Biomaterialele în medicină și stomatologie
Cuprins
Biomaterialele sunt coloana vertebrală a medicinei reconstructive moderne și a stomatologiei. Aplicațiile lor variază de la valve cardiace și endoproteze articulare la implanturi intraosoase, senzori, electrozi și sisteme de administrare a medicamentelor. Acest articol își propune să ofere o prezentare concisă, dar cuprinzătoare, a definiției lor, a cerințelor de biocompatibilitate, a claselor primare, a mecanismelor de interacțiune cu organismul, a testării și a principiilor de degradare, precum și să evidențieze aspectele cheie ale ingineriei suprafețelor și ale fabricării de precizie care determină succesul clinic al unui produs. Articolul se bazează pe monografia clasică „Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine” (Știința biomaterialelor: o introducere în materialele utilizate în medicină), editată de B.D. Ratner et al. (Academic Press).
Biomaterialele trebuie analizate întotdeauna în contextul aplicației lor clinice, într-un mediu biologic specific și după ce au fost supuse proceselor de fabricație și sterilizare, deoarece aceste etape definesc proprietățile lor funcționale și siguranța.
Ce este un biomaterial și ce este biocompatibilitatea?
În terminologia adoptată în literatura de specialitate, un biomaterial este un material inanimat destinat să interacționeze cu un sistem biologic într-un dispozitiv medical. Acceptabilitatea sa clinică depinde de biocompatibilitate, adică de capacitatea de a provoca o reacție adecvată și dorită în mod deliberat a gazdei într-o anumită aplicație, adică una care permite obținerea efectului terapeutic dorit și nu generează riscuri inacceptabile. Aceste definiții, stabilite în lucrările lui D.F. Williams și în capitolele introductive ale monografiilor, printre altele, au devenit piatra de temelie a dezvoltării interdisciplinare a domeniului.
Biocompatibilitatea este o relație material-dispozitiv-pacient-aplicație; același material poate fi biocompatibil într-un produs și problematic în altul.
Istoric, biomaterialele au inclus atât metale utilizate în proteze (de exemplu, aurul în stomatologie), cât și materiale precum sticla sau lemnul în proteze externe. Înțelegerea actuală a disciplinei s-a dezvoltat în paralel cu cristalizarea comunității științifice, simpozioanele și înființarea societăților științifice; în același timp, s-a conturat structura literaturii și a standardelor profesionale.
Sistemul materialelor utilizate în medicină și stomatologie include: metale, polimeri, hidrogeluri, materiale bioresorbabile, ceramică și vitroceramică, materiale naturale, compozite, precum și straturi subțiri, acoperiri și grefe de suprafață, textile și materiale funcționale (care răspund activ la stimuli). Acest lucru este rezumat în partea I a monografiei, iar capitolele detaliate discută caracteristicile, proprietățile și aplicațiile fiecărei clase.
În practica clinică, materialul apare rar singur, ci formează un dispozitiv medical cu o geometrie, rugozitate, puritate și istoric de prelucrare specifice; de exemplu, capitolele din părțile II și VII descriu implanturi vasculare, electrozi, senzori, implanturi dentare și ortopedice și sisteme de administrare a medicamentelor.
Metalele (de exemplu, oțeluri Cr–Ni–Mo, aliaje Co–Cr, aliaje de titan) rămân baza implanturilor supuse solicitări mecanice (plăci, șuruburi, endoproteze, componente de valve). Proprietățile mecanice, durata de viață la oboseală și rezistența la coroziune sunt esențiale, iar nivelul acestora depinde în mare măsură de istoricul prelucrării (de la topire, prin prelucrarea plastică, până la tratamentul termic) și de microstructură.
Polimerii (de la termoplastice la elastomeri și rășini reticulate) oferă flexibilitate, densitate redusă, ușurință de formare și capacitatea de a modifica microstructura și funcția (de exemplu, acoperiri hemocompatibile, geluri conductive, membrane). Capitolele dedicate polimerilor subliniază importanța greutății moleculare (Mn, Mw), polidispersității și tacticității pentru proprietățile mecanice și de prelucrare. Din punct de vedere operațional, tranziția vitroasă (Tg), topirea cristalină (Tm) și platoul cauciucului, vizibile în testele DMA, sunt critice.
Ceramica și vitroceramica, de la oxizi (cum ar fi alumina și zirconia) la sticle bioactive, sunt cruciale în aplicații în care sunt necesare duritate ridicată, stabilitate chimică și bioactivitate, de exemplu, în stomatologia restaurativă și repararea defectelor osoase. Aceste materiale pot forma o legătură puternică, mediată chimic, cu țesutul (bioactivitate), care este discutată în detaliu în cursul „bioceramică”.
Materialele naturale (colagen, elastină, polizaharide) câștigă importanță în ingineria țesuturilor datorită similitudinii lor cu matricea extracelulară și potențialului lor de a promova regenerarea (de exemplu, schele pentru piele sau nervi).
Alegerea materialului este legată de localizarea anatomică și de regimul de solicitare: valvele cardiace necesită rezistență la oboseală și coagularea sângelui; endoprotezele de șold necesită o rezistență ridicată și perechi de frecare adecvate; implanturile dentare necesită biointegrare și etanșeitate biologică a pasajului țesutului moale. Capitolul VII oferă descrieri detaliate ale acestor cerințe pentru tipuri specifice de produse.
Proprietățile volumului și ale suprafeței
În biomateriale, facem distincție între proprietățile volumului (rezistență, modul, rezistență la impact, fluaj, oboseală și conductivitate) și proprietățile suprafeței (energia și chimia suprafeței, sarcina, topografia și stratul limită după adsorbția proteinelor). Cea din urmă determină primul contact cu sângele și țesuturile — cascada de adsorbție a proteinelor, activarea celulelor și cascada de coagulare. Monografia include capitole dedicate adsorbției proteinelor și răspunsului sângelui la material, precum și corelațiilor dintre proprietățile suprafeței și răspunsul biologic.
În polimeri, arhitectura macromoleculelor (liniare, ramificate sau reticulate), cristalinitatea, tacticitatea și distribuția greutății moleculare determină răspunsurile mecanice și termice. Din perspectiva ingineriei, parametrii care controlează procesarea (de exemplu, injecția, extrudarea sau turnarea reactivă) și comportamentul în timpul ciclului de viață al produsului sunt critici. Distribuțiile Mn/Mw, Tg și Tm, precum și spectrele DMA, servesc ca bază pentru proiectarea structurilor membranare, a acoperirilor și a elastomerilor implantabili.
Chiar și diferențele subtile în proprietățile suprafeței (chimie, nanotextură, istoric de sterilizare) pot modifica radical profilul de adsorbție a proteinelor și, ulterior, pot afecta trombogenicitatea și vindecarea, motiv pentru care gestionarea stării suprafeței este la fel de importantă ca selectarea compoziției chimice a materialului.
Cum răspunde organismul la biomaterial?
După implantare, se declanșează o serie de reacții ale gazdei, inclusiv hemostază, inflamație acută, proliferare și remodelare tisulară în prezența unui corp străin. Acest lucru duce la o reacție la corp străin, caracterizată prin activarea cronică a macrofagelor, formarea de celule gigantice străine și dezvoltarea unei capsule fibroase. Procese separate și complexe implică contactul cu sângele (activarea trombocitelor și cascada de coagulare) și sistemul imunitar (imunologie și sistemul complementar). Compendiul capitolelor 4.1-4.7 oferă un cadru conceptual și metode de evaluare a acestei reacții.
Modelul de răspuns depinde de locul implantării, dimensiune și rugozitate, precum și de compoziția materialului și starea suprafeței; chiar și același material poate induce fenotipuri macrofagice diferite în țesutul moale și țesutul periostal. Prin urmare, evaluarea biocompatibilității trebuie să fie specifică aplicației (in vitro + in vivo).
Testarea biomaterialelor cuprinde studii in vitro (celule, proteine și hemocompatibilitate), studii in vivo (modele animale și locuri de implantare), teste sânge-material și proiectarea de modele animale adaptate indicației clinice. Liniile directoare compilate în secțiunile 5.1-5.5 stabilesc un limbaj comun pentru laboratoarele academice și industriale, precum și pentru evaluarea reglementară. Rezultatele de la un nivel (de exemplu, in vitro) nu pot fi extrapolate direct la rezultatele clinice; triangularea datelor (analiza in vitro–in vivo–explant) este standardul de referință în dezvoltarea și supravegherea produselor.
Degradarea și îmbătrânirea într-un mediu biologic
Corpul nu este un mediu simplu pentru proiectarea materialelor. Este bogat în proteine, enzime și celule capabile să genereze specii reactive de oxigen și clor. În acest mediu, materialele sunt supuse hidrolizei, oxidării, coroziunii, oboselii, fisurării sub tensiune și chiar mineralizării patologice. Secțiunile 6.1–6.5 oferă o prezentare transversală a mecanismelor de degradare a polimerilor, metalelor și ceramicii.
Este deosebit de instructiv mecanismul prin care polimerul gazdă se oxidează. În inflamația acută, neutrofilele produc anion superoxid, peroxid de hidrogen și (cu participarea mieloperoxidazei) acid hipocloros (HOCl); macrofagele, care domină cronic (împreună cu celulele gigant), susțin emisia de radicali liberi, iar aderența MPO la suprafața corpului străin poate furniza un catalizator la locul implantării. Acest mediu favorizează oxidarea legăturilor eterice și uretanice, precum și apariția fisurilor și fisurarea sub tensiune în elastomerii uretanici, fenomene observate, printre altele, în componentele poliuretanice ale electrozilor și cablurilor stimulatorilor cardiaci.
Degradarea este sinergică: sarcinile alternante produc microfisuri și o suprafață proaspătă, reactivă; absorbția apei modifică pH-ul local și facilitează difuzia reactivilor; produsele hidrolizei sporesc hidrofilitatea și penetrarea agenților de degradare. Controlul compoziției, stabilizarea antioxidantă și condițiile de tensiune reziduală sunt esențiale pentru siguranța pe termen lung.
În cazul metalelor corozive, degradarea include coroziunea punctiformă și coroziunea în fisuri, coroziunea sub tensiune și uzura tribologică în perechile de frecare, care poate duce la particule libere și reacții tisulare. Ceramica, deși este mai stabilă din punct de vedere chimic, este fragilă și sensibilă la defectele care inițiază fisuri; prin urmare, proiectarea acesteia necesită un control riguros al defectelor.
Exemple de aplicații clinice
Sistemul cardiovascular. Materialele pentru valve, grefe, stenturi, sisteme extracorporale și organe artificiale trebuie să asigure un echilibru între hemocompatibilitate și durabilitate mecanică, precum și rezistență la depunerea de proteine/celule. Strategiile netrombogene includ modificări ale suprafeței (cum ar fi heparinizarea și hidrogelurile) și controlul energiei suprafeței.
Stomatologie – Implanturile din titan și zirconiu au revoluționat reabilitarea protetică. Succesul depinde de biointegrarea cu osul (mai precis, aderența strânsă și retenția mecanică) și de etanșeitatea trecerii prin membrana mucoasă. Materialele pentru restaurări (ceramică prețioasă, vitroceramică) beneficiază de progresele înregistrate în domeniul bioceramicii și al prelucrării de precizie.
Ortopedie – Endoprotezele de șold și genunchi necesită un compromis între rezistența statică și la oboseală, rezistența la uzură și proprietățile tribologice ale perechii de frecare (metal-polietilenă UHMWPE, ceramică-ceramică, metal-metal). În plus, conexiunea cu osul este crucială: compararea cimentului acrilic cu acoperirile poroase pentru osteointegrare.
Fabricare de precizie, microstructură și inginerie de suprafață
În cazul implanturilor metalice, proprietățile rezultă din întregul lanț de procesare, de la topire și rafinare, prin deformare plastică și tratament termic, până la prelucrare, sudare, acoperire și sterilizare. Microstructura (dimensiunea granulelor, fazele, textura) și defectele induse de proces influențează rezistența la oboseală și rezistența la coroziune. Introducerea acoperirilor și structurilor poroase (de exemplu, plase sinterizate, pulverizări cu plasmă) este un exemplu de sarcină interdisciplinară: aderența, rigiditatea, topografia și integritatea la oboseală a întregii componente trebuie să fie echilibrate.
În cazul polimerilor, parametrii de prelucrare (temperatura, timpul și tensiunile reziduale) sunt la fel de importanți, la fel ca și selecția stabilizatorilor antioxidanți și controlul purității, deoarece acești factori determină biostabilitatea ulterioară. În practică, au existat cazuri de fisurare sub tensiune în poliuretani utilizați în cablurile stimulatorilor cardiaci, în special la interfața dintre tensiunile reziduale, mediul biologic și oxidarea de către gazdă.
Ingineria suprafețelor este un set de instrumente pentru modificarea proprietăților, de la acoperiri fizico-chimice la aplicarea de filme subțiri și straturi de polimeri grefați, precum și micro/nano topografie. Corelațiile dintre parametrii suprafeței și răspunsul biologic fac obiectul unor capitole practice dedicate.
Pentru dispozitivele implantate pe termen lung, deciziile privind procesele de mică amploare (de exemplu, tipul de sterilizare, condițiile de învechire în depozitare) pot deveni cauze majore ale diferențelor clinice ani mai târziu; documentarea istoricul procesării și controlul calității sunt părți integrale ale proiectării biomaterialelor.
Etică, reglementări și standarde
Produsele sunt introduse pe piață în conformitate cu sisteme de evaluare riguroase, inclusiv FDA și ISO. Costul demonstrării siguranței și eficacității este semnificativ, dar protejează pacienții și modelează politica de calitate. În același timp, apar întrebări de natură etică: cum se poate echilibra interesul pacienților și presiunile economice, cum se pot proiecta studii cu risc minim, când și cum se pot retrage soluțiile învechite. Aceste aspecte, împreună cu rolul standardelor consensuale și al dezvoltării tehnologice, sunt discutate în secțiunea dedicată noilor produse și standarde. Progresul clinic necesită progrese simultane în metodologia de evaluare, standarde și etică; în caz contrar, inovarea poate fi iluzorie sau riscantă.
Perspective
La orizont se află materiale funcționale din punct de vedere biologic (care răspund la stimuli) și sisteme avansate de biosenzori și organe artificiale (implantabile și extracorporale) care fac din interfața biomaterială centrul informaticii fiziologice. Succesul lor va depinde de controlul subtil al interacțiunilor de suprafață, de stabilitatea pe termen lung și de protecția împotriva degradării. Secțiunea monografiei dedicată organelor artificiale și biosenzorilor arată cât de strâns trebuie să colaboreze materialele, electronica și biologia. Viitorul biomaterialelor se află în sistemele hibride, care vor necesita un control și mai meticulos al microstructurii și suprafeței.
Biomateriale în medicină și stomatologie – rezumat
Biomaterialele sunt componente active ale terapiei care co-creează micromediul biologic. Succesul este determinat în egală măsură de alegerea clasei de materiale, ingineria suprafeței, microstructura și istoricul prelucrării, precum și de înțelegerea răspunsului gazdei și a mecanismelor de degradare în timp. Metalele, polimerii și ceramica aduc diferite seturi de avantaje și riscuri; polimerii naturali și sistemele bioactive extind paleta cu funcții regenerative.
Din perspectivă clinică, fiecare proiect prezintă o problemă de optimizare multi-obiectivă pentru o indicație specifică și o populație de pacienți, pe care monografia o sistematizează, progresând de la definiții și proprietăți, prin biologia contactului și testare, până la aspectele practice ale implantării și analizei explantului. În cele din urmă, fabricarea de precizie și controlul calității nu sunt ultima etapă, ci o parte integrantă a științei biomaterialelor, deoarece ele dictează comportamentul pe termen lung al materialului în organism.
Competența generală în proiectarea biomaterialelor este capacitatea de a combina știința materialelor cu biologia și ingineria produselor — de la chimie și microstructură, prin suprafață, până la fabricare și sterilizare. Acest lucru are ca rezultat o soluție clinică unică, bine documentată, verificată în calea in vitro–in vivo–clinică.
Bibliografie
Ratner, B.D., Hoffman, A.S., Schoen, F.J., Lemons, J.E. (eds.). Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine. Academic Press, San Diego–Londra–Boston–New York–Sydney–Tokyo–Toronto, 1996.
