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
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
(в
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
(в
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.