در این مقاله برای آشنایی با گرایش بیومواد مطالبی درباره ی مفاهیم و هدف این گرایش، کاربرد آن در دنیای پزشکی، واحدهای درسی، سرفصل ها و دانشگاه هایی که پذیرش این گرایش را دارند، آورده شده است.
بیو مواد ، موادهایی ( مصنوعی و طبیعی؛ جامد و بعضی مواقع مایع ) هستند که در وسایل پزشکی یا در ارتباط با سیستم های بیولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرند. بیو مواد به عنوان یک رشته بیش ازتقریباً نیم قرن است که تثبیت شده و رشد کرده است و در آن از ایده هایی مانند داروها، بیولوژیکی، شیمی، علم مواد و مهندسی استفاده کرده اند.
این مقدمه کوتاه، بعضی از مشخصات کلیدی گرایش بیومواد را مرور می کند و مسائل بخش های عمده را مشخص می کند.
اگرچه بیومواد در درجه اول برای ابزارآلات پزشکی مورد استفاده هستند، اما آن ها همچنین برای کشت سلول ها در آزمایشگاه، آزمایش کردن پروتئین های خون در آزمایشگاه بالینی، پردازش زیست مولکول ها در بیوتکنولوژی، برای ایمپلنت های تنظیم باروری در گاو، در آرایه های ژنی تشخیصی، در آبزی پروری صدف ها و برای « بیوچیپ های» سِل- سیلیکون تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند.
بعضی از تجهیزات پزشکی معمول که شامل گرایش بیومواد می شوند، در شکل زیر نشان داده شده اند :
بیومواد می توانند فلزات، سرامیک ها، پلیمرها، شیشه ها، کربن ها و مواد کامپوزیتی باشند. مانند موادی که به عنوان بخش های ماشینکاری شده یا قالب شده، پوشش ها، فیبرها، فیلم ها، فوم ها و پارچه ها مورد استفاده هستند.
شمار تجهیزات پزشکی استفاده شده ی هر ساله توسط بشر بسیار بزرگ است. چارت زیر نیز میزان کاربرد تجهیزات معمول را نشان می دهد:
تعریف
یک سری مواد غیر قابل رشد که در یک دستگاه پزشکی برای تقابل با سیستم های بیولوژیکی مورد نظر، استفاده می شوند. (Williams,1987) اگر کلمه «پزشکی» حذف شود، این تعریف بسیار عمومی می شود که هنوز هم تا حدودی مفید است. اگر کلمه « غیر قابل رشد » حذف شود، تعریف بسیار بسیار عمومی می شود و می تواند مهندسی بافت جدید و ابزارآلات ارگانیک مصنوعی هیدریدی که در سلول ها زندگی می کنند، را نیز شامل شود. این تعریف به عنوان یک مکمل به فهمیدن یک جنبه مهمی از بیومواد که « زیست سازگاری » است نیاز دارد. زیست سازگاری توانایی یک ماده برای دریافت پاسخی مناسب از محیط میزبان (به طور مثال بدن) در یک کاربرد ویژه است. این پاسخ های مناسب می تواند شامل جلوگیری از لخته شدن خون، مقاومت در برابر انتقال باکتری و شفا یافتن به طور طبیعی باشد.
مثال هایی از کاربردهای ویژه عبارتند از یک پوسته همودیالیز (کلیه مصنوعی)، یک کاتتر ادراری و یا پروتز مفصل ران. جالب است بدانیم که پوسته همودیالیز شاید برای ۳ ساعت در تماس با خون بیمار باشد، کاتتر شاید برای یک هفته درون بدن بیمار باشد و مفصل ران شاید برای تمام عمر بیمار!
در گرایش بیومواد چه موضوعاتی مهم هستند ؟
- سم شناسی
یک بیو ماده شاید سمی نباشد، مگر آنکه برای چنین شرایطی مخصوصاً مهندسی شده است (برای مثال یک «بمب هوشمند» در سیستم دارورسانی که سلول های هدف سرطانی را از بین می برد). زمانی که بیوماده برای استفاده در محل مورد نظر باید غیر سمّی و طبیعی باشد، سم شناسی برای بیومواد به یک علم پیچیده تکامل یافته تبدیل می شود. این برای گفتن معقول است که یک بیوماده نباید هیچ چیزی از جرم خود بدهد مگر آنکه مخصوصاً برای انجام دادن آن طراحی شده باشد. سم شناسی همچنین با روش های ارزیابی چگونگی بهتر شدن یک بیوماده جدید درحال توسعه سروکار دارد.
- زیست سازگاری
درک کردن و اندازه گیری زیست سازگاری برای علم بیومواد منحصر به فرد است. متاسفانه، ما تعاریف دقیق یا اندازه گیری دقیقی از قابلیت زیست سازگاری نداریم. قابلیت زیست سازگاری از نظر عملکرد یا موفقیت در یک وظیفه خاص تعریف شده است. بنابراین، برای یک بیماری که در حال خوب شدن با یک ایمپلنت پروتز عروقی است ، چندین استدلال می کنند که این پروتز « زیست سازگار » نیست. اگرچه، پروتز شاید برای انجام این کار طراحی شده باشد و همچنین بتواند مانع از لخته شدن خون شود ( آمبولی یا جسم مسدود کننده جریان خون ) ، هر چند که آمبولی در این مورد معمولاً نتیجه بالینی اندکی دارد. این تعریف موثر از زیست سازگاری (« بیمار زنده است بنابراین آن ایمپلنت مورد استفاده باید زیست سازگار باشد ») به ما فهم کمتری در طراحی جدید یا بهبود یافته پروتزهای عروقی ارائه می دهد. این احتمال وجود دارد که زیست سازگاری شاید یک روز برای ابزارآلاتی در بافت نرم، بافت سخت و سیستم قلبی عروقی تعریف شود ( سازگاری خون ). در شکل زیر ایمپلنت های مورد استفاده در بدن را مشاهده می کنید.
- ساختار بافت در حال کار و پاتوبیولوژی
بیو مواد گنجانده شده در داخل تجهیزات پزشکی در داخل بافت ها و ارگان های بدن کاشته می شوند.
بنابراین، اصول کلیدی ساختار نرمال و غیر نرمال سلول ها، بافت ها و ارگان ها کنترل می شود و تکنیک هایی که ساختار و عملکرد نرمال و غیر نرمال بافت ها را تعیین می کند مورد مطالعه قرار می گیرند و مکانیزم های اساسی فرایند بیماری برای فعالان در این زمینه (بیو مواد) ملاحظات حیاتی هستند.
بخش هایی که گرایش بیومواد شامل آن ها می شود از جمله سیستم های دارورسانی، مهندسی بافت، پلیمرهای هوشمند، بهبود دادن سطح، سیستم های پزشکی تولید شده درجا، پلیمرهای قابل تجزیه زیستی و سازنده های پزشکی نانو سایز.
بیومواد، موادی طبیعی یا اصلاح شده هستند که همواره با یک سیستم زیستی در تماس می باشند. آن ها به طور مداوم با این سیستم در حال برهم کنش اند و با کارکرد تعریف شده و مشخص خود باعث افزایش کیفیت و کارایی سیستم می شوند. هر دو نوع بیومواد، اعم از متخلخل و نفوذ ناپذیر، در جایگزینی یا ترمیم بافت های نرم و سفت مانند استخوان ها، غضروف ها، رگ های خونی و یا حتی کل اندام، استفاده می شوند. تمایل انسان ها به عمر طولانی تر، توقعات بالاتر و رشد همیشگی جمعیت، نیاز به بیومواد را افزایش داده است و محققان را به تمرکز بیشتر بر ساخت بیومواد جدید که با حداقل میزان واکنش با بدن انسان، نقش مورد انتظار خود را ایفا کنند واداشته است.
بیومواد برای کاربردهای پزشکی گوناگونی از قبیل موارد زیر استفاده می شوند:
- قطعات قابل کاشت در قلب و عروق مانند استنت ها، عروق خون رسان، دریچه های قلبی، الکتروشوک و ضربانسازها
- قطعات مورد استفاده در سیستم عصبی، مانند ایمپلنت های عصبی وپروتزهای مورد استفاده در سیستم عصبی مرکزی و سیستم عصبی محیطی
- پروتزهای ارتوپدی مانند استخوان های پیوندی، صفحات استخوانی، فین ها و تجهیزات جوش دادن
- تجهیزات تثبیتکننده ی مورد استفاده در ارتوپدی مثل پیچ های تداخلی در مچ پا، زانو و نواحی دست، میله ها و پین های تثبیت کننده ی شکستگی و پیچ ها و صفحات مورد استفاده در ترمیم جمجمه، فک و صورت
- داربست های مهندسی بافت استخوان برای شکستگی ها و ایمپلنت های دندانی
بیومواد می توانند به چهار گروه اصلی دسته بندی شوند: فلزات، سرامیک ها، پلیمرها و کامپوزیت ها
- فلزات
فلزات به سبب دارا بودن مجموعه ای از خواص مانند استحکام ذاتی، چقرمگی شکست و استحکام خستگی بالا معمولاً در کاربردهای تحمل بار، همچون موارد زیر استفاده می شوند:
- به عنوان مفاصل مصنوعی، صفحات و پیچ ها در ارتوپدی
- دستگاه های مورد استفاده در ارتودنسی و دندان پزشکی، مانند براکت ها و ایمپلنت های دندانی
- به عنوان قطعات مورد استفاده در قلب و عروق و جراحی مغز و اعصاب، مانند قلب مصنوعی، گیره ها، استنت ها، سیم ها و کویل ها به سبب شکل پذیری بهتر
آهن، کروم، کبالت، نیکل، تیتانیم، تانتالیم، مولیبدن و تنگستن فلزهای زیست تخریب ناپذیری هستند که معمولاً در تولید ایمپلنت ها استفاده می شوند.
- سرامیک ها
آلومینا و زیرکونیا رایج ترین سرامیک هایی هستند که زیست خنثی هستند و در ساخت تجهیزات پزشکی قابل کاشت، به خصوص ایمپلنت های دندانی، مورد استفاده قرار می گیرند. مجموعه ای از خواص مکانیکی ذاتی در سرامیک ها از جمله سختی بالا، استحکام فشاری عالی و مقاومت به سایش به همراه پایداری شیمیایی عالی و بافت سازگاری، این مواد را به موادی مرجح در کاربردهای زیستی بدل کرده است. اگرچه پایین بودن چقرمگی شکست و بالا بودن زبری سطح مواد سرامیکی کاربردهای بالینی آن ها را به خصوص در شرایط تحمل بار محدود کرده است؛ ولی در عوض، به منظور ارتقای خاصیت ترمیم استخوان در ایمپلنت های فلزی حامل بار از پوشش های سرامیکی استفاده می شود. سرامیک هایی مانند آلومینا و زیرکونیا، از آنجایی که در مقایسه با فلزات تحت تاثیر هیچ واکنش اکسیدکنندهای قرار نمی گیرند، هیچ گونه یون های ایجادکننده ی سمیت سلولی را به عنوان فراورده ی جانبی خوردگی در بدن انسان آزاد نمی کنند و امنیت زیستی بالایی را فراهم می آورند. سایر سرامیک های رایج مورد استفاده عبارتند از: تیتانیا، تریکلسیم فسفات، هیدروکسی آپاتیت، زیرکونیای پلی کریستال تتراگونال، سیلیکا، چینی، کربن ها و کامپوزیت های سرامیکی مانند کامپوزیت های آلومینا-زیرکونیا.
سیر تکامل ایمپلنت های دندانی
دسته ای از سرامیک ها که امروزه در کاربردهای زیستی مانند ایمپلنت ها و پوشش ها مورد استفاده قرار می گیرند, شیشه ها و شیشه-سرامیک ها هستند. شیشه های زیست فعال می توانند به عنوان پوشش برای مواد دارای خواص مکانیکی خوب ولی زیست خنثی به کار برده شوند. نمونه هایی از این مواد، آلومینای پلی کریستال، زیرکونیا، فلز تیتانیوم و آلیاژهای آن هستند. این مواد به عنوان اجسام خارجی، اغلب توسط یک کپسول فیبروزی نازک احاطه می شوند که از اتصال آن ها به ارگانیسم ممانعت می کند. پوشش دهی این مواد با لایه ای از شیشه زیست فعال اجازه تشکیل مواد کامپوزیتی را می دهد که می توانند به بافت استخوانی زنده متصل شوند و ویژگی های مکانیکی مورد نیاز را برآورده کنند.
مواد شیشه-سرامیک طبیعی مانند اُبسیدین(شیشه آتشفشانی)، همیشه در طبیعت وجود داشته ولی شیشه-سرامیک های سنتز شده (پیروسرام) اولین بار در سال ۱۹۵۳ تهیه شده و مشخص شد که برای استفاده های مختلف مناسب می باشند. شیشه-سرامیک های حاوی آپاتیت، به علت فعالیت زیستی بالا، کریستالوگرافی نزدیک و شباهت شیمیایی با آپاتیت بافت استخوانی انسان برای ایمپلنت های جراحی بسیار مهم می باشند. معمولاً شیشه-سرامیک ها با داشتن چند ویژگی مطلوب از شیش هها و سرامیک ها متمایز می شوند. مقاومت نسبت به آسیب سطحی و خراشیدگی با کنترل اندازه دانه افزایش می یابد. همچنین استحکام کششی و مقاومت نسبت به فرسایش نیز بهبود می یابد. با این وجود، شیشه-سرامیک های زیست سازگار نیز محدودیت هایی دارند که در مورد سایر شیشه ها و سرامیک ها نیز وجود دارد.
- پلیمرها
در بین مواد غیرقابل جذب، پلیمرهای زیست تخریب پذیر در مقایسه با سرامیک ها و فلزات توجه بیشتری را به خود جلب کرده اند. آن ها به راحتی می توانند به اشکال گوناگونی فراوری شوند و دارای گستره وسیعی از خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و حرارتی هستند. پلیمرهای طبیعی یا مصنوعی خواص ویسکوالاستیک دارند و میتوان از آن ها در جاهایی که تنشهای مکانیکی اندک وجود دارد، مثل بافتهای نرمی نظیر غضروف و تاندون ها، استفاده کرد. نیازهای یک ماده پلیمری برای این که بتوان از آن در کاربردهای مهندسی پزشکی استفاده کرد شامل مقاومت به خستگی، مقاومت به پیرشدن در محیط های آبی-نمکی، زیست سازگاری، پایداری ابعادی، عدم حضور افزودنی های مضر مهاجر و قابلیت سِتَرون شدن با روش های استاندارد بدون از دست دادن خواص می باشد. ترکیب پلیمرها و فازهای غیرآلی منجر به تولید مواد کامپوزیتی با خواص مکانیکی بهبود یافته به خاطر استحکام و سفتی ذاتی بالاتر مواد غیرآلی می شود. بنابراین در جاهایی مانند استخوان که سفتی به همراه توانایی جذب ضربه نیاز است، پلیمرهای پر شده با ذرات سرامیکی می توانند راه حل جالب توجهی باشند.
دسته ای از مواد پلیمری که در کاربردهای زیست پزشکی و دارورسانی کاربرد وسیعی پیدا کرده اند، هیدروژل ها هستند. هیدروژل ها مواد چند فازی آبدوست هستند که زیست سازگاری عالی و هر دو خواص شبه جامد و شبه مایع را از خود نشان می دهند. ساختار آن ها شامل یک شبکه سه بعدی از زنجیره های پلیمری است که معمولاً به عنوان یک مش، با فضای درون شبکه ای پر شده با آب، سیالات بیولوژیکی و یا انواع یون ها توصیف می شوند. شبکه، سیال را در جای خود نگه می دارد که استحکام هیدروژل را به وجود می آورد، در حالی که فاز سیال آن را خیس و نرم می کند. به خاطر این ساختار ویژه، این پلیمرها رفتار ویسکوالاستیک یا گاهی الاستیک خالص از خود نشان می دهند. هیدروژل ها می توانند مقادیر زیادی آب (حتی تا بیش از ۱۰۰۰ برابر جرم پلیمر) را بدون حل شدن جذب کنند، که اجازه تبادل راحت مواد غذایی و مواد زائد را با محیط اطراف می دهد. پروتئین ها و پلی ساکاریدهای ماتریس خارج سلولی را می توان به عنوان هیدروژل در نظر گرفت. این شباهت با ماتریس خارج سلولی به هیدروژل ها توانایی تقلید بافت انسانی را می دهند. می توان هیدروژل ها را به گروه های مختلفی دسته بندی کرد:
- بر اساس نوع پلیمر: هیدروژل های هموپلیمر، کوپلیمر، مولتی پلیمر یا پلیمرهای در هم نفوذ کرده.
- بر اساس بار یونی: هیدروژل های خنثی، آنیونی، کاتیونی یا آمفولیتیک.
- بر اساس خواص ساختاری فیزیکی: هیدروژل های با پیوند هیدروژنی و ساختارهای کمپلکس، آمورف یا نیمه کریستالی.
- بر اساس طبیعت پیوندهای عرضی آن ها: هیدروژل های شیمیایی یا فیزیکی.
از جمله هیدروژل های کامپوزیتی نیز می توان به هیدروژل های کامپوزیتی بر پایه پلی وینیل الکل/ پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا و همچنین هیدروکسی آپاتیت به عنوان یک بیومواد بالقوه برای جایگزینی با غضروف، نام برد.
- کامپوزیت ها
بسیاری از کامپوزیت های زمینه فلزی و زمینه پلیمری با چگالی پایین و استحکام بالا برای کاربردهای زیست پزشکی تولید شده اند. به منظور فراهم شدن الزامات یک ایمپلنت ایده آل، انتخاب ماده زمینه و نوع، اندازه و مقدار تقویت کننده ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. کامپوزیت هایی مانند پرکننده های کوارتز-سیلیکا یا پرکننده های شیشه ای در زمینه ی پلی متیل متاکریلات، به طور عمده در دندان پزشکی به عنوان سیمان دندانی استفاده می شوند. در تولید کامپوزیت ها باید از توزیع یکنواخت تقویت کننده ها در زمینه اطمینان حاصل کرد.
امروزه بیومواد، کاربردهای فراوانی در صنایع نوین پزشکی و داروسازی پیدا کرده اند. با توجه به لزوم زیست سازگاری ایمپلنت ها و مواد کاشتنی در بدن انسان، توسعه ی انواع بیومواد با کاربردهای گوناگون سهم عمده ای از تحقیقات را به خود اختصاص داده است. یکی از کتاب های ارزشمندی که در این حوزه می تواند راهنمای جامع و کاملی برای علاقمندان، دانشجویان و محققین این حوزه باشد، کتاب “BIOMATERIALS SCIENCE” است. این کتاب در ۸۷۹ صفحه، ۳ بخش و ۱۱ فصل توسط پروفسور Buddy D. Ratner استاد دانشگاه واشنگتن آمریکا و همکارانشان تالیف و توسط انتشارات Elsevier منتشر شده است. محتوای این کتاب به شرح زیر می باشد:
بخش اول – مهندسی و علم مواد
فصل اول: خواص مواد
فصل دوم: طبقه بندی مواد مورد استفاده در پزشکی
بخش دوم – دارو، زیست شناسی و بیوشیمی
فصل سوم: مروری بر مفاهیم پایه
فصل چهارم: واکنش میزبان به بیومواد و ارزیابی آن
فصل پنجم: آزمون های زیستی بیومواد
فصل ششم: تخریب مواد در محیط های زیستی
فصل هفتم: کاربرد مواد در داروسازی، اعضای مصنوعی و زیست شناسی
فصل هشتم: مهندسی بافت
بخش سوم – مشخصه یابی عملی بیومواد
فصل نهم: ایمپلنت ها، دستگاه ها و بیومواد؛ موضوعات مهم در این زمینه
فصل دهم: محصولات نوین و استانداردها
فصل یازدهم: دورنماها و افق های علم بیومواد