Biomaterjal

Biomaterjal on looduslikku või sünteetilist päritolu materjal, mida kasutatakse otseses kontaktis bioloogilistes süsteemides, inimese kehas või selle pinnal. Biomaterjalideks võivad olla peaaegu kõik klassikalised materjalid, mis on biosobivad, näiteks metallid, keraamika, komposiidid, klaasid, polümeerid, hüdrogeelid, süsinikmaterjalid. Biosobivus on materjali võime kehas tekitada eeldatud vastust, mis ei tähenda ilmtingimata, et materjal peab keha suhtes inertne olema. Samuti ei tohi biomaterjal olla kehale toksiline ega tekitada allergilisi reaktsioone. Lihtsustatult, keha peab biomaterjalist tehtud objekti omaks võtma, mitte seda välja tõrjuma. Ajalooliselt on biomaterjale kasutatud antiikajast alates, kui trauma või haiguse tagajärjel kaotatud jäset või kude üritati asendada puiduga. Vastavalt kättesaadavusele ja inimeste leidlikkusele on proteeside valmistamiseks kasutatud palju erinevaid materjale. 20. sajandi esimeses pooles hakkasid sünteetilised polümeerid, keraamika ja metallisulamid looduslikke materjale välja vahetama oma paremate vastupidavusomaduste, jõudluse ja korduvtootmise lihtsuse poolest. Alates sellest ajast on biomaterjalid päästnud või parandanud elujärge miljonitel inimestel, kas siis kunstpuusade, hambaimplantaatide või veresoonte stendi näol. Rakenduslikust küljest defineeriti biomaterjalid kui materjalid, mis on kasutuses meditsiinilistes vahendites, ja akadeemilise aluse andis materjaliteadus ja klassikaline inseneeria. Inimkond on alati üritanud saada spetsiifiliste omadustega materjale erinevatest kättesaadavatest ainetest. Kui sünteetilisi polümeere hakati tööstuslikult tootma, hakati uurima nende omadusi, sealhulgas ka biosobivust, mis tekitas võimaluse neid kasutada muuhulgas ka kliinilistes rakendustes. Materjali on võimalik ka biofunktsionaliseerida, näiteks kattes selle pinna titaaniga või titaandioksiidiga, et bioreaktsioone vältida. Vastupidi on võimalik ka bioreaktsioone esile kutsuda, näiteks sadestada materjalile morfogeneetilist valku luukoe paremaks ühildumiseks. Biomaterjalide areng ja neist põhjalik arusaam on võimaldanud biomeditsiini kiire arengu. Sinna hulka käib kontroll alates sünteesist ja tootmisest kuni omaduste disainini. Hüdrogeelid on hea näide kolmemõõtmelisest makromolekulide võrgustikust, mis oma struktuuri, mehaaniliste omaduste, veesisalduse ja lahustunud ainete liikuvuse poolest sarnanevad inimese kudedega. Füüsikalised hüdrogeelid, mille struktuur püsib koos tänu mittekovalentsetele sidemetele, omavad paremat bioühilduvust ja biomolekulide transpordivõimet kui keemiliselt ristseotud hüdrogeelid. Üheks olulisemaks faktoriks kudede regeneratsiooni juures on füüsilise struktuuri ehk karkassi olemasolu, milleks on biomaterjalid. See pakub mehaanilist tuge ja sobivat pinda, kus rakud saavad kasvada ja paljuneda. Koetehnoloogias kasutatakse taolisi struktuure kudede kasvupinnaks. Olulist rolli rakkude kinnitumisel ja migreerumisel mängivad kolmemõõtmelise struktuuri vastastikune seotus ja pooride suurus. Klassikalisteks meetoditeks taoliste struktuuride valmistamisel on elektrospinnimine, kiu sadestamine, külmkuivatamine, gaas-vahustamine, soola leostumine. Uuematest meetoditest kogub populaarsust 3D-bioprintimine, mis kujutab endast molekul molekuli haaval vajaliku struktuuri kasvatamist alusele, kusjuures kasvu kiirus ja lähtemolekulide paigutamine ruumis peab väga täpselt kontrollitud olema. Lähteainetena on võimalik kasutada ka rakke ja biomolekule, näiteks DNA-d ja tsütokiine. On hulganisti biomaterjalide rakendusi, olgu siinkohal mõned välja toodud. Liigese asendused Luu plaadid Tehisjäsemed Hambaimplantaadid Südameklapid Kontaktläätsed Rinnaimplantaadid Tehis nahkkude Kruvid ja poldid luumurdude ja -mõrade stabiliseerimisel Terve puusa väljavahetamist kutsutakse vahel ka "sajandi operatsiooniks". Oluline roll on siinkohal biomaterjalidel, kus puusaproteesi pesa on valmistatud bioühilduvast metallist või polümeerist ning reieluu ots on tehtud kõvast materjalist. Nende kahe detaili vahel on sünoviaalvedelik, mille viskoossus peab jääma kindlasse vahemikku. Oluline on reieluu bioühildumine kunstlikku reieluu otsaga, samas ei tohi pesa ega reieluu otsa sile pind olla bioühilduvad, vaid pigem bioinertsed, et vältida liikuvate detailide saastumist. Kõige sagedamini kasutatakse proteesi pesa valmistamiseks ülikõrge molekulmassiga polüetüleeni ja reieluu otsa valmistamiseks keraamikat või mõne metalli sulamit. Mõnedes rakendustes on vaja, et materjal oleks antibakteriaalne. Selle saavutamiseks on mitmeid parameetreid, mida varieerida: pooride suurus, mikro- ja nanokaredus, pinna energia, hüdrofoobsus, hüdrofiilsus, pH, temperatuur, laenguga funktsionaalrühmad. On ka materjale, mis juba oma olemuselt on antibakteriaalsete omadustega, nagu näiteks hõbe, vask, tsink, titaanoksiid, samuti mitmed polümeerid ja klaasid. Viimaste antibakteriaalsus seisneb bakterite jaoks mürgiste gaaside (näiteks molekulaarse hapniku ning lämmastikmonooksiidi) eraldumises materjali pinnalt. Biomaterjali saab ka katta antibakteriaalse kihiga. Oluline on ära märkida, et kate ei tohi mõjutama hakata alusmaterjali bioomadusi, seega tuleb leida sobiv tasakaal antibakteriaalse efekti ja bioühilduvuse vahel. Bioaktiivsete katete toimimismehhanisme on mitmeid. Näiteks polümeeride kandmine materjali pinnale, mis takistavad bakterite kinnitumist või ühe- ja mitmekihiliste kilede sadestamine, mis sisaldavad või transpordivad antibakteriaalseid ühendeid. Viimane võimalus materjali antibakteriaalseks muuta on katta see nanostruktuuriga, milles pole bakterile sobilikku "kohta" kinnitumiseks. On kindlaks tehtud, et mida väiksem on nanostruktuur, seda parem on antibakteriaalne toime. Samuti mängib olulist rolli nanoosakeste kuju – näiteks kolmnurksetel ja teravatel kujunditel on sfäärilistest nanostruktuuridest parem antibakteriaalne mõju. Kitsaskohaks on antibakteriaalsete biomaterjalide arendamisel kliiniline testimine, mis on aeganõudev ja pikk protsess. Biomaterjalide arendamisega tegeldakse ka Eestis, täpsemalt Tartu Ülikoolis, kus teadlaste töörühm püüab luua 1D-želatiini nanokiududest 3D-võrgustikku eesmärgiga kasutada sellist materjali biomeditsiinis rakkude kasvupinnaseks. See tähendab lihtsustatult, et rakud arenevad ja "roomavad" želatiini niitidel ringi, kuni materjal muutub võimalikult inimkoe sarnaseks. Sellise 3D-kasvupinna loomine on biotehnoloogias ja biomeditsiinis üks suuremaid väljakutseid. Kollageen on üks põhilisemaid naha ja muude pehmete kudede struktuurproteiine ja želatiin on sellega keemiliselt väga sarnane. Ka on oluline kiudude ristsidumine, et želatiin vees ei lahustuks. Tartu ülikoolis uuritakse ka meditsiinilise titaani funktsionaliseerimist bioühilduvuse ja korrosioonikindluse parandamiseks. Selleks kaetakse titaani pind õhukese titaanoksiidi kihiga, mida on lihtne aatomkihtsadestuse meetodil titaani pinnale kasvatada ja mis on hea oma bioinertsuse poolest. Biomaterjali eluiga on määratletud otseselt tema rakendusega. Näiteks haavaravis kasutatavad materjalid peaksid kaduma kehast samal ajal haava paranemisega. Hambaimplantaatide ja tehisliigeste eluiga võiks olla inimese eluea suurusjärgus ning mida stabiilsem ja tugevam on materjal, seda parem. Kehas lagunenud biomaterjalidel on kaks väljapääsu. Esimene võimalus on läbi keeruka neerude filtrisüsteemi, kusjuures need molekulid peavad olema veres lahustuvad. Teine võimalus on eritus läbi kopsude, kuid siis on vajalik molekulide metaboliseerumine ja muutumine kehas veeks ja süsihappegaasiks. Kõrge molekulmassiga aineid pole võimalik seega lihtsalt väljutada ja seetõttu leiavad nad kasutust biomaterjalidena pikema tööperioodiga rakendustes. Algselt oma bioinertsuse poolest sobilikud sünteetilised polümeerid on pärast oma kasutuse lõppu muutunud keskkonnaprobleemiks, sest sellised biomaterjalid ei lagune looduses. Michel Vert, Yoshiharu Doi, Karl-Heinz Hellwich, Michael Hess, Philip Hodge, Przemyslaw Kubisa, Marguerite Rinaudo, François Schué, Terminology for biorelated polymers and applications, Pure Appl. Chem, Vol. 84, No. 2, (2012), 377–410. Gottfried Schmalz, Dorthe Arenholt Bindslev, Biocompatibility of Dental Materials, (2008), 1–12. Nathaniel Huebsch, David J. Mooney, Inspiration and application in the evolution of biomaterials, Nature, 462(7272), (2009), 426–432. Marie-Helene Alves, Bettina E. B. Jensen, Anton A. A. Smith, Alexander N. Zelikin, Poly(Vinyl Alcohol) Physical Hydrogels: New Vista on a Long Serving Biomaterial, Macromolecular Bioscience, Volume 11, Issue 10, (2011), 1293–1313. Jipeng Li, Mingjiao Chen, Xianqun Fan, Huifang Zhou, Recent advances in bioprinting techniques: approaches, applications and future prospects, Journal of Translational Medicine, (2016), 10.1186/s12967-016-1028-0. Patrick S. M. Dougherty, Gagan Srivastava, Recep Onler, O. Burak Ozdoganlar & C. Fred Higgs III, Lubrication Enhancement for UHMWPE Sliding Contacts through Surface Texturing, , Tribology Transactions, Volume 58, Issue 1, (2014), 79–86. Davide Campocciaa, Lucio Montanaroa, Carla Renata Arciola, A review of the biomaterials technologies for infection-resistant surfaces, Biomaterials, 34, (2013), 8533–8554. Tissues Made of Nanomaterials—Far from Science Fiction, Research in Estonia, 30. september 2016. Elyne Aaviksoo, Meditsiinilise titaani funktsionaliseerimine aatomkihtsadestatud kiledega, (2015), Tartu Ülikool.