Biomateriale și Biocompatibilitatea acestora cu Organismul Uman

1. NOŢIUNI FUNDAMENTALE

Ştiinţa biomaterialelor este „ştiinţa care se ocupă cu interacţiunile dintre organismele vii şi materiale”, iar biomaterialele ca fiind „orice substanţă sau combinaţie de substanţă, de origine naturală sau sintetică, care poate fi folosită pe o perioadă de timp bine determinată, ca un întreg sau ca o parte componentă a unui sistem care tratează, grăbeşte, sau înlocuieşte un ţesut, organ sau o funcţie a organismului uman”(Williams 1992).

Astfel s-a născut ştiinţa biomaterialelor cu un vocabular medical şi ştiinţific îmbogăţit de noi termeni, destinaţi definirii interacţiunii între un organism viu si un material.

Ortopedia, chirurgia estetica, oftamologia, chirurgia maxio-facială, cardiologia, urologia si neurologia şi practic toate specialităţile medicale nu numără mai puţin de 400 de produse diferite şi 10% din activităţile medicale necesită utilizarea de biomateriale în scopuri de: diagnosticare, prevenţie şi terapie (figura 1).

Din categoria biomaterialelor folosite pentru realizarea implanturilor şi a dispozitivelor medicale fac parte următoarele materiale: polimerii, metalele, ceramicele şi compozitele. O gamă largă de polimeri se folosesc în aplicaţiile medicale, aceasta datorându-se faptului că aceştia se găsesc sub diferite forme complexe şi compoziţii (solide, fibre, fabricate, filme şi geluri). Totuşi în cazul implanturilor folosite la protezarea articulaţiilor aceste materiale se folosesc mai puţin datorită faptului că nu îndeplinesc în totalitatea proprietăţile mecanice ce se necesită în astfel de cazuri.

Metalele sunt unele dintre cele mai folosite biomateriale în cazul implanturilor ortopedice, şi nu numai. Acestea sunt cunoscute pentru rezistenţa mare la uzură, ductibilitate şi duritate ridicată. Cel mai des folosite metale pentru realizarea implanturilor sunt oţelurile inoxidabile, aliajele de cobalt-crom-molibden, titanul şi aliajele de titan. Titanul şi aliajele acestuia sunt folosite cu precădere la realizarea implanturilor ortopedice datorită faptului că proprietăţile mecanice ale acestuia sunt asemănătoare cu cele ale ţesutului osos.

Principalele dezavantaje al acestor metale sunt rigiditatea ridicată pe care o au în comparaţie cu ţesuturile gazdă, precum şi tendinţa acestora de a crea artefacte în cazul procedeelor de diagnosticare avansate (investigarea cu computerul tomografic şi rezonanţă magnetică).

De asemene, oţelurile inoxidabile şi aliajele de cobalt cu crom sunt predispuse la coroziune, eliberând în organism ioni metalici ce pot cauza reacţii alergice (Speide şi Uggowitzer, 1998).

Ceramicele sunt, de asemenea, foarte des întâlnite în aplicaţiile medicale datorită unei biocompatibilităţi bune cu ţesutul gazdă, o rezistenţă ridicată la compresiune şi coroziune.

Figura 1 Aplicaţii ale biomaterialelor în medicină.

2. CLASIFICAREA BIOMATERIALELOR

Există trei tipuri de biomateriale ce se disting după interacţiunea lor cu mediul biologic:

- materiale bioinerte,

- materialele bioabsorbante,

- materiale bioactive.

Materialele bioinerte cum ar fi titanul, tantalul, polietilena şi alumina, expun o foarte mică interacţiune chimică cu ţesuturile adiacente. Ţesuturile pot adera la suprafaţa acestor materiale inerte fie prin creşterea acestora în microneregularităţile suprafeţei (osteointegrare) fie prin folosirea de adeziv special (acrilat). Pe termen lung, acesta din urmă nu este modul ideal de fixare a implanturilor, de regulă cele ortopedice şi stomatologice. Cu toate acestea, multe din implanturile polimerice sunt considerate a fi sigure şi eficace pe o perioadă cuprinsă între câteva luni şi câţiva ani. Reacţia biologică este inevitabilă, dar este compensată de modul de proiectare a implanturilor.

Materialele bioabsorbante cum ar fi fosfatul tricalcic, acidul copolimeric polilactic-poliglicolic, chiar şi unele metale, sunt astfel concepute încât acestea să poată fi uşor absorbite de organism şi înlocuite de ţesuturile adiacente (ţesutul osos sau pielea). Acest tip de materiale sunt folosite în cazul transportului de medicamente sau în cazul structurilor implantabile biodegradabile cum ar fi aţa chirurgicală.

Din categoria materialele bioactive fac parte materialele sticloase, ceramicele, combinaţiile ale materialelor sticloase cu ceramicele şi hidroxiapatita care conţine oxizi de silicon (SiO2), sodiu (NaO2), calciu (CaO), fosfor (P2O5) şi alţi constituenţi de materiale care ajută la formarea de legături chimice cu ţesutul osos. Aceste materiale sunt bioactive datorită legăturilor pe care acestea le realizează în timp cu ţesutul osos şi în unele cazuri cu ţesutul moale. În particular, are loc o reacţie de schimb de ioni între materialul bioactiv şi lichidele corpului, prin care particule de material difuză în lichid şi viceversa, rezultând în timp, un strat biologic activ de fosfat de calciu, care este chimic şi cristalografic echivalent cu structura osoasă. De asemenea, materialele bioactive par să fie răspunsul ideal în cazul fixării oaselor în urma fracturilor, dar nu sunt potrivite în cazul implanturilor de articulaţii, acolo unde gradul de frecare dintre materialele în contact este foarte mare.

În funcţie de natura biomaterialelor întâlnim:

- biomateriale naturale (materiale biologice):

- organice,

- anorganice;

- biomateriale sintetice:

- metalele,

- polimerii,

- ceramicele,

- compozitele.

În ultima decadă se pune tot mai mult accent pe înlocuirea materialelor sintetice utilizate în medicina umană şi veterinară cu materiale biosintetice (bioartificiale). Aceste materiale conţin cel puţin o componentă naturală care are scopul de a mări gradul de biocompatibilitate al materialului respectiv şi de a grăbi procesul de vindecare.

Componenta naturală a materialelor bioartificiale poate fi o proteină (colagen, fibronectina, elastina), un polizaharid din clasa glicozaminoglicanilor (condroitin sulfat, heparină, heparan sulfat, acid hialuronic), o secvenţă peptidică cu rol în recunoaşterea celulară sau în procesul de adeziune. Aceste componente sunt cel mai adesea macromolecule ale matricei extracelulare ale ţesuturilor cu care materialele intră în contact şi care sunt implicate în procesele de vindecare.

2.1 Biomateriale metalice

Proprietăţile materialelor sunt guvernate direct chiar de structura lor. La nivel atomic, metalele sunt formate din ioni pozitivi, aflaţi în interiorul norului de electroni liberi. Acest nivel atomic este responsabil pentru caracteristicile şi proprietăţile distincte ale metalelor. Legăturile metalice permit atomilor să se autoaranjeze într-o anumită ordine, să se repete şi să se organizeze într-un model cristalin tridimensional. Electronii liberi sunt responsabili pentru proprietăţile electrice şi de conductibilitate termică a metalelor. Datorită faptului că legăturilor interatomice din structura metalelor nu sunt spaţial orientate, atomii aflaţii la capătul straturilor pot aluneca de pe un strat pe altul dând astfel naştere deformaţiei plastice.