Напоминание

Что такое биоматериалы и для чего они нужны?


Автор: Алексеева Евгения Денисовна
Должность: учащаяся 9б класса
Учебное заведение: МБОУ Школы № 26
Населённый пункт: г.о. Самара
Наименование материала: статья
Тема: Что такое биоматериалы и для чего они нужны?
Раздел: среднее образование





Назад




ЧТО ТАКОЕ БИОМАТЕРИАЛЫ И ДЛЯ ЧЕГО ОНИ НУЖНЫ?

Термин «биоматериалы» у всех на слуху, но мало кто знает,

что он в точности означает. Между тем биоматериалы уже сегодня

играют важную роль в медицине и смежных отраслях деятельности,

а в дальнейшем их значение будет только расти.

«Биоматериалы»

— это термин сложной судьбы. Часто под

ним

подразумевают

то,

что

в

данный

момент

удобнее:

от

биологических

жидкостей

человеческого

организма

до

белков

гусениц шелкопрядов. Поэтому в начале публикации мы поговорим

о терминологии.

В

литературных

источниках

под

биоматериалами

подразумевают два близких, но, все же, различных термина:

материалы,

полученные

из

живых

организмов

(биологических объектов);

материалы

различного

происхождения,

используемые

в

контакте с биологическими системами (клетками, тканями и

органами), в том числе в составе медицинских устройств.

В дальнейшем, чтобы избежать путаницы в терминологии, мы

будем

использовать

сложившийся

общемировой

подход

к

определениям и выделять:

Биоматериалы

(в англоязычной литературе - biomaterials)

или материалы медико-биологического назначения любого

происхождения;

Биологические

материалы

англоязычной

литературе

-

biological materials / substances) или материалы, полученные

от живых объектов (микроорганизмов, макроорганизмов –

насекомых, растений, животных).

Таким образом, главным критерием принадлежности любого

материала

к

биоматериалу

будет

являться

тот

факт,

что

он

функционируют в непосредственном контакте с живыми тканями,

органами и клеточными объектами.

Традиционно биоматериалы подразделяют в зависимости от

происхождения, особенностей химического строения и отношения к

живым тканям, с которыми они будут взаимодействовать (рис. 1):

Биоматериалы

Природные

Синтетические

Биологические

Небиологические

ксеногенные

алогенные

аутологичные

органические

неорганические

Синтетические

биоматериалы

создаются

искусственным

путем – химическим

синтезом

и, зачастую, не имеют

аналогов в

природе. Природные же биоматериалы широко представленных в

естественной

среде. При этом они могут иметь небиологическое

(как

органическое,

так

и

неорганическое)

и

биологическое

происхождение

(источниками

являются

живые

организмы).

В

последнем

случае

биоматериалы

подразделяется

еще

и

в

зависимости от типа источника на:

Аутогенные

(собственные)

это

биоматериалы,

взятые,

модифицированные и внедренные в пределах одного и того

же организма.

Аллогенные – это биоматериалы, используемые в пределах

одного вида, то есть взятые от одной

особи, прошедшие

специальный

технологический

цикл

обработки

и

внедренные другой особи того же вида.

Ксеногенные

— это биоматериалы, полученные от особей

другого

биологического

вида

с

обязательным

прохождением

технологического

цикла

обработки

с

удалением антигенных (иммуногенных) комплексов.

Технологии

получения,

исследования

и

применения

биоматериалов активно развиваются в последние десятилетия и в

значительной

мере

определяют

современный

уровень

развития

таких

областей,

как

медицина

и

фармацевтика,

косметология,

биотехнология, сельское хозяйство и пищевая промышленность.

Можно отметить целый ряд профильных научных журналов

по биоматериалам, имеющих высокий рейтинг. Издано несколько

международных

энциклопедий

и

справочников,

освещающих

различные

вопросы,

связанные

с

биоматериалами.

Вышло

три

издания (1996, 2004, 2012) учебного пособия Biomaterials Science,

рекомендованного

для

университетского

образования.

Активно

работают международные и национальные общества, развивающие

это

научное

направление,

проводящие

международные

конференции, конгрессы и издающие свои журналы.

Сфера

биоматериалов

ярко

выраженная

междисциплинарная

область,

в

которой

используют

достижения

химии,

физики,

медицины,

биотехнологии,

материаловедения,

электроники.

Это

определяет

и

особенности

подготовки

профильных

специалистов.

В

настоящее

время

программы

бакалавриата

и

магистратуры

существуют

в

более

чем

250

университетах мира, в том числе и России.

По

направлениям

практического

использования

биоматериалов можно выделить несколько основных векторов:

биоматериалы,

используемые

для

создания

протезов,

применяемых при замещении дефектов и коррекции функции

тканей и органов;

биоматериалы,

используемые

в

биоинженерии

генной,

клеточной и тканевой;

биоматериалы,

применяемые

при

создании

систем,

обладающих

биологической,

в

частности

лекарственной

активностью;

биоматериалы общего назначения, в том числе разрушаемые

природными микроорганизмами после использования.

Одно

из

главных

требований,

предъявляемых

ко

всем

биоматериалам – это биосовместимость. Под ней подразумевают

способность

выполнять

определенную

функцию

в

течение

требуемого

времени

без

вреда

для

окружающей

среды,

живых

тканей и организма в целом. Если биоматериал отвечает данному

требованию,

его

называют

биологически

совместимым

или

биосовместимым.

Способы

производства

из биоматериалов

изделий медико-

биологического назначения в значительной мере зависят от области

будущего их практического применения. Важнейшими подобными

направлениями

являются

производство

протезов,

создание

бионженерных

конструкций,

а

также

изготовление

систем

с

биологической активностью (лекарств).

Отсутствие

частей

тела,

органов,

участков

ткани

может

возникать в результате различных травм или заболеваний, а также в

результате хирургического вмешательства с удалением измененных

тканей,

например,

при

онкологических

заболеваниях.

В

ряде

случаев

организм

неспособен

справиться

с

повреждением

естественными

механизмами

регенерации.

Тогда

возникает

необходимость

в замещении

дефекта.

С этой целью

используют

материалы,

способные

компенсировать

нарушения

целостности

организма. Такая компенсация получила название протезирования.

А

изделия,

используемые

для

частичного

или

полного

восстановления

формы и функции

ткани,

органа

или

части тела

получили названия протезов.

Протезирование

является

смежной

дисциплиной

между

техникой

и

медициной,

тесно

связано

с

реконструктивной

хирургией,

ортопедией

и

травматологией.

Протез

может

устанавливаться

как

снаружи

экзопротезирование,

так

и

помещаться во внутреннюю среду организма, тогда это называется

эндопротезирование

или

имплантация;

соответственно

изделие

будет называться имплантом.

Для изготовления имплантов могут применять биоматериалы

как природного небиологического (металлы, керамика, полимеры),

так

и

биологического

(ткани

животных,

хитин,

кораллы)

происхождения,

синтетические

материалы,

а

также

комбинации

всех вышеперечисленных или биокомпозиции.

Биоинженерия

(англ.

bioengineering)

это

одно

из

современных

научных

направлений,

возникшее

на стыке химии,

биологии,

биофизики,

генной

инженерии

и

компьютерных

технологий,

развивающее

применение

инженерных

принципов

в

биологии

и

медицине.

Быстрое

развитие

этих

областей

за

последние

годы

позволило

ученым

перейти

от

простого

исследования

природных

биообъектов

к

их

изменению

и

усовершенствованию,

улучшению

их полезных свойств, созданию

совершенно

новых

биологических

объектов,

не

существующих

в

природе.

Сфера

деятельности

биоинженерии

простирается

от

создания

искусственных

органов

до

разработки

генетически

модифицированных

организмов.

Методы,

связанные

с

биоинженерией,

принято

подразделять

на

генную,

клеточную

и

тканевую инженерию, на практике они часто дополняют друг друга.

Тканевая

инженерия направлена

на изготовление

сложных

гибридных

конструкций

из

биоматериалов

и

живых

клеток,

для

восстановления

пораженных или утраченных тканей в организме.

При

этом

биоматериалы

используются

для

создания

матричной

основы, в которую будут помещены клетки будущей ткани. Среди

биоматериалов, подходящих для формирования матричной основы

(каркаса), можно выделить следующие: из металлов – магний; из

простых

органических

соединений

фосфаты

кальция,

гидроксиапатит, кремнезем и глинозем; из природных полимеров -

полилактид,

поликапролактон,

полиортоэфиры;

из

синтетических

полимеров

полиуретан,

метилметакрилат;

из

материалов

биологического происхождения – коллаген, хитозан, желатина.

Биоматериалы активно используются и для создания систем,

обладающих

различной

биологической

активностью,

т.е.

способностью

воздействовать

на

биологические

объекты

том

числе

на

организм

человека),

регулируя

их

жизнедеятельность.

Примерами могут являются:

Порошкообразные

наполнители

таблеток

(крахмал,

поливиниловый спирт и другие биополимеры).

Полимерные

покрытия

шовных

материалов,

катетеров,

эндопротезов, содержащие антисептики, антибиотики.

Многослойные,

наклеивающиеся

на

кожу

терапевтические системы из биоматериалов на полимерной основе

для пролонгированного введения лекарственных веществ.

Носители лекарственных

препаратов из наноразмерных

биоматериалов (липосомы, наносферы, наноагрегаты).

В

последние

годы

серьезное

внимание

уделяется

производству

разлагаемых

биоматериалов

общего

назначения.

Прогнозируется,

что

такие

биоматериалы,

безопасные

с

экологической точки зрения, найдут широкое применение не только

в медицине, но при создании разлагающихся в окружающей среде

упаковок,

одноразовых

предметов

обихода,

специальных

видов

одежды и т. п. Из таких биоматериалов можно отметить целлюлозу

и

крахмал.

Изделия

на

их

основе

достаточно

быстро

фрагментируются и усваиваются почвенными микроорганизмами.



В раздел образования