Bioresorbowalny metal

Bioresorbowalne (zwane również biodegradowalnymi lub biowchłanialnymi ) metale to metale lub ich stopy, które bezpiecznie rozkładają się w organizmie. Podstawowymi metalami w tej kategorii są stopy na bazie magnezu i żelaza, chociaż ostatnio badano również cynk. Obecnie głównymi zastosowaniami metali bioresorbowalnych są stenty do naczyń krwionośnych (np. stenty bioresorbowalne ) i inne przewody wewnętrzne.

Tło

Chociaż biowchłanialne polimery i inne materiały weszły do ​​powszechnego użytku w ostatnich latach, degradowalne metale nie odniosły jeszcze takiego samego sukcesu w przemyśle medycznym.

Siła napędowa rozwoju

Siłą napędową rozwoju bioresorbowalnych metali jest przede wszystkim ich zdolność do zapewniania właściwości mechanicznych zbliżonych do metali przy jednoczesnym bezpiecznym rozpadzie w organizmie. Jest to szczególnie istotne w zastosowaniach ortopedycznych, gdzie chociaż w wielu operacjach implanty wymagają jedynie tymczasowego podparcia (umożliwiając zagojenie otaczającej tkanki), większość obecnie stosowanych biometali jest trwała (np. stal nierdzewna, tytan). Degradacja implantu oznacza, że ​​nie będzie konieczna interwencja lub wtórna operacja w celu usunięcia materiału pod koniec jego okresu użytkowania, zapewniając znaczne oszczędności zarówno kosztów, jak i czasu dla pacjenta i systemu opieki zdrowotnej. Ponadto produkty korozji obecnych biometali (które nadal do pewnego stopnia będą korodować w organizmie) generalnie nie mogą być uważane za biokompatybilne.

Potencjalne aplikacje

Metale ulegające biodegradacji mają wiele zastosowań, w tym implanty sercowo-naczyniowe (tj. stenty) i ortopedia. Właśnie w tej ostatniej kategorii materiały te oferują największy potencjał. Metale bioresorbowalne są w stanie wytrzymać obciążenia, które zniszczyłyby wszelkie obecnie dostępne polimery i oferują znacznie większą plastyczność niż bioceramika, która jest krucha i podatna na pękanie. Dobrze zaprojektowany implant mógłby zapewnić dokładne wsparcie mechaniczne potrzebne w różnych obszarach (poprzez tworzenie stopów i obróbkę metali), a obciążenie byłoby z czasem przenoszone na otaczającą tkankę, umożliwiając jej gojenie i zmniejszając skutki ekranowania naprężeń . Podsumowanie głównych zalet i wad biomateriałów magnezowych przedstawił Kirkland.

Rozważania i problemy stojące przed rozwojem bioresorbowalnego metalu

Zmiana kształtu w czasie

Ta sama przewaga, jaką mają bioresorbowalne metale nad nieulegającymi degradacji obecnymi materiałami, ich biodegradowalność , stanowi największe wyzwanie dla ich rozwoju i szerszego zastosowania. Degradowalny charakter każdego implantu oznacza, że ​​jego kształt, a co za tym idzie właściwości mechaniczne, będą się zmieniać w trakcie jego użytkowania. Oznacza to, że analizę cyklu życia należy przeprowadzić na każdym implancie, zwłaszcza przeznaczonym do zastosowań ortopedycznych, gdzie awaria może spowodować śmierć.

Brak standardów

Stwierdzono, że obecne normy dotyczące korozji metali nie mają zastosowania do metali bioresorbowalnych podczas badań in vitro. Jest to poważny problem, ponieważ większość testów przeprowadzanych w środowisku naukowym to mieszanka innych standardów zarówno ze środowisk biomedycznych, jak i inżynieryjnych (np. korozyjnych), co często utrudnia porównywanie wyników.

Toksyczność produktów korozji

Chociaż wszystkie pierwiastki w bioresorbowalnym metalu same w sobie można uznać za biokompatybilne, morfologia i skład pierwiastkowy (lub kombinacja pierwiastków) produktów degradacji może powodować niepożądane reakcje w organizmie. Ponadto szybkie wydzielanie się gazowego wodoru , któremu towarzyszy degradacja stopu Mg, może powodować problemy z dodawaniem in vivo . Dlatego kluczowe znaczenie ma dokładne zrozumienie korozji każdego implantu i uwalnianych produktów, w świetle ich toksyczności i prawdopodobieństwa zapalenia. Większość badań w literaturze koncentrowała się na pierwiastkach, o których wiadomo, że są biokompatybilne lub występują w dużych ilościach w organizmie, takich jak wapń i cynk.

Potencjalni kandydaci na bioresorbowalny metal

Chociaż wszystkie metale ulegają degradacji i ostatecznie znikają w organizmie w wyniku procesów korozji i zużycia, prawdziwe metale bioresorbowalne muszą wykazywać znaczną szybkość degradacji, aby umożliwić wchłonięcie implantu w praktycznym czasie w odniesieniu do ich zastosowania. Ponadto każdy produkt degradacji musiałby być bezpiecznie metabolizowany lub wydalany przez organizm, aby uniknąć toksyczności i stanu zapalnego.

Magnez

Być może najszerzej badany materiał w tej kategorii, magnez, został pierwotnie zbadany jako potencjalny biomateriał w 1878 r., Kiedy został użyty przez lekarza Edwarda C. Huse'a w postaci drutu jako podwiązanie do zatamowania krwawienia. Rozwój trwał do lat dwudziestych XX wieku, po czym biomateriały na bazie Mg wypadły z ogólnych badań ze względu na ich słabe działanie (prawdopodobnie z powodu zanieczyszczeń w stopach drastycznie zwiększających korozję). Dopiero pod koniec lat 90. XX wieku zainteresowanie zaczęło ponownie rosnąć, pobudzone dostępnością Mg o bardzo wysokiej czystości, który znacznie wydłuża jego żywotność w organizmie.

Obecnie większość badań nad Mg koncentruje się na zmniejszaniu i kontrolowaniu tempa degradacji, ponieważ wiele stopów koroduje zbyt szybko (in vitro), aby można je było zastosować w praktyce.

Żelazo

Większość badań nad stopami żelaza koncentrowała się na zastosowaniach sercowo-naczyniowych, takich jak stenty. Jednak obszar ten cieszy się znacznie mniejszym zainteresowaniem społeczności naukowej niż stopy na bazie Mg.

Cynk

Do tej pory opublikowano niewiele prac na temat wykorzystania biomateriału opartego głównie na cynku, przy czym szybkość korozji była bardzo niska, a cynk mieścił się w dopuszczalnym zakresie toksyczności

Biodegradowalne okulary metalowe luzem

Chociaż ściśle mówiąc kategoria poboczna, pokrewnym, stosunkowo nowym obszarem zainteresowania było badanie biowchłanialnego szkła metalicznego , z grupą z UNSW, która obecnie bada te nowe materiały.