فهرست مطالب
بیومتریال چیست؟
زیست ماده یا بیومتریال، موادی هستند که با سیستم‌های بیولوژیکی تعامل دارند؛ این تعامل می‌تواند به عنوان بخشی از دستگاه‌های پزشکی و ایمپلنت‌ها باشد، یا به عنوان اجزای مواد زیست سازگار که برای اهداف مختلف در پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی استفاده می‌شوند.
زیست ماده به گونه‌ای طراحی شده است که سازگاری زیستی داشته باشد و با سیستم‌های بیولوژیکی‌های وارد واکنش‌های نامطلوب نشود.
بیومتریال می‌توانند به صورت طبیعی یا مصنوعی وجود داشته باشند و در بسیاری از حوزه‌ها مورد استفاده قرار بگیرند؛ از این حوزه‌ها می‌توان به پزشکی و تشخیص، مهندسی بافت، دراگ دلیوری اشاره کرد.
تاریخچه بیومتریال
تاریخچه زیست ماده با تکامل علم پزشکی و مواد در هم تنیده است؛ در اینجا به نقاط عطف و پیشرفت‌های کلیدی در تاریخ بیومتریال اشاره می‌کنیم:
مواد زیستی باستانی
در گذشته، تمدن‌های باستانی مانند مصریان و رومیان از موادی مانند چوب، عاج و استخوان برای اهداف مختلف پزشکی و دندانپزشکی استفاده می‌کردند؛ برای مثال، در دندانپزشکی از طلا و نقره و برای مراقبت از زخم از مس استفاده می‌کردند
ایمپلنت فلزی (قرن 19)
استفاده از مواد فلزی، به ویژه آلیاژهایی مانند پلاتین و طلا، برای ایمپلنت‌های دندانی در قرن نوزدهم محبوبیت پیدا کرد.
توسعه فولاد ضد زنگ در اوایل قرن بیستم راه را برای کاشت‌های فلزی مقاوم‌تر در برابر خوردگی هموار کرد.
تحولات پلیمری (قرن بیستم)
پلاستیک‌ها و پلیمرها مانند اکریلیک و سیلیکون در اواسط قرن بیستم برای کاربردهای مختلف پزشکی از جمله لنزهای تماسی و ایمپلنت معرفی شدند. توسعه پلیمرهای مصنوعی مانند پلی اتیلن و پلی اورتان، استفاده از پلیمرها را در وسایل پزشکی گسترش داد.
زیست سازگاری (دهه 1960)
مفهوم زیست سازگاری در دهه 1960 به تمرکز اصلی در تحقیقات زیست مواد تبدیل شد. محققان شروع به تأکید بر موادی کردند که با بافت‌های زنده سازگارتر بودند تا واکنش‌های نامطلوب را کاهش دهند.
تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم (دهه 1960-1970)
استفاده از تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم برای ایمپلنت‌های ارتوپدی به دلیل زیست سازگاری عالی، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام محبوبیت پیدا کرد.
پلیمرهای زیست تخریب پذیر (دهه 1970)
توسعه پلیمرهای زیست تخریب پذیر، مانند اسید پلی گلیکولیک (PGA) و اسید پلی لاکتیک (PLA)، امکانات جدیدی را در دراگ دلیوری و مهندسی بافت در دست محققان و پزشکان قرار داد.
مهندسی بافت (دهه 1980-1990)
مفهوم مهندسی بافت با تمرکز بر ترکیب سلول‌ها، مواد زیستی و عوامل سیگنال‌دهنده برای ایجاد بافت‌ها و اندام‌های کاربردی پدید آمد. محققان با استفاده از داربست‌های ساخته شده از بیومتریال، در علم مهندسی بافت پیشرفت چشمگیری کردند.
پیشرفت‌ها در نانوتکنولوژی (دهه 2000)
نانوتکنولوژی به توسعه نانومواد برای حوزه‌های مختلف زیست پزشکی، از جمله سیستم‌های دراگ دلیوری و تصویربرداری کمک کرد.
زیست مواد هوشمند (2000)
توسعه زیست ماده هوشمند، مانند پلیمرها و هیدروژل‌های تغییر پذیر و هوشمند، به دلیل خواص منحصر به فرد و کاربردهای آنها در روش‌های کم تهاجمی مورد توجه قرار گرفته است.
روندهای کنونی (قرن 21)
در حال حاظر، تحقیقات در حال انجام، بر روی ادغام مواد زیستی با پیشرفت‌های ژنتیک، تحقیقات سلول‌های بنیادی و پزشکی شخصی متمرکز است.
فناوری چاپ سه بعدی امکان ساخت دقیق ساختارهای پیچیده زیستی را برای ایمپلنت‌های سفارشی و مهندسی بافت فراهم کرده است.
کاربرد بیومتریال
بیومتریال در زمینه‌های مختلف، به ویژه در پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی، کاربردهای گسترده‌ای دارد. در ادامه به برخی از این زمینه‌ها اشاره می‌کنیم:
ایمپلنت‌های پزشکی
بیومتریال به طور گسترده در تولید ایمپلنت‌های پزشکی مانند مفاصل مصنوعی برای تعویض مفصل ران و زانو، صفحات استخوانی، پیچ‌ها و ضربان‌سازها استفاده می‌شود.
این مواد باید زیست سازگار و بادوام باشند تا پزشکان بتوانند از یکپارچگی و عملکرد طولانی مدت این مواد در بدن اطمینان حاصل کنند.
مهندسی بافت
زیست ماده با ارائه داربست‌هایی که از بازسازی بافت‌های آسیب دیده یا از دست رفته پشتیبانی می‌کنند، نقش مهمی در مهندسی بافت ایفا می‌کنند.
این داربست‌ها به عنوان الگوهایی برای رشد سلول‌ها، تمایز و سازماندهی بافت‌ها یا اندام‌های عملکردی عمل می‌کنند؛ این موارد در پزشکی بازساختی و توسعه بافت‌ها و اندام‌های جایگزین کاربرد دارند.
دراگ دلیوری یا تحویل دارو
بیومتریال در طراحی سیستم‌های دارورسانی برای کنترل انتشار مواد دارویی در بدن به کار می‌روند و امکان تحویل هدفمند و پایدار دارو را فراهم می‌کند و اثربخشی درمان‌ها را بهبود می‌بخشد و در عین حال عوارض جانبی را به حداقل می‌رسانند.
کاربردهای دندانی
بیومتریال دندانی در دندانپزشکی ترمیمی برای حوزه‌هایی مانند ایمپلنت دندان و پرکردن دندان استفاده می‌شود؛ این مواد باید زیست سازگار، بادوام و از نظر زیبایی شناسی دلپذیر باشند.
دستگاه‌های قلبی عروقی
زیست ماده در ساخت دستگاه‌های قلبی عروقی مانند استنت‌ها، دریچه‌های قلب و گرافت‌های عروقی استفاده می‌شود؛ این مواد باید در برابر شرایط پویا و چالش برانگیز در سیستم قلبی عروقی مقاومت کنند و کارکرد طولانی مدتی داشته باشند.
کاربردهای ارتوپدی
علاوه بر جایگزینی مفاصل، از بیومواد در حوزه ارتوپد مانند پیوند استخوان، پیچ و صفحه برای تثبیت شکستگی و داربست برای بازسازی استخوان استفاده می‌شود.
ترمیم زخم
بیومواد در پانسمان زخم و جایگزین‌های پوست، برای هموار کردن شرایط برای بهبود زخم و بازسازی بافت استفاده می‌شود؛ این مواد می‌توانند یک محیط حمایتی برای مهاجرت سلولی، تکثیر و ترمیم بافت فراهم کنند.
ابزارهای تشخیصی
برخی از مواد زیستی در توسعه ابزارهای تشخیصی از جمله حسگرهای زیستی و تصویربرداری استفاده می‌شوند که دقت و کارایی تشخیص‌های پزشکی را افزایش می‌دهند.
رابط عصبی
زیست ماده در توسعه رابط‌های عصبی برای حوزه‌هایی مانند رابط‌های مغزی و پروتزهای عصبی نقش دارند و امکان ارتباط بین دستگاه‌های الکترونیکی و سیستم عصبی را فراهم می‌کنند.
این حوزه‌ها تطبیق پذیری و اهمیت بیومتریال را در پیشرفت درمان‌های پزشکی، بهبود نتایج درمانی بیماران و پرداختن به چالش‌های مختلف مراقبت‌های بهداشتی برجسته می‌کنند.
انواع بیومتریال
بیومتریال انواع مختلفی دارند که هرکدام برای برآوردن نیازهای خاصی در حوزه‌های مختلف طراحی شده‌اند. انواع اصلی بیومواد عبارتند از:
فلزات
• فولاد ضد زنگ
معمولاً در ایمپلنت‌های ارتوپدی و تعویض مفصل استفاده می‌شود.
• تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم
این ماده به دلیل زیست سازگاری و استحکام در ایمپلنت‌های دندانی، صفحات استخوانی و تعویض مفصل ران استفاده می‌شود.
پلیمرها
• پلی اتیلن
این بیومتریال در ایمپلنت‌های ارتوپدی و تعویض مفصل استفاده می‌شود.
• پلی اورتان
در پانسمان زخم و اجزای قلب مصنوعی استفاده می‌شود.
• پلی (لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) (PLGA)
این زیست ماده، پلیمر زیست تخریب پذیر مورد استفاده در دراگ دلیوری و داربست‌های مهندسی بافت است.
• پلی اتیلن گلیکول (PEG)
در دارورسانی و به عنوان پوشش برای بهبود زیست سازگاری استفاده می‌شود.
سرامیک
• هیدروکسی آپاتیت
سرامیک فسفات کلسیم که در پیوند استخوان و پوشش ایمپلنت استفاده می‌شود.
• آلومینا و زیرکونیا
به دلیل استحکام بالا و مقاومت در برابر سایش در ایمپلنت‌های دندانی و ارتوپدی استفاده می‌شود.
کامپوزیت ها
• پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRP)
در ایمپلنت‌های ارتوپدی و پروتزها برای ارائه ترکیبی از استحکام و سبکی استفاده می‌شود.
• مواد هیبریدی
ترکیبی از یومتریال مختلف برای دستیابی به خواص مطلوب برای کاربردهای خاص.
مواد زیستی طبیعی
• کلاژن
این ماده در پوست، استخوان و تاندون‌ها یافت می‌شود و در مهندسی بافت و ترمیم زخم مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• کیتوسان
برگرفته از کیتین است و در پانسمان زخم، دراگ دلیوری و مهندسی بافت استفاده می‌شود.
• آلژینات
این بیومتریال از جلبک‌های قهوه‌ای استخراج شده و در در پانسمان زخم و دارورسانی استفاده می‌شود.
پلیمرهای زیست تخریب پذیر
• اسید پلی گلیکولیک (PGA) ، اسید پلیلاکتیک (PLA) و پلی (اسید لاکتیک-گلیسولیک) (PLGA)
این مواد پلیمرهای زیست تخریب پذیر مورد استفاده در بخیه‌ها ، سیستم‌های تحویل دارو و مهندسی بافت هستند.
هیدروژل
• پلی آکریل آمید ، پلی اتیلن گلیکول (PEG) و هیدروژل‌های آلژینات
این مواد، مواد جذب کننده آب هستند که در دراگ دلیوری، پانسمان زخم و مهندسی بافت استفاده می‌شوند.
مواد زیستی هوشمند
• هیدروژل
برخی از هیدرئژل‌ها خواص خود را در پاسخ به عوامل محیطی مانند دما یا pH تغییر می‌دهند.
نانومواد
• نانوکامپوزیت‌ها
در این بخش از نانوذرات برای بهبود خواص مکانیکی، الکتریکی یا بیولوژیکی استفاده می‌کنند. این مواد در حوزه‌های مختلف زیست پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انتخاب ماده بیولوژیکی به عواملی مانند سازگاری زیست سازگاری ، خصوصیات مکانیکی ، میزان تخریب و الزامات خاص حوزه مورد نظر بستگی دارد.
تحقیقات زیادی در حال انجام است تا مواد زیستی جدیدی را کشف کند و همچنین، مواد موجود را بهبود ببخشد.
ویژگی‌های بیومتریال
زیست ماده خوب باید چندین صفت یا ویژگی کلیدی داشته باشد تا برای کاربرد مورد نظرش مناسب باشد؛ از این ویژگی‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
زیست سازگار
مواد باید با بافت‌های زنده سازگار باشند و پاسخ ایمنی یا سمیت ایجاد نکنند.
بیواینرت یا بیواکتیو
بسته به کاربرد، یک ماده زیستی ممکن است نیاز داشته باشد بیواینرت باشد، یعنی با محیط بیولوژیکی اطراف واکنش ندهد و یا زیست فعال باشد، یعنی ارتباط متقابل مثبت با سلول‌ها و بافت‌ها داشته باشد.
خواص فیزیکی
بیومتریال باید دارای خواص مکانیکی باشد تا با نیازهای بافت یا شرایط خاص مطابقت داشته باشد؛ به عنوان مثال، ایمپلنت‌های استخوان باید از استحکام و دوام کافی برخوردار باشند.
تجزیه پذیر یا غیرقابل تجزیه
بسته به کاربرد مورد نظر، ممکن است بیومتریال زیست تخریب پذیر باشد، یعنی قابلیت تجزیه در طول زمان داشته باشد، یا نیاز باشد غیر قابل تجزیه باشد.
مقاوم در برابر خوردگی
بیومتریال‌ها به ویژه مواد زیستی فلزی، باید در برابر خوردگی در بدن مقاومت کنند.
غیر ترومبوژنیک
برخی بیومتریال که در قلب و عروق مورد استفاده قرار می‌گیرند باید غیر تروبوژنیک باشند تا از لخته شدن خون یا ترومبوز جلوگیری کنند.
قابل استریل کردن
ماده باید قابلیت استریلیزاسیون را داشته باشد تا از عاری بودن از عوامل بیماری زا قبل از کاشت اطمینان حاصل شود.
ویژگی‌های سطحی مناسب
سطح ماده زیستی را می‌توان برای افزایش پاسخ های سلولی خاص، مانند چسبندگی سلولی یا برهمکنش‌های پروتئینی، اصلاح کرد.
مقرون به صرفه
در حالت ایده آل، ماده زیستی باید از نظر اقتصادی برای تولید انبوه و استفاده در مراقبت‌های بهداشتی قابل به صرفه باشد.
دوام کافی
زیست ماده باید به اندازه کافی بادوام باشد تا در برابر شرایط فیزیولوژیکی و تنش‌های مکانیکی که در بدن با آن مواجه می‌شود، مقاومت کند.
فرآوری و شکل آسان
بیومتریال باید متمایل به فرآیندهای ساخت و شکل دهی به شکل دلخواه برای کاربرد مورد نظر خود باشد.
ثبات حرارتی
برخی از حوزه‌ها ممکن است به ماده بیولوژیکی‌ای نیاز داشته باشند که در طول تولید یا مواجه شدن با تغییرات دما مقاومت کنند.
در نهایت، الزامات خاص برای یک ماده زیستی به کاربرد مورد نظر بستگی دارد، و برای اطمینان از موفقیت یومتریال در عملکرد تعیین شده خود در بدن، باید تعادلی بین این ویژگی‌ها حاصل شود.
تهیه شده در آکادمی بیوتکنولوژی ایران
نویسنده: زهرا جهان‌بخش
