Urazy, zwyrodnienia i choroby często powodują konieczność chirurgicznej naprawy lub wymiany. Kiedy osoba cierpi z powodu bólu stawu, główną troską jest złagodzenie bólu i powrót do zdrowego i funkcjonalnego stylu życia. Zwykle wymaga to wymiany części szkieletu, które obejmują kolana, biodra, stawy palców, łokcie, kręgi, zęby i naprawę żuchwy. Wartość światowego rynku biomateriałów szacowana jest na blisko 24 000 mln USD. Zastosowania ortopedyczne i stomatologiczne stanowią około 55% całego rynku biomateriałów. W 2000 roku światowe przychody z produktów ortopedycznych przekroczyły 13 miliardów dolarów, co stanowi wzrost o 12% w stosunku do 1999 roku. Oczekuje się, że ekspansja w tych dziedzinach będzie kontynuowana ze względu na szereg czynników, w tym starzenie się społeczeństwa, rosnącą preferencję młodszych i średnich kandydatów do podjęcia operacji, poprawę technologii i stylu życia, lepsze zrozumienie funkcjonalności ciała, poprawę estetyki i potrzebę lepszego funkcjonowania.
Biomateriały
Biomateriał z definicji jest „substancją nielekową odpowiednią do włączenia do systemów, które zwiększają lub zastępują funkcję tkanek lub organów ciała”. Już sto lat temu sztuczne materiały i urządzenia zostały opracowane do tego stopnia, że mogą zastąpić różne elementy ludzkiego ciała. Materiały te są w stanie być w kontakcie z płynami ustrojowymi i tkankami przez dłuższy czas, jednocześnie wywołując niewielkie, jeśli w ogóle, reakcje niepożądane.
Historyczny rozwój biomateriałów
Niektóre z najwcześniejszych zastosowań biomateriałów były tak odległe, jak w starożytnej Fenicji, gdzie luźne zęby były związane razem ze złotymi drutami do wiązania sztucznych z sąsiednimi zębami. Na początku XX wieku z powodzeniem stosowano płytki kostne w celu stabilizacji złamań kości i przyspieszenia ich gojenia. W latach 50. i 60. prowadzono badania kliniczne nad wymianą naczyń krwionośnych, opracowywano sztuczne zastawki serca i stawy biodrowe.
Czynniki projektowe dla biomateriałów
Nawet we wstępnych stadiach rozwoju tej dziedziny chirurdzy i inżynierowie zidentyfikowali problemy materiałowe i projektowe, które skutkowały przedwczesną utratą funkcji implantu w wyniku awarii mechanicznej, korozji lub nieodpowiedniej biokompatybilności komponentu. Kluczowymi czynnikami decydującymi o zastosowaniu biomateriału są jego biokompatybilność, biofunkcjonalność oraz, w mniejszym stopniu, dostępność. Ceramika jest idealnym kandydatem w odniesieniu do wszystkich powyższych funkcji, z wyjątkiem ich kruchego zachowania.
Materiały do implantów
Przyjęto, że żaden obcy materiał umieszczony w żywym ciele nie jest całkowicie zgodny. Jedyne substancje, które są całkowicie zgodne to te produkowane przez sam organizm (autogenne), a każda inna substancja, która jest rozpoznawana jako obca, inicjuje pewien rodzaj reakcji (odpowiedź gospodarz-tkanka). Cztery rodzaje reakcji, które umożliwiają różne sposoby uzyskania mocowania implantów do układu mięśniowo-szkieletowego, przedstawiono na rycinie 1.
Figura 1. Klasyfikacja biomateriałów w zależności od ich bioaktywności (a) bioinertny implant dentystyczny z tlenku glinu, (b) bioaktywna powłoka hydroksyapatytowa na metalowym implancie dentystycznym, (c) powierzchniowo czynny bioglaz i (d) bioresorbowalny fosforan trójwapniowy ( impant.
Klasyfikacje biomateriałów
Gdy materiał syntetyczny jest umieszczany w ciele człowieka, tkanka reaguje wobec implantu na różne sposoby w zależności od rodzaju materiału. Mechanizm interakcji tkanek (jeśli występuje) zależy od odpowiedzi tkanek na powierzchnię implantu. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją trzy terminy, w których biomateriał może być opisany lub sklasyfikowany jako reprezentujący reakcje tkanek. Są to: bioinert, bioresorbowalny i bioaktywny, które są dobrze omówione w wielu doskonałych pracach przeglądowych.
Bioinert Biomateriały
Termin bioinert odnosi się do każdego materiału, który po umieszczeniu w ludzkim ciele ma minimalną interakcję z otaczającą go tkanką, przykładami takich materiałów są stal nierdzewna, tytan, tlenek glinu, częściowo stabilizowany tlenek cyrkonu i polietylen o bardzo wysokiej masie cząsteczkowej. Ogólnie rzecz biorąc, wokół bioinertnych implantów może utworzyć się włóknista kapsułka, stąd ich biofunkcjonalność zależy od integracji tkanki z implantem (rysunek 1a).
Bioaktywne biomateriały
Bioaktywne odnoszą się do materiału, który po umieszczeniu w ciele człowieka wchodzi w interakcję z otaczającą go kością, a w niektórych przypadkach nawet tkanką miękką. Dzieje się to poprzez zależną od czasu kinetyczną modyfikację powierzchni, wywołaną przez ich implantację w żywej kości. W wyniku reakcji wymiany jonowej pomiędzy bioaktywnym implantem a otaczającymi go płynami ustrojowymi, na implancie tworzy się biologicznie aktywna warstwa apatytu węglanowego (CHAp), która pod względem chemicznym i krystalograficznym odpowiada fazie mineralnej w kości. Głównymi przykładami takich materiałów są syntetyczny hydroksyapatyt, szkło ceramiczne A-W i bioglass® (rysunek 1b i c)).
Bioresorbowalne biomateriały
Bioresorbowalne odnosi się do materiału, który po umieszczeniu w ciele człowieka zaczyna się rozpuszczać (resorbować) i powoli zastępowany jest przez rozwijającą się tkankę (taką jak kość). Typowymi przykładami materiałów bioresorbowalnych są fosforan trójwapniowy i kopolimery kwasu polilaktyczno-poliglikolowego. Tlenek wapnia, węglan wapnia i gips to inne powszechnie stosowane materiały, które były wykorzystywane w ciągu ostatnich trzech dekad (rysunek 1d).
.