مادة حيوية

يشير المصطلح مادة حيوية بالإنگليزية: Biomaterial إلى المواد المصنعة والتي تستخدم في صناعة الأطراف الصناعية أوالأجهزة الطبية الأخرى من أجل زراعتها في جسم الإنسان والتي يفترض أن تكون في تماس مباشر مع أنسجة الجسم وأعضاءه (مثال: أنابيب آلة نقل الدم من القلب إلى الرئتين).

على الرغم من التقدم الكبير الحاصل في فهم المواد، تظل التقنية المعاصرة قاصرة عن تقديم أي مادة صنعية قابلة لتعويض أي جزء من الجسم الحي. على الرغم من وجود الكثير من الحلول الموجودة حالياً في استعمال بعض المواد في استبدال الأعضاء إلا أنه لا يمكن التسقط أبداً حتى يعمل العضوالبديل بنفس كفاءة العضوالأصلي. على سبيل المثال من الممكن استبدال جزء من عظم بجزء مصنع من سبيكة التيتانيوم التي لها متانة أعلى من العظم الأصلي إلا أنها تفتقد لخواص العظم في التأقلم على الحمولات المتنوعة أوإصلاح التعب الميكانيكي الحاصل فيه بسبب الاستخدام عبر الزمن.

تاريخ

من الممكن تقسيم تاريخ تطور المادة الحيوية إلى ثلاث مراحل:

قبل سنة 1850 تم استخدام المواد غير المعدنية كالخشب والعاج أوالمعادن بشكلها العادي مثل الحديد، المضى، الفضة، النحاس في تصنيع الأطراف الصناعية البسيطة كالأسنان والأنوف ومن أجل وصل العظام المكسورة حتى تلتئم. في سنة 1829 تم اختبار استخدام أسلاك الرصاص، المضى، الفضة والبلاتينيوم في الكلاب ولكن هذه المواد فشلت في تحقيق النتيجة المرجوة منها. من ناحية أخرى فإن الأشخاص لم يستطيعوا احتمال العمليات الجراحية الطويلة لتثبيت الأطراف الصناعية بدون تخدير.
الفترة الثانية كانت عند التطور السريع للجراحة كإجراء مخطط له على القيام بالجراحة أنه عمل إسعافي بين سنتي 1850 و1925، مما ساعد على هذا هواكتشاف الأشعة السينية من قبل فيلهلم كونراد رونتغن في أوائل القرن التاسع عشر مما كشف للمرة الأولى حقيقة مشاكل العظام.

الفترة الثالثة بدأت منذ سنة 1925 وحتى يومنا هذا، وبسبب التطور الكبير الحاصل في مختلف فروع الجراحة حصل ثلاث تطورات رئيسية على المواد الحيوية:

تطوير مادة كروم الكوبالت وسبائك الصلب بين ثلاثينات وأربعينات القرن العشرين
تطوير كيمياء البولميرات والبلاستيك بين الأربعينات والخمسينات
تطوير طرق إنتاج البنسلين والمضادات الحيوية بكميات كبيرة، مما ساعد على تقليل الالتهابات التي تحدث بعد العمليات الجراحية.

مشاكل الأجهزة المزروعة

هناك الكثير من المشاكل التي يجب على المواد الحيوية التغلب عليها منها:

يجب حتى تكون المادة قابلة للتشكيل بالشكل المناسب بطريقة اقتصادية بدون تدني الخصائص الميكانيكية لها.
يجب حتى لا تصدأ المواد بسبب تأثير سوائل الجسم، وهذه الخاصية ستؤدي لحماية المادة من التآكل الكيميائي والاحتكاكي
يجب حتى لا تكون المادة سامة للمريض، وعليه يجب حتى لا يدخل فيها أي مواد سامة، أوحتى تكون هذه المواد مستقرة داخل المادة بشكل لا تخرج معه
يجب حتىقد يكون من السهل تعقيم المادة الحيوية (باستخدام البخار، الإشعاع، أوغاز أكسيد الإتيلين)
يجب حتى لا تنكسر المادة، إما بسبب الحمولات الفجائية الغير متسقطة، أوبسبب التعب بسبب التطبيق المتكرر للحمولات
يجب حتى تكون خصائص المتانة والتعب متلائمة مع شكل العضولتلائم الإجهاد المسموح، خصوصاً عند نقاط هجريز الإجهاد
يجب حتى تعمل المادة لسنوات طويلة وليس فقط لسنة أوسنتين
يجب حتى لا يؤدي تراكم الأيونات السامة التي من الممكن حتى تنتج إلى حتى تؤدي إلى تسمم أنسجة أوالتهابات
يجب حتى لا تنقل أنسجة الاتصال الإجهاد الحاصل فيها إلى الأنسجة المحيطة بها
يجب حتى تصنع الأعضاء من مواد قابلة للإزالة والاستبدال طالما عطلها أوفشلها

الخصائص الميكانيكية لأنسجة الجسم الرئيسية !اسم المادة
معامل المرونة (غيغا باسكال)	الإجهاد الأعظمي (%)	قوة الشد (ميغا باسكال)
العظم	2.4	700	--
Polyether urethane	--	700	41
غضروف (أضلاع)	1.5	350	13
كولاجين (وتر)	500	350	35
كيراتين	2000	2	30

المواد الحيوية الشائعة الاستخدام

من الممكن تقسيم المواد الحيوية المصنعة بشكل أساسي إلى معادن، بولميرات، مواد سيراميكية ومركبات كربون. جميع من هذه الأصناف من الممكن حتى تحوي على الكثير من المواد بأشكال مختلفة، مثل المواد الصلبة، الأغشية، الألياف، أوالطلاء. وتكون باستعمالات مختلفة منها الاستبدال الهيكلي للأعضاء، أوإصلاح الأعضاء التي تقوم بعمليات التبادل الكيميائي، تغليف العناصر الالكترونية وغيرها.

معادن

الخصائص الميكانيكية للمواد المعدنية والسيراميكية المستخدمة في المواد الحيوية
اسم المادة	معامل المرونة (غيغا باسكال)	الإجهاد الأعظمي (%)	قوة الشد (ميغا باسكال)
الصلب	193	10	1000
مسبوكة كوبالت-كروم	235	8	670
كوبالت-كروم مأزق ميكانيكياً	235	12	1170
سبيكة Ti-6Al-4V	117	10	900
تيتانيوم صرف	100	15	550
أكسيد الألمنيوم Al₂O₃	380	0	50
أباتيت	62	0	690
خليطة كربون-سيليسيوم	21	0	690

كانت سبائك الكروم-كوبالت هي من أوائل السبائك المقاومة للصدأ وأثبتت كفاءة كبيرة في العمليات الجراحية بدءاً من عام 1936 عندما تم استخدامها في الجراحة العظمية. وغالباً ما تستخدم في الأطراف الصناعية العظمية. تتوفر الكروم-كوبالت على شكل سبائك أومعضلة ميكانيكياً مع الصلب، وتكون السبيكة المشكلة ميكانيكياً أمتن كما هومشروح في الجدول على اليسار.

بولميرات

يتم تشكيل البولميرات على شكل البتر المرغوب باستخدامها، كما أنه من الممكن استخدامها بحقنها داخل قناة عظمية لتقويتها. غالباً مايتم إضافة مواد إضافية على البولميرات مثل الباريوم من أجل تحسين الخصائص الإشعاعية وبالتالي الحصول على صور شعاعية أوضح للأعضاء، أومضادات التهاب من أجل تقليل ممانعة الجسم لهذه المواد.

المواد السيراميكية

تمتلك المواد السيراميكية خصائص عالية جداً لاستخدامها كمواد حيوية إلا أنها قصفة مقارنة مع مواد الجسم مثل العظم. ولذلك فإن من أول تطبيقات المواد السيراميكية هوالتغليف للمواد المعدنية من أجل تحسين سطوح التماس مع المعادن.

المواد الكربونية

يعتبر الكربون على أنه أساس المواد العضوية.ولذلك فإنه من ناحية المبدأ سيكون مناسباً لتطبيقات المواد الحيوية. يمتلك الغرافيت خصائص شبكة بنيوية ضعيفة غير متناظرة ولكنها قوية نسبياً.

الخصائص الميكانيكية للمواد البولميرية المستخدمة في المواد الحيوية بشكل شائع
اسم المادة	معامل المرونة (غيغا باسكال)	الإجهاد الأعظمي (%)	قوة الشد (ميغا باسكال)
مطاط السيليكون Silicone rubber	2.4	700	--
Polyether urethane	--	700	41
بولمير بيون Bion Polymer	1.5	350	13
UHMWPE	500	350	35
PMMA	2000	2	30
TCF	20000	--	250