مهندسی بیومواد در مهندسی پزشکی و کاربرد های آن در زمینه های پزشکی و درمانی

بیومواد یکی از زیرشاخه های رشته مهندسی پزشکی است. در این رشته،  دانشمندان ماده‌ای را مهندسی می‌کنند تا از طریق استفاده از موجودات زنده، یک روش درمانی یا تشخیصی را هدایت کنند. در بیومواد، اساتیدی در حال مطالعه مواد زیستی برای دستکاری سلول های ایمنی، ارائه داروها به روش های جدید و ایجاد ریزساختارهای بافتی پیچیده هستند. در حال حاضر مواد مورد استفاده در بدن را می‌توان در گروه‌های فلزات، پلیمرها، سرامیک‌ها و کامپوزیت‌ها طبقه‌بندی کرد. کاربرد بیومواد تحت تأثیر واکنش مواد و بدن است و که باید با هم از نظر بیولوژیکی سازگار باشند. به عبارت دیگر، تأثیر محیط بدن بر روی مواد و تأثیر مواد بر بدن باید مورد توجه قرار گیرد. بیوپلیمرها، بیوسرامیک ها و بیومتال ها از مهمترین مواد در این زمینه هستند.

در میان مواد مختلف مورد استفاده برای مصارف بیولوژیکی و بهداشتی، مواد پلیمری از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند به طوری که نزدیک به 90 درصد بیومتریال دارای پایه پلیمری هستند. بیومتال از جمله مواد اساسی مهم در مهندسی پزشکی هستند زیرا به طور گسترده در جراحی ایمپلنت قابل استفاده هستند. سرامیک ها ترکیبات کریستالی نسوز هستند که معمولاً قابل مصرف هستند و شامل موادی مانند سیلیکات ها، اکسیدهای فلزی، کاربیدها، انواع هیدرات نسوز، گوگردها و سلونوئیدها می باشند. به دلیل خواص خاص و مطلوب این مواد، از آنها به عنوان مواد کاشت استفاده می شود.

کاربرد های مهندسی بیومواد در پزشکی

از علم بیومواد در جایگزینی و تعویض اعضاء و اندام‌هایی از بدن که بر اثر بیماری یا آسیب، کاربری خود را از دست داده‌اند استفاده می شود تا از این طریق جراحت یا بیماری و کاربری و عمل آنها اصلاح شود و ناهنجاری یا وضعیت غیر طبیعی آنها برطرف گردد. یکی از کاربرد های بیومتریال ، کاشت قطعاتی  در قلب و عروق مانند استنت ها ، عروق خون رسان و دریچه های قلبی است. از دیگر کاربردها، استفاده در سیستم شبکه عصبی بدن است ازایمپلنت ها و پروتزها در سیستم عصبی مرکزی و محیظی  بدن استفاده میشود.

کاربرد دیگر آن در ارتوپدی است که از پروتزهای ارتوپدی مانند استخوان های پیوندی، صفحات استخوانی استفاده می شود.  برای ساخت تجهیزات تثبیت کننده ی مورد استفاده در ارتوپدی مثل پیچ های تداخلی در مچ پا، زانو و نواحی دست، میله ها و پین های تثبیت کننده ی شکستگی و پیچ ها و صفحات مورد استفاده در ترمیم جمجمه، فک و صورت نیز از بیومتریال کمک گرفته می شود.

کسب و کار در مهندسی بیومواد در مهندسی پزشکی

مهندسی پزشکی با توجه به نوآوری هایی که در علم پزشکی ایجاد کرده است، در شاخه بیومواد نیز توانسته پیشرفت های خوبی را به جا بگذارد. مهندسین بیو متریال نیز همچنین با ورود به این رشته توانسته اند مکانسیم هایی به خصوصی را برای طراحی های مورد نظر بررسی کنند. شاخه ی کسب و کار رشته های نو پا مثل مهندسی پزشکی همیشه غیر قابل پیش بینی است. و میزان کسب درآمد به میزان فعالیتی که در ان دوره دارید بستگی دارد با توجه به مهارت هایی که در این رشته کسب میکنید، می توانید پیشرفت هایی را در زمینه های تحقیقاتی، ساخت و تولید مواد سازگار با بدن داشته باشید. در ادامه ی بحث به نرم افزار ها در بحث مهندسی بیومتریال می پردازیم.

نرم افزار هایی که در مسیر کسب کار مهندسی بیومواد به ما کمک میکنند کدامند؟

در گرایش بایومتریال تسلط کامل بر شناسایی و انتخاب مناسب مواد همچون شناسایی کامپوزیت ها ، ساخت مواد مصنوعی زیست سازگار با محیط بیولوژیک بدن برای کاشت و قرار گیری ماده در بدن بسیار مهم است. توسعه ‌ي انواع  وسايل پزشكي نيازمند انتخاب، ساخت و آزمايش مواد است كه باید  درک و فهم درستی از علوم شيمی و فيزيک مواد و شناخت محيط بيولوژيک بدن داشت. بنابراین این گرایش با انتخاب مواد مناسب برای کاشت و پیوند در بدن انسان سر و کار داشته و از حساس ترین گرایش های رشته مهندسی پزشکی محسوب می شود. تمرکز گرایش بیومواد از رشته مهندسی پزشکی بر شناسایی مواد و ترکیب‌های مختلف طبیعی و مصنوعی است.

پس از ساخت ماده مورد نظر باید آن را به کمک نرم افزار های شناسایی ساختار مثل  X'pert Highscoreشناسایی کرد. پس از شناسایی ماده و شناخت خواص آن، به سراغ طراحی آن رفته و از ابزار های شبیه سازی استفاده میکنیم. ابزار های شبیه سازی بسیاری وجود دارند همچون SOLIDWORK، ABAQUS، CATIA، AUTOCAD، COMSOL، POWERMILL... . پس از ساخت و شناسایی و شبیه سازی های ماده و تحلیل در محیط های شبیه سازی، به سراغ مراحل ساخت ماده مثل ساخت و طراحی با پرینت سه بعدی، ساخت با دستگاه های CNC و... که بسته به نوع کاربرد دارد، می رویم. هدف اصلاح یا جایگزینی اندام‌های آسیب دیده و بیمار است که دیگر نمی‌توانند عملکرد درستی داشته باشند. وظيفه‌ ی اصلی يک مهندس بایومتريال بدست آوردن اطلاعات لازم براي حل مسائل  متداول در زمينه ی پزشكی است. بطور مثال هنگامی که بسياری از اندام‌ها و بافت‌های جايگزين شونده، آسيب ديده و يا بيمار هستند، محقق بايد تغييرات سلولی كه منجر به نارسايی عملكردی سلول و تغيير در رفتار طبيعی آن شده را بشناسد و آن را در زمان درست تشخیص دهد.

جمع بندی 

رشته بیومواد به نسبت گرایش های دیگر مهندسی پزشکی  نسبتا جدید است و به همین دلیل هنوز خیلی از مباحث این رشته بررسی نشده است  و در نتیجه تا اشباع شدن این رشته فاصله زیادی است. اگر دانشجویان این رشته توانایی خود را در زمینه شناخت مواد و سازگازی آنها با بدن افزایش دهند و همینطور در کسب مهارت نرم افزارهای مخصوص این گرایش که پیشتر گفته شد کوشا باشند حتما آینده ای روشن در انتظار آنها خواهد بود.

نویسنده: سمانه خان بیگی کارشناس دپارتمان مهندسی پزشکی پارس پژوهان