المواد الحيوية

يُعد كبريتات الكالسيوم (بمكوناته من نصف الهيدرات ألفا وبيتا) مادةً حيويةً متوافقةً معروفةً، وتُستخدم على نطاق واسع كبديلٍ لطعوم العظام في طب الأسنان أو كمادة رابطة لها، ^{[ 27 ] [ 28 ]} وفي تطبيقات تقويم العظام مثل الكسور والتهاب العظم والنقي والأمراض الخلقية، ^{[ 29 ]} وفي هندسة الأنسجة ^{، [ 30 ]} وفي تطبيقات العمود الفقري. ^{[ 31 ]}

في الولايات المتحدة، تشمل 49% من عمليات استبدال الصمامات القلبية البالغ عددها 250,000 عملية سنويًا زرع صمام ميكانيكي. يُعد صمام القلب القرصي ثنائي الشرفات، أو صمام سانت جود، الصمام الأكثر استخدامًا. تعتمد آلية عمله على قرصين نصف دائريين يتحركان ذهابًا وإيابًا، يسمحان بتدفق الدم ويمنعان ارتداده. يُغطى الصمام بالكربون المحلل حراريًا ويُثبت على الأنسجة المحيطة بشبكة من نسيج داكرون (الاسم التجاري لشركة دوبونت لمادة بولي إيثيلين تيريفثالات ). تسمح هذه الشبكة بنمو أنسجة الجسم مع اندماج الصمام. ^{[ 32 ]}

في أغلب الأحيان، تُزرع الأنسجة الاصطناعية من خلايا المريض نفسه. ولكن عندما يكون الضرر شديدًا لدرجة يستحيل معها استخدام خلايا المريض، تُزرع خلايا الأنسجة الاصطناعية. تكمن الصعوبة في إيجاد دعامة مناسبة لنمو الخلايا وتكاثرها. يجب أن تتسم هذه الدعامة بالتوافق الحيوي، وقدرة الخلايا على الالتصاق بها، وقوتها الميكانيكية، وقابليتها للتحلل الحيوي . ومن الدعامات الناجحة بوليمر مشترك من حمض اللاكتيك وحمض الجليكوليك . ^{[ 32 ]}

تُعرَّف استجابة الجسم المضيف بأنها "استجابة الكائن المضيف (الموضعية والجهازية) للمادة أو الجهاز المزروع". تتفاعل معظم المواد عند ملامستها لجسم الإنسان. ويعتمد نجاح المادة الحيوية على تفاعل أنسجة الجسم المضيف معها. ويمكن توليد تفاعلات محددة بين أنسجة الجسم المضيف والمادة الحيوية من خلال التوافق الحيوي للمادة. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

يرتبط التوافق الحيوي بسلوك المواد الحيوية في بيئات مختلفة وتحت ظروف كيميائية وفيزيائية متنوعة. قد يشير المصطلح إلى خصائص محددة لمادة ما دون تحديد مكان أو كيفية استخدامها. على سبيل المثال، قد لا تُثير مادة ما استجابة مناعية تُذكر في كائن حي معين، وقد لا تتمكن من الاندماج مع نوع معين من الخلايا أو الأنسجة . تُعد المواد الحيوية المُوجَّهة مناعيًا، والتي تُوجه الاستجابة المناعية بدلًا من محاولة تجاوزها، أحد الأساليب الواعدة. ^{[ 41 ]} يعكس غموض المصطلح التطور المستمر في فهم "كيفية تفاعل المواد الحيوية مع جسم الإنسان "، وفي نهاية المطاف "كيف تُحدد هذه التفاعلات النجاح السريري للأجهزة الطبية (مثل منظم ضربات القلب أو استبدال مفصل الورك )". غالبًا ما تُصنع الأجهزة الطبية والأطراف الاصطناعية الحديثة من أكثر من مادة، لذا قد لا يكون من الكافي دائمًا الحديث عن التوافق الحيوي لمادة محددة. ^{[ 42 ]} يُحفز الزرع الجراحي لمادة حيوية في الجسم استجابة التهابية، مصحوبة بالتئام الأنسجة المتضررة. وبحسب تركيبة المادة المزروعة، وسطح الزرعة، وآلية الإجهاد، والتحلل الكيميائي، توجد عدة تفاعلات أخرى محتملة، قد تكون موضعية أو جهازية. وتشمل هذه التفاعلات الاستجابة المناعية، ورد فعل الجسم الغريب مع عزل الزرعة عن النسيج الضام الوعائي، واحتمالية حدوث عدوى، وتأثيرها على عمر الزرعة. يُعد داء الطعم ضد المضيف اضطرابًا مناعيًا ذاتيًا ومغايرًا، ويُظهر مسارًا سريريًا متغيرًا. وقد يظهر في صورة حادة أو مزمنة، ويؤثر على أعضاء وأنسجة متعددة، مُسببًا مضاعفات خطيرة في الممارسة السريرية، سواء أثناء عملية الزرع أو عند استخدام مواد متوافقة حيويًا. ^{[ 43 ]}

هناك خاصيتان لهما تأثير كبير على وظائف المواد الحيوية وهما خصائص السطح وخصائص الكتلة . ^{[ 50 ]}

تشير الخصائص الكلية إلى الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تُكوّن المادة الحيوية طوال فترة حياتها. ويمكن توليد هذه الخصائص خصيصًا لمحاكاة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للأنسجة التي تحل محلها المادة. وهي خصائص ميكانيكية ناتجة عن التركيب الذري والجزيئي للمادة.

الخصائص الأساسية الهامة: ^{[ 51 ]}

• التركيب الكيميائي
• البنية المجهرية
• مرونة
• قوة الشد
• كثافة
• صلابة
• الموصلية الكهربائية
• الموصلية الحرارية

تشير خصائص السطح إلى السمات الكيميائية والطبوغرافية على سطح المادة الحيوية التي ستتفاعل مباشرةً مع دم/أنسجة الجسم المضيف. ^{[ 52 ]} تسمح هندسة السطح وتعديله للأطباء بتحسين التحكم في تفاعلات المادة الحيوية مع الجهاز الحيوي المضيف. لذا، يُعتبر سطح المواد الحيوية مهمًا لأنه يشارك في العديد من التفاعلات الهامة للمادة مع الخلايا المحيطة بها، على سبيل المثال. ويرتبط هذا بالاستجابة الخلوية التي ستحدث عند إدخال المادة إلى الجسم. ^{[ 53 ]} هناك العديد من أدوات تحليل السطح المستخدمة في مجال علم المواد الحيوية، مثل المجهر الإلكتروني الماسح، الذي يُعتبر مهمًا لقدرته على التنبؤ بنجاح أو فشل الجهاز الطبي. ^{[ 54 ]}

الخصائص السطحية المهمة: ^{[ 55 ]}

• قابلية التبلل (طاقة السطح)
• الكيمياء السطحية
• ملمس السطح (ناعم/خشن)
  • تحدد العوامل الطبوغرافية، بما في ذلك الحجم والشكل والمحاذاة والبنية، خشونة المادة. ^{[ 56 ]}
• التوتر السطحي
• الشحنة السطحية

إضافةً إلى اعتماد المادة كمتوافقة حيوياً ، يجب تصميم المواد الحيوية خصيصاً لتطبيقها المستهدف داخل الجهاز الطبي . يكتسب هذا الأمر أهمية خاصة فيما يتعلق بالخصائص الميكانيكية التي تحدد سلوك المادة الحيوية. يُعد معامل يونغ ( E ) أحد أهم معايير المواد ، إذ يصف استجابة المادة المرنة للإجهادات . يجب أن يتطابق معامل يونغ للأنسجة والجهاز المُرتبط بها تطابقاً دقيقاً لتحقيق التوافق الأمثل بين الجهاز والجسم، سواءً كان الجهاز مزروعاً أو مثبتاً خارجياً. يُمكّن تطابق معامل المرونة من الحد من الحركة والانفصال عند نقطة التماس الحيوي بين الزرعة والأنسجة، فضلاً عن تجنب تركيز الإجهاد الذي قد يؤدي إلى فشل ميكانيكي . من الخصائص المهمة الأخرى قوة الشد وقوة الضغط ، اللتان تُحددان أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة قبل الكسر، ويمكن استخدامهما لتحديد حدود الإجهاد التي قد يتعرض لها الجهاز داخل الجسم أو خارجه. بحسب التطبيق، قد يكون من المرغوب فيه أن تتمتع المادة الحيوية بقوة عالية لمقاومة التلف عند تعرضها لحمل، بينما في تطبيقات أخرى قد يكون من المفيد أن تكون المادة ذات قوة منخفضة. ثمة توازن دقيق بين القوة والصلابة يحدد مدى متانة الجهاز الحيوي في مواجهة التلف. عادةً، مع ازدياد مرونة المادة الحيوية، تنخفض قوة الشد القصوى ، والعكس صحيح. من التطبيقات التي لا يُفضل فيها استخدام مادة ذات قوة عالية، المجسات العصبية ؛ فإذا استُخدمت مادة ذات قوة عالية في هذه التطبيقات، سيتلف النسيج دائمًا قبل الجهاز (تحت الحمل المطبق ) لأن معامل يونغ للأم الجافية والنسيج الدماغي يبلغ حوالي 500 باسكال . عند حدوث ذلك، قد يحدث تلف لا رجعة فيه للدماغ، لذا يجب أن يكون معامل مرونة المادة الحيوية أقل من أو يساوي معامل مرونة النسيج الدماغي، وأن تكون قوة الشد منخفضة إذا كان من المتوقع تطبيق حمل. ^{[ 57 ] [ 58 ]}

بالنسبة للمواد الحيوية المزروعة التي قد تتعرض لتقلبات في درجات الحرارة ، مثل زراعة الأسنان ، تُعدّ الليونة خاصيةً بالغة الأهمية. يجب أن تتمتع المادة بالليونة لسبب مشابه لعدم إمكانية أن تكون قوة الشد عالية جدًا، فالليونة تسمح للمادة بالانحناء دون أن تنكسر ، كما تمنع تركيز الإجهادات في الأنسجة عند تغير درجة الحرارة. تُعدّ خاصية المتانة للمادة مهمة أيضًا لزراعة الأسنان، وكذلك لأي غرسة صلبة أخرى تتحمل الأحمال، مثل مفصل الورك البديل . تصف المتانة قدرة المادة على التشوه تحت تأثير الإجهاد المطبق دون أن تنكسر ، وتسمح المتانة العالية لغرسات المواد الحيوية بالبقاء لفترة أطول داخل الجسم، خاصةً عند تعرضها لإجهاد كبير أو إجهادات دورية ، مثل الإجهادات التي يتعرض لها مفصل الورك أثناء الجري. ^{[ 57 ]}

بالنسبة للأجهزة الطبية المزروعة أو الملتصقة بالجلد، تُعدّ صلابة الانحناء ( D ) ​​خاصيةً مهمةً أخرى يجب أخذها في الاعتبار . تُحدد صلابة الانحناء مدى قدرة سطح الجهاز على الحفاظ على تلامسٍ مُطابقٍ مع سطح النسيج ، وهو أمرٌ بالغ الأهمية للأجهزة التي تقيس حركة الأنسجة ( الإجهاد )، أو الإشارات الكهربائية ( الممانعة )، أو المصممة للالتصاق بالجلد دون انفصال ، كما هو الحال في الإلكترونيات الجلدية. وبما أن صلابة الانحناء تعتمد على سُمك المادة ( h ) مرفوعًا للأس 3 ( ^h³ ) ، فمن الضروري جدًا أن تكون المادة الحيوية قابلةً للتشكيل في طبقاتٍ رقيقةٍ في التطبيقات المذكورة سابقًا حيث يُعدّ التوافق أمرًا بالغ الأهمية. ^{[ 59 ]}

يُعدّ ترتيب الذرات والأيونات داخل المادة من أهم الخصائص البنيوية للمواد الحيوية. ويمكن النظر إلى البنية الذرية للمادة على مستويات مختلفة، بدءًا من المستوى دون الذري ، مرورًا بالمستوى الذري أو الجزيئي ، وصولًا إلى البنية الدقيقة التي تُشكّلها الذرات والجزيئات. وتُحدّد القوى بين الجزيئية التي تُكوّن المادة خصائصها المادية والكيميائية. ^{[ 61 ]}

يُعنى المستوى دون الذري بدراسة البنية الكهربائية لذرة منفردة لتحديد تفاعلاتها مع الذرات والجزيئات الأخرى. أما البنية الجزيئية فتُعنى بدراسة ترتيب الذرات داخل المادة. وأخيرًا، تُعنى البنية فائقة الدقة بدراسة البنية ثلاثية الأبعاد المُنشأة من البنيتين الذرية والجزيئية للمادة. وتتميز الحالة الصلبة للمادة بالروابط الجزيئية الداخلية بين الذرات والجزيئات المكونة لها. وتشمل أنواع هذه الروابط: الروابط الأيونية ، والروابط التساهمية ، والروابط المعدنية . وتُحدد هذه الروابط الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة، بالإضافة إلى تحديد نوعها ( سيراميك ، أو معدن ، أو بوليمر ).

تشير البنية المجهرية للمادة إلى بنية الجسم أو الكائن الحي أو المادة عند رؤيتها بتكبيرات تتجاوز 25 ضعفًا. ^{[ 62 ]} وهي تتكون من أطوار مختلفة من حيث الشكل والحجم وتوزيع الحبيبات والمسام والرواسب، وما إلى ذلك. معظم البنى المجهرية للمواد الصلبة بلورية ، إلا أن بعض المواد، مثل بعض البوليمرات، لا تتبلور في الحالة الصلبة. ^{[ 63 ]}

تشير البنية الكلية إلى الخصائص الهندسية العامة التي تؤثر على قوة الكسر، والصلابة، والانحناء، وتوزيع الإجهاد، ووزن المادة. ولا يتطلب الكشف عن البنية الكلية للمادة تكبيرًا يُذكر. وتُظهر ملاحظة هذه البنية خصائص مثل التجاويف ، والمسامية ، وفقاعات الغاز، والطبقات ، والشقوق . ^{[ 67 ]} وتُعد كل من قوة المادة ومعامل مرونتها مستقلتين عن البنية الكلية.

البوليمرات الحيوية هي بوليمرات تنتجها الكائنات الحية. يُعد السليلوز والنشا ، والبروتينات والببتيدات ، والحمض النووي DNA والحمض النووي RNA أمثلة على البوليمرات الحيوية، حيث تتكون وحداتها الأحادية، على التوالي، من السكريات والأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات . [ 71 ] يُعد السليلوز أكثر البوليمرات الحيوية شيوعًا ، وأكثر ^{المركبات العضوية شيوعًا} على سطح الأرض. يشكل السليلوز حوالي 33% من جميع المواد النباتية. ^{[ 72 ] [ 73 ]} وبالمثل، حظي الحرير (وهو بوليمر حيوي بروتيني) باهتمام بحثي كبير في مجالات متنوعة، تشمل هندسة الأنسجة، والطب التجديدي، والموائع الدقيقة، وتوصيل الأدوية. ^{[ 74 ] [ 75 ]}