Biomateriały

Biomateriał zwany też materiałem biomedycznym to materiał, z którego można produkować urządzenia i elementy, mające bezpośredni kontakt z tkankami organizmu

Czym są biomateriały?

Biomateriały odgrywają integralną rolę w dzisiejszej medycynie – przywracają funkcję i ułatwiają leczenie ludzi po urazach lub chorobach. Biomateriały mogą być naturalne lub syntetyczne i są wykorzystywanem edycynie w celu wspierania, wzmacniania lub zastępowania uszkodzonych tkanek lub funkcji biologicznych.

Pierwsze historyczne wykorzystanie biomateriałów datuje się na starożytność. Starożytni Egipcjanie używali szwów wykonanych z zwierzęcej ścięgny. Współczesna dziedzina biomateriałów łączy w sobie medycynę, biologię, fizykę i chemię, a także najnowsze wpływy inżynierii tkankowej i materiałoznawstwa. W ostatniej dekadzie dziedzina ta znacznie się rozwinęła dzięki odkryciom w inżynierii tkankowej, medycynie regeneracyjnej i wielu innych.

Metale, ceramika, tworzywa sztuczne, szkło, a nawet żywe komórki i tkanki mogą być wykorzystywane do tworzenia biomateriałów. Można je przerabiać na części formowane lub obrabiane, powłoki, włókna, folie, pianki i tkaniny do wykorzystania w produktach i urządzeniach biomedycznych. Mogą one obejmować zastawki serca, wymianę stawów biodrowych, implanty dentystyczne lub soczewki kontaktowe. Często ulegają one biodegradacji, a niektóre są bio-absorbowalne, co oznacza, że są stopniowo eliminowane z organizmu po spełnieniu danej funkcji.

W jaki sposób wykorzystywane są biomateriały w obecnej praktyce medycznej?

Lekarze, naukowcy i bioinżynierowie używają biomateriałów w następującym szerokim zakresie zastosowań:

Implanty medyczne, w tym zastawki serca, stenty i przeszczepy; sztuczne stawy, wiązadła i ścięgna; implanty z ubytkiem słuchu; implanty dentystyczne; oraz urządzenia stymulujące nerwy.
Metody wspomagające gojenie się tkanek ludzkich, w tym szwy, klipsy i zszywki do zamykania ran oraz opatrunki rozpuszczalne.
Tkanki ludzkie zregenerowane, wykorzystujące połączenie wsporników biomateriałowych lub rusztowań, komórek i bioaktywnych molekuł. Przykładem może być hydrożel regenerujący kości i laboratoryjnie wyhodowany ludzki pęcherz.
Sondy molekularne i nanocząsteczki, które przełamują bariery biologiczne i pomagają w obrazowaniu raka i terapii na poziomie molekularnym.
Biosensory do wykrywania obecności i ilości określonych substancji oraz do przekazywania tych danych. Przykładami są urządzenia do monitorowania poziomu glukozy we krwi i czujniki aktywności mózgu.
Systemy dostarczające leki, które przenoszą i/lub nakładają leki na cel choroby. Przykłady obejmują stenty naczyniowe z powłoką antynarkotykową i wszczepialne płytki do chemioterapii dla pacjentów chorych na raka.

Biomateriały polimerowe funkcyjne

Bioinżynierowie mierzą funkcję biomateriału na podstawie tego, jak dobrze wykonuje on określone działanie i jak będzie wykorzystywany. System gojenia się ran musi wspomagać wzrost skóry i tworzenie się naczyń krwionośnych. Materiał zastępczy dla kości musi wspomagać wiązanie komórek i ułatwiać wzrost kości.

Nowa rodzina systemów białek włóknistych

Komórki macierzyste nie są wyspecjalizowane, więc w odpowiednich warunkach mają możliwość przejścia w dowolny rodzaj komórek. Biomateriały mogą być wykorzystywane do kontrolowania funkcjonowania komórek macierzystych. Badacze pracują nad połączeniem jedwabiu z tropoelastyną, wysoce elastycznym i dynamicznym białkiem strukturalnym w celu stworzenia panelu biomateriałów białkowych. Materiały te muszą naśladować elastyczność różnych struktur tkankowych i w konsekwencji kontrolować funkcje biologiczne, w szczególności różnicowanie się komórek macierzystych.

Plaster jako uszczelniacz płuc

Szczeliwa i plastry wykonane z biomateriałów pozwalają na regenerację i gojenie się uszkodzonych tkanek. Zastosowanie alginianu pochodzącego z alg brunatnych jako uszczelniacza i plastrów terapeutycznych w leczeniu nieszczelności płuc wynikających z operacji, urazów lub stanów takich jak zapalenie płuc i mukowiscydoza. Po wysuszeniu alginianu nanosi się go na ranę i nawilża z własnej wody. Wstępne testy są obiecujące, pokazują, że plaster wytrzymuje ciśnienie zbliżone do ciśnienia płuc, skutecznie leczy nieszczelności płuc i pomaga w regeneracji tkanki płucnej.

Inteligentny opatrunek do ran w leczeniu przewlekłych wrzodów cukrzycowych

Pacjenci z cukrzycowymi wrzodami, które nie goją się, narażeni są na utratę życia, zakażenia lub amputacje. Badacze opracowują inteligentny opatrunek do ran, który może dostarczać tlen i czynniki biochemiczne przepuszczające krew, jednocześnie monitorując gojenie. Łącząc elektronikę, gojenie się ran, mikrofabrykację, biomateriały i transport leków, opatrunek integruje czujniki i siłowniki w bliskim kontakcie ze skórą. Oczekuje się, że będzie on promował gojenie się ran przy jednoczesnym ograniczeniu liczby niepotrzebnych wymian opatrunków i wizyt w placówkach medycznych.

Spajanie laserowe i naprawa pękniętych tkanek

Jedna czwarta pacjentów, którzy przechodzą operację powrotu do odcinka okrężnicy, doświadcza kolejnego wycieku z miejsca rany. Naukowcy stosują technikę spawania laserowego do naprawy jelita grubego jako alternatywę dla zszywania lub zszywania. Procedura ta wykorzystuje fototermiczne nanokompozyty – materiał o rozmiarze nanokompozytów i złote pręty osadzone w matrycy, która po podgrzaniu laserem może łączyć się z pękniętymi tkankami.

Rozpuszczalny opatrunek do leczenia oparzeń

Pacjenci na oparzeniach odczuwają ostry ból podczas usuwania opatrunku. Aktualnie zatwierdzone klinicznie opatrunki przyklejają się do powierzchni rany, powodując uraz nowo powstałej tkanki i opóźniając gojenie. Badacze opracowują opatrunek hydrożelowy, który automatycznie rozpuszcza się, stanowi barierę dla infekcji i sprzyja gojeniu. Dzięki kontrolowanemu rozpuszczaniu w bezpieczne produkty uboczne, hydrożel pozwoli na usunięcie opatrunku na żądanie i ponowną ekspozycję rany bez konieczności mechanicznego oczyszczania i cięcia, co ułatwi i zmniejszy urazowość.

Rozpuszczalne stenty cynkowe

Stenty metalowe są powszechnie stosowane do utrzymywania otwartych naczyń krwionośnych, ale stenty mogą powodować długotrwałe komplikacje, w tym ponowne zarastanie naczyń, zakrzepy krwi i krwawienie. Naukowcy opracowują stenty z bioabsorpcyjnym cynkiem, które z czasem ulegają nieszkodliwej erozji, minimalizując normalne, chroniczne ryzyko związane ze stentami stałymi. Wczesne badania z użyciem wchłanialnych stentów cynkowych są obiecujące.

Samowystarczalne źródło zasilania dla wszczepialnych urządzeń biomedycznych

Urządzenie biomedyczne działa tylko tak długo, jak długo działa jego bateria. Badacze dążą do przezwyciężenia tego ograniczenia poprzez pozyskiwanie energii z ludzkiego ciała w celu zasilania wszczepialnych urządzeń biomedycznych. Obecnie badają oni innowacyjną nanotechnologię w celu opracowania ultralekkich, lekkich, rozciągliwych i bio-kompatybilnych membran. Membrany te mogą skutecznie i dyskretnie zamieniać energię mechaniczną wytwarzaną w ludzkim ciele na energię elektryczną, co prowadzi do samowystarczalnego zasilania.

Jakie obszary są ważne dla przyszłych badań nad biomateriałami?

Trzy poniższe fascynujące technologie sugerują kierunki rozwoju biomateriałów:

Immunomodulacja jest dostosowaniem odpowiedzi immunologicznej do pożądanego poziomu. Immunomodulacja biomateriałów może pomóc w zwalczaniu powszechnych chorób przewlekłych, takich jak cukrzyca typu 1, choroba autoimmunologiczna, w której obrona organizmu niszczy komórki produkujące insulinę w trzustce. Naukowcy opracowali niedawno syntetyczny biomateriał do wstrzykiwania, który odwrócił cukrzycę typu 1 u myszy cukrzycowych innych niż otyłe, co stanowi ważny krok w rozwoju biodegradowalnej platformy pomagającej kontrolować skutki choroby.
Biomateriały do wstrzykiwań są coraz częściej wykorzystywane do dostarczania środków leczniczych, materiałów genetycznych i białkek. Dają one możliwość leczenia różnych schorzeń poprzez zapewnienie ukierunkowanego podawania przy jednoczesnym uniknięciu wchłaniania przez układ odpornościowy. Prowadzone obecnie badania z wykorzystaniem zarówno syntetycznych, jak i pochodzących z natury biomateriałów do wstrzykiwania mogą pewnego dnia zostać wykorzystane do leczenia wad kostnych, nowotworów i zawałów serca.
Supramolekularne biomateriały – kompleksy cząsteczek, które przekraczają granice tego, co mogą zrobić same w sobie – mają potencjał zarówno do wykrywania, jak i reagowania, dzięki czemu są idealnym materiałem do leczenia urazów lub chorób. Badacze rozwijają nadcząsteczkowe biomateriały, które mogą być włączane i wyłączane w odpowiedzi na fizjologiczne sygnały lub które naśladują naturalną sygnalizację biologiczną.