Biomaterial inom medicin och tandvård
Innehållsförteckning
Biomaterial är ryggraden i modern rekonstruktiv medicin och tandvård. Deras tillämpningar sträcker sig från hjärtklaffar och ledproteser till intraosseösa implantat, sensorer, elektroder och läkemedelstillförselssystem. Denna artikel syftar till att ge en kortfattad men omfattande översikt över deras definition, krav på biokompatibilitet, primära klasser, mekanismer för interaktion med kroppen, testning och nedbrytningsprinciper, samt att belysa viktiga aspekter av ytteknik och precisions tillverkning som avgör en produkts kliniska framgång. Artikeln baseras på den klassiska monografin ”Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine”, redigerad av B.D. Ratner et al. (Academic Press).
Biomaterial bör alltid analyseras i samband med deras kliniska tillämpning, inom en specifik biologisk miljö och efter att ha genomgått faktiska tillverknings- och steriliseringsprocesser, eftersom dessa steg definierar deras funktionella egenskaper och säkerhet.
Vad är ett biomaterial och vad är biokompatibilitet?
Enligt den terminologi som används i litteraturen är ett biomaterial ett icke-levande material som är avsett att interagera med ett biologiskt system i en medicinsk anordning. Dess kliniska acceptans beror på biokompatibilitet, det vill säga förmågan att framkalla en lämplig, avsiktligt önskad värdrespons i en given tillämpning, det vill säga en respons som möjliggör den avsedda terapeutiska effekten och inte medför oacceptabla risker. Dessa definitioner, som fastställts i bland annat D.F. Williams verk och i inledande kapitel i monografier, har blivit hörnstenen i den tvärvetenskapliga utvecklingen av området.
Biokompatibilitet är ett förhållande mellan material, produkt, patient och tillämpning. Samma material kan vara biokompatibelt i en produkt och problematiskt i en annan.
Historiskt sett har biomaterial omfattat både metaller som används i proteser (till exempel guld inom tandvården) och material som glas eller trä i externa proteser. Dagens förståelse av disciplinen har utvecklats parallellt med kristalliseringen av det vetenskapliga samfundet, symposier och etableringen av vetenskapliga sällskap; samtidigt har strukturen för facklitteratur och standarder tagit form.
Systematiken för material som används inom medicin och tandvård omfattar: metaller, polymerer, hydrogeler, bioresorberbara material, keramik och glaskeramik, naturmaterial, kompositer, samt tunna skikt, beläggningar och yttransplantat, textilier och funktionella material (som aktivt reagerar på stimuli). Detta sammanfattas i del I av monografin, och detaljerade kapitel diskuterar egenskaper, egenskaper och tillämpningar för enskilda klasser.
I klinisk praxis förekommer materialet sällan på egen hand utan bildar en medicinsk anordning med en specifik geometri, grovhet, renhet och bearbetningshistorik. I flera kapitel i del II och VII beskrivs till exempel vaskulära implantat, elektroder, sensorer, tand- och ortopediska implantat samt läkemedelstillförselssystem.
Metaller (till exempel Cr–Ni–Mo-stål, Co–Cr-legeringar, titanlegeringar) är fortfarande grunden för mekaniskt belastade implantat (plattor, skruvar, endoproteser, ventilkomponenter). Mekaniska egenskaper, utmattningshållfasthet och korrosionsbeständighet är av största vikt, och deras nivå beror i hög grad på bearbetningshistoriken (från smältning via plastisk bearbetning till värmebehandling) och mikrostrukturen.
Polymerer (från termoplaster till elastomerer och tvärbundna hartser) ger flexibilitet, låg densitet, lätt formbarhet och möjlighet att modifiera mikrostruktur och funktion (till exempel hemokompatibla beläggningar, ledande geler, membran). Kapitlen om polymerer betonar vikten av molekylvikt (Mn, Mw), polydispersitet och taktik för mekaniska egenskaper och bearbetningsegenskaper. Ur ett operativt perspektiv är glasövergången (Tg), kristallin smältning (Tm) och gummiplatån, som syns i DMA-tester, avgörande.
Keramik och glaskeramik, från oxider (som aluminiumoxid och zirkoniumoxid) till bioaktiva glas, är avgörande i tillämpningar där hög hårdhet, kemisk stabilitet och bioaktivitet krävs, till exempel inom restaurativ tandvård och reparation av benfel. Dessa material kan bilda en stark, kemiskt medierad bindning med vävnad (bioaktivitet), vilket diskuteras i detalj i klassen ”biokeramik”.
Naturliga material (kollagen, elastin, polysackarider) blir allt viktigare inom vävnadsteknik på grund av deras likhet med den extracellulära matrisen och deras potential att främja regenerering (till exempel hud- eller nervstommar).
Valet av material är kopplat till den anatomiska placeringen och belastningsförhållandena: hjärtklaffar kräver motståndskraft mot utmattning och blodkoagulering; höftendoproteser kräver hög hållfasthet och lämpliga friktionspar; tandimplantat kräver biointegration och biologisk täthet i mjukvävnadsövergången. Kapitel VII innehåller detaljerade beskrivningar av dessa krav för specifika typer av produkter.
Volym- och ytegenskaper
I biomaterial skiljer vi mellan volymegenskaper (hållfasthet, modul, slaghållfasthet, krypning, utmattning och konduktivitet) och ytegenskaper (ytenergi och kemi, laddning, topografi och gränsskiktet efter proteinadsorption). Det senare avgör den första kontakten med blod och vävnader – kaskaden av proteinadsorption, cellaktivering och koagulationskaskaden. Monografin innehåller kapitel som ägnas åt proteinadsorption och blodets reaktion på materialet, samt korrelationer mellan ytegenskaper och biologisk reaktion.
I polymerer bestämmer makromolekylernas arkitektur (linjär, grenad eller tvärbunden), kristallinitet, taktik och molekylviktfördelning de mekaniska och termiska reaktionerna. Ur ett tekniskt perspektiv är de parametrar som styr bearbetningen (till exempel injektion, extrudering eller reaktiv formning) och beteendet under produktens livscykel avgörande. Mn/Mw-, Tg- och Tm-fördelningar, samt DMA-spektra, fungerar som grund för utformningen av membranstrukturer, beläggningar och implanterbara elastomerer.
Även små skillnader i ytegenskaper (kemi, nanostruktur, steriliseringshistorik) kan radikalt förändra proteinadsorptionsprofilen och därmed påverka trombogenicitet och läkning, vilket är anledningen till att hantering av ytans tillstånd är lika viktigt som valet av materialets kemiska sammansättning.
Hur reagerar kroppen på biomaterial?
Efter implantation utlöses en kedja av värdreaktioner, inklusive hemostas, akut inflammation, proliferation och vävnadsombyggnad i närvaro av ett främmande föremål. Detta resulterar i en främmande kroppsreaktion, som kännetecknas av kronisk aktivering av makrofager, bildandet av främmande kropps jätteceller och utvecklingen av en fibrös kapsel. Separata, komplexa processer involverar kontakt med blod (trombocytaktivering och koagulationskaskaden) och immunsystemet (immunologi och komplementsystemet). Sammanfattningen av kapitel 4.1–4.7 ger en konceptuell ram och metoder för att utvärdera denna respons.
Responsmönstret beror på implantationsstället, storleken och grovheten, samt materialets sammansättning och ytans skick; även samma material kan framkalla olika makrofagfenotyper i mjukvävnad och periosteal vävnad. Därför måste bedömningen av biokompatibilitet vara applikationsspecifik (in vitro + in vivo).
Testning av biomaterial omfattar in vitro-studier (celler, proteiner och hemokompatibilitet), in vivo-studier (djurmodeller och implantationsställen), blod–material-tester och utformning av djurmodeller anpassade till den kliniska indikationen. Riktlinjerna som sammanställts i avsnitten 5.1–5.5 fastställer ett gemensamt språk för akademiska och industriella laboratorier, samt för regulatorisk bedömning. Resultat från en nivå (till exempel in vitro) kan inte direkt extrapoleras till kliniska resultat; triangulering av data (in vitro–in vivo–explantatanalys) är guldstandarden inom produktutveckling och tillsyn.
Nedbrytning och åldrande i en biologisk miljö
Kroppen är inte en enkel miljö för materialdesign. Den är rik på proteiner, enzymer och celler som kan generera reaktiva syre- och klorföreningar. I denna miljö utsätts material för hydrolys, oxidation, korrosion, utmattning, spänningssprickor och till och med patologisk mineralisering. Avsnitten 6.1–6.5 ger en tvärsnittsöversikt över nedbrytningsmekanismerna för polymerer, metaller och keramik.
Särskilt lärorikt är mekanismen genom vilken värdpolymeren oxiderar. Vid akut inflammation producerar neutrofiler superoxidanjon, väteperoxid och (med deltagande av myeloperoxidas) hypoklorsyra (HOCl); makrofager, som dominerar kroniskt (tillsammans med jätteceller), upprätthåller utsläppet av fria radikaler, och MPO-adhesion till främmande kroppsytan kan fungera som en katalysator vid implantationsstället. Denna miljö främjar oxidationen av eter- och uretanbindningar, samt uppkomsten av sprickor och spänningssprickor i uretanelastomerer, fenomen som bland annat observerats i polyuretan-komponenter i elektroder och pacemakerledningar.
Nedbrytningen är synergistisk: alternerande belastningar ger upphov till mikrosprickor och en ny, reaktiv yta; vattenabsorption förändrar det lokala pH-värdet och underlättar diffusionen av reagenser; hydrolysprodukter ökar hydrofiliciteten och penetreringen av nedbrytningsmedel. Kontroll av sammansättning, antioxidantstabilisering och restspänningsförhållanden är avgörande för långsiktig säkerhet.
I korrosiva metaller omfattar nedbrytningen gropfrätning och spaltkorrosion, spänningskorrosion och tribologiskt slitage i friktionspar, vilket kan leda till lösa partiklar och vävnadsreaktioner. Keramik är visserligen kemiskt mer stabilt, men är sprött och känsligt för sprickbildande defekter; därför kräver dess utformning noggrann kontroll av defekter.
Exempel på kliniska tillämpningar
Hjärt-kärlsystemet. Material för ventiler, transplantat, stentar, extrakorporeala system och artificiella organ måste uppnå en balans mellan hemokompatibilitet och mekanisk hållbarhet, samt motståndskraft mot protein-/cellavlagring. Icke-trombogena strategier inkluderar ytmodifieringar (såsom heparinisering och hydrogeler) och kontroll av ytenergi.
Tandvård – Implantat av titan och zirkonium har revolutionerat protetisk rehabilitering. Framgången beror på biointegration med ben (mer exakt, nära vidhäftning och mekanisk retention) och tätheten i passagen genom slemhinnan. Material för restaureringar (ädelkeramik, glaskeramik) drar nytta av framsteg inom biokeramik och precisionsbearbetning.
Ortopedi – Endoproteser för höft och knä kräver en kompromiss mellan statisk hållfasthet och utmattningshållfasthet, slitstyrka och tribologiska egenskaper hos friktionsparet (metall–UHMWPE-polyetylen, keramik–keramik, metall–metall). Dessutom är förbindelsen med benet avgörande: jämförelse mellan akrylcement och porösa beläggningar för osseointegration.
Precisions tillverkning, mikrostruktur och ytteknik
När det gäller metallimplantat är egenskaperna ett resultat av hela bearbetningskedjan, från smältning och raffinering till plastisk deformation och värmebehandling till bearbetning, svetsning, beläggning och sterilisering. Mikrostruktur (kornstorlek, faser, textur) och processinducerade defekter påverkar utmattningshållfasthet och korrosionsbeständighet. Införandet av porösa beläggningar och strukturer (till exempel sintrade nät, plasmasprayer) är ett exempel på en tvärvetenskaplig uppgift: vidhäftning, styvhet, topografi och utmattningsintegritet för hela komponenten måste balanseras.
I polymerer är bearbetningsparametrar (temperatur, tid och restspänningar) lika viktiga som valet av antioxidantstabilisatorer och renhetskontroll, eftersom dessa faktorer avgör den efterföljande biostabiliteten. I praktiken har det förekommit fall av spänningssprickor i polyuretaner som används i pacemakerledningar, särskilt vid gränssnittet mellan restspänningar, den biologiska miljön och oxidation av värden.
Ytteknik är en uppsättning verktyg för att modifiera egenskaper, allt från fysikalisk-kemiska beläggningar till applicering av tunna filmer och ympade polymerlager, samt mikro-/nanotopografi. Korrelationer mellan ytparametrar och biologisk respons är ämnet för särskilda praktiska kapitel.
För långvarigt implanterade enheter kan små processbeslut (till exempel typ av sterilisering, lagringsförhållanden) bli viktiga orsaker till kliniska skillnader flera år senare. Dokumentering av bearbetningshistorik och kvalitetskontroll är integrerade delar av biomaterialdesign.
Etik, regler och standarder
Produkterna släpps ut på marknaden efter rigorösa utvärderingssystem, inklusive FDA och ISO. Kostnaden för att visa säkerhet och effektivitet är betydande, men det skyddar patienterna och formar kvalitetspolicyn. Samtidigt uppstår etiska frågor: hur man balanserar patienternas intressen och ekonomiska påtryckningar, hur man utformar studier med minimal risk, när och hur man drar tillbaka föråldrade lösningar. Dessa frågor, tillsammans med konsensusstandarders och teknisk utvecklings roll, diskuteras i avsnittet om nya produkter och standarder. Kliniska framsteg kräver samtidiga framsteg inom utvärderingsmetodik, standarder och etik; annars kan innovation vara illusorisk eller riskabel.
Framtidsutsikter
I horisonten finns biologiskt funktionella (stimulansresponsiva) material och avancerade biosensor– och artificiella organsystem (implanterbara och extrakorporeala) som gör biomaterialgränssnittet till centrum för fysiologisk informatik. Deras framgång kommer att bero på subtil kontroll av ytinteraktioner, långsiktig stabilitet och skydd mot nedbrytning. Avsnittet i monografin som ägnas åt artificiella organ och biosensorer visar hur nära material, elektronik och biologi måste samverka. Framtiden för biomaterial ligger i hybridsystem, som kommer att kräva ännu mer noggrann kontroll av mikrostruktur och yta.
Biomaterial inom medicin och tandvård – sammanfattning
Biomaterial är aktiva komponenter i terapin som tillsammans skapar den biologiska mikromiljön. Framgången avgörs lika mycket av valet av materialklass, ytteknik, mikrostruktur och bearbetningshistorik som av förståelsen för värdens respons och nedbrytningsmekanismer över tid. Metaller, polymerer och keramer har olika fördelar och risker; naturliga polymerer och bioaktiva system utökar paletten med regenerativa funktioner. Ur ett kliniskt perspektiv innebär varje projekt ett flermålsoptimeringsproblem för en specifik indikation och patientpopulation, vilket monografin systematiserar, från definitioner och egenskaper, via kontaktbiologi och testning, till de praktiska aspekterna av implantation och explantatanalys. Slutligen är precisions tillverkning och kvalitetskontroll inte det sista steget, utan en integrerad del av biomaterialvetenskapen, eftersom de avgör materialets långsiktiga beteende i kroppen.
Den övergripande kompetensen inom biomaterialdesign är förmågan att kombinera materialvetenskap med biologi och produktteknik – från kemi och mikrostruktur, via yta, till tillverkning och sterilisering. Detta resulterar i en enda, väl dokumenterad klinisk lösning, verifierad i in vitro–in vivo–klinisk väg.
Bibliografi
Ratner, B.D., Hoffman, A.S., Schoen, F.J., Lemons, J.E. (red.). Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine. Academic Press, San Diego–London–Boston–New York–Sydney–Tokyo–Toronto, 1996.
