziekten maken vaak chirurgische reparatie of vervanging noodzakelijk. Wanneer een persoon gewrichtspijn heeft, is de belangrijkste zorg de verlichting van de pijn en de terugkeer naar een gezonde en functionele levensstijl. Dit vereist gewoonlijk vervanging van skeletonderdelen, zoals knieën, heupen, vingergewrichten, ellebogen, wervels, tanden en herstel van de onderkaak. De wereldwijde markt voor biomaterialen wordt geschat op bijna 24.000 miljoen dollar. Orthopedische en tandheelkundige toepassingen vertegenwoordigen ongeveer 55% van de totale markt voor biomaterialen. De wereldwijde omzet van orthopedische producten bedroeg in 2000 meer dan $ 13 miljard, een stijging van 12% ten opzichte van de omzet in 1999. Verwacht wordt dat de expansie op deze gebieden zal aanhouden als gevolg van een aantal factoren, waaronder de vergrijzing van de bevolking, een toenemende voorkeur van jongere tot middelbare leeftijd voor chirurgie, verbeteringen in de technologie en de levensstijl, een beter inzicht in de functionaliteit van het lichaam, een verbeterde esthetiek en de behoefte aan een betere functie.
Biomaterialen
Biomateriaal is per definitie “een niet-geneesmiddelachtige stof die geschikt is om te worden opgenomen in systemen die de functie van lichaamsweefsels of -organen vergroten of vervangen”. Reeds een eeuw geleden zijn kunstmatige materialen en toestellen zo ver ontwikkeld dat zij diverse onderdelen van het menselijk lichaam kunnen vervangen. Deze materialen kunnen gedurende langere perioden in contact komen met lichaamsvloeistoffen en -weefsels, terwijl ze weinig of geen bijwerkingen vertonen.
Historische ontwikkeling van biomaterialen
Sommige van de vroegste toepassingen van biomaterialen dateren al uit het oude Phoenicië, waar losse tanden werden samengebonden met gouden draden om kunsttanden aan naburige tanden vast te maken. In het begin van 1900 werden met succes botplaten toegepast om botbreuken te stabiliseren en de genezing ervan te versnellen. Terwijl tegen de tijd van de jaren 1950 tot 1960, vervanging van bloedvaten in klinische proeven waren en kunstmatige hartkleppen en heupgewrichten in ontwikkeling waren.
Ontwerpfactoren voor Biomaterialen
Zelfs in de voorstadia van dit gebied, identificeerden chirurgen en ingenieurs materialen en ontwerpproblemen die resulteerden in voortijdig verlies van de functie van implantaten door mechanisch falen, corrosie of onvoldoende biocompatibiliteit van de component. Sleutelfactoren bij het gebruik van een biomateriaal zijn de biocompatibiliteit, de biofunctionaliteit en, in mindere mate, de beschikbaarheid. Keramiek is een ideale kandidaat voor alle bovengenoemde functies, met uitzondering van zijn brosse gedrag.
Implantaten
Het is algemeen aanvaard dat geen enkel vreemd materiaal dat in een levend lichaam wordt geplaatst, volledig verenigbaar is. De enige stoffen die volledig conform zijn, zijn die welke door het lichaam zelf worden vervaardigd (autogeen) en elke andere stof die als vreemd wordt herkend, brengt een of andere reactie teweeg (gastheer-weefselreactie). De vier soorten reacties, die verschillende manieren van aanhechting van implantaten aan het spierskelet mogelijk maken, zijn weergegeven in figuur 1.
Figuur 1. Classificatie van biomaterialen op basis van hun bioactiviteit (a) bioinert aluminiumoxide tandheelkundig implantaat, (b) bioactieve hydroxyapatietcoating op een metalen tandheelkundig implantaat, (c) oppervlakteactief bioglas en (d) bioresorbeerbaar tricalciumfosfaat ( impant.
Biomaterialenclassificaties
Wanneer een synthetisch materiaal in het menselijk lichaam wordt geplaatst, reageert het weefsel op verschillende manieren op het implantaat, afhankelijk van het type materiaal. Het mechanisme van de weefselinteractie (indien aanwezig) hangt af van de weefselreactie op het implantaatoppervlak. In het algemeen zijn er drie termen waarin een biomateriaal kan worden beschreven of ingedeeld, die de weefselreacties weergeven. Dit zijn bioinert, bioresorbeerbaar en bioactief, die goed worden behandeld in een reeks uitstekende overzichtsartikelen.
Bioinerte biomaterialen
De term bioinert verwijst naar elk materiaal dat, eenmaal geplaatst in het menselijk lichaam, een minimale interactie heeft met het omringende weefsel, voorbeelden hiervan zijn roestvrij staal, titanium, aluminiumoxide, gedeeltelijk gestabiliseerd zirkoonoxide, en polyethyleen met ultrahoog moleculair gewicht. In het algemeen kan zich rond bioinerte implantaten een fibreus kapsel vormen, waardoor de biofunctionaliteit berust op weefselintegratie door het implantaat (figuur 1a).
Bioactieve biomaterialen
Bioactief verwijst naar een materiaal dat, wanneer het in het menselijk lichaam wordt geplaatst, een wisselwerking aangaat met het omringende bot en in sommige gevallen zelfs met zacht weefsel. Dit gebeurt door een tijdsafhankelijke kinetische wijziging van het oppervlak, teweeggebracht door hun implantatie in het levende bot. Een ionenuitwisselingsreactie tussen het bioactieve implantaat en de omringende lichaamsvloeistoffen resulteert in de vorming van een biologisch actieve carbonaatapatietlaag (CHAp) op het implantaat, die chemisch en kristallografisch gelijkwaardig is aan de minerale fase in bot. Goede voorbeelden van deze materialen zijn synthetisch hydroxyapatiet, glaskeramiek A-W en bioglass® (figuur 1b en c)).
Bioresorbeerbare biomaterialen
Bioresorbeerbaar verwijst naar een materiaal dat na plaatsing in het menselijk lichaam begint op te lossen (geresorbeerd) en langzaam wordt vervangen door oprukkend weefsel (zoals bot). Bekende voorbeelden van bioresorbeerbare materialen zijn tricalciumfosfaat en polylactisch-polyglycolzuur copolymeren. Calciumoxide, calciumcarbonaat en gips zijn andere veelgebruikte materialen die de laatste drie decennia zijn toegepast (figuur 1d).