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

علم بیومتریال یک دانش مرزی بین علم شناخت مواد و شناخت علم پزشکی است. نقطه ی تلاقی بین این دو علمی شگفت انگیز را به وجود آورده تحت عنوان علم بیومتریال. مواد زیستی مورد بحث می‌توانند به عنوان موادی طبیعی یا سنتزشده (مصنوعی) باشند و در کاربردهای مختلف در پزشکی مثل عوامل پشتیبانی، تقویتی و بهبودی یا جایگزینی بافت آسیب دیده یا  بهبود عملکرد بیولوژیکی استفاده شوند. نخستین استفاده ها از بیومتریال‌ها به دوران باستان برمی گردد، زمانی که مصریان باستان از رباط های حیوانات جهت ساخت و کاربرد بخیه از آنها استفاده می کردند. امروزه می‌توان مهندسی بیومتریال‌ها را علمی متاثر از مهندسی داروسازی، ، مهندسی مواد و متالورژی، علوم زیست شناسی و اخیراً از مهندسی بافت به شمار آورد. این زمینه به طور چشم‌به علت تحقیقات گسترده در زمینه مهندسی بافت، داروهاو سایر زمینه‌های مرتبط داشته است. فلزات، سرامیک‌ها، پلیمرها، بایوگلس ها و حتی سلول‌ها و بافت و داربست های سلول زدایی شده، همگی می‌توانند در ساخت یک بیومتریال به کارگرفته شوند. مواد نام برده شده می‌توانند طراحی شوند و آن‌ها را می‌توان به پوشش‌ها، الیاف، فیلم‌ها برای استفاده در محصولات و دستگاه‌ های بیومتریال تبدیل کرد. این محصولات می توانند شامل دریچه‌های قلب، جایگزین‌های مفصل ران، ایمپلنت‌های دندانی، لنز‌های تماسی، داربست های ترمیم استخوان و محصولات دیگری باشد. ذکر این نکته خالی از لطف نیست که بسیاری از این محصولات به صورت زیست تخریب پذیر یا قابل جذب در محیط بیولوژیک ساخته می‌شوند که هدف این کار خارج شدن بیومتریال به صورت تدریجی از بدن در صورتی که محصولات آن سمیت ایجاد نکند، است.

بیومتریال‌ها از نظر کاربرد پزشکی به ۶ دسته تقسیم می‌شوند:

۱- ایمپلنت‌های کاربردی در پزشکی: دریچه‌های قلبی، استنت‌ها (فنرهای عروقی)، مفاصل و تاندون‌های مصنوعی، ایمپلنت‌ها در شنوایی، ایمپلنت‌های دندانی و محرک های اعصاب و نورون‌ها

۲- موادی که روند ترمیم بافت را سرعت می بخشند : مانند نخ‌های بخیه، گیره‌ها و منگنه‌ها برای بستن زخم و پوشش‌های حل شونده در محیط بیولوژیک.

۳- بافت‌های ترمیمی انسانی: استفاده از ترکیبی از یک بیومتریال به عنوان یک داربست که نقش حمایت کننده دارد، سلول‌ها، و مولکول‌های زیست فعال ای نیمه زیست فعال. برای مثال، هیدروژل‌هایی در  بازسازی استخوان های ساخته شده در آزمایشگاه ها.

۴- نانو وایر و نانوذرات: این دسته از مواد می‌توانند از موانع بیولوژیکی عبور کنند و به تصویربرداری و درمان سرطان سطح مولکولی کمک کنند.

۵- حسگرهای زیستی (Biosensors): حسگر های زیستی برای تشخیص وجود موادی خاص، مقدار آن‌ها، سنجش و پایداری این اطلاعات و انتقال آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال حسگرهای سنجش فعالیت مغزی.

۶- سیستم‌های انتقال دارو (Drug delivery systems): سیستم‌هایی حاملی که می‌توانند دارو را به سلول های هدف منتقل کرده و روی آن تاثیر بگذارند. برای مثال استنت‌های عروقی که سطح آن‌ها با دارو پوشانده شده (پوشش سطح استنت با هپارین یا هپاران سولفات برای جلوگیری از انعقاد و ایجاد لخته در خون)

کی

مهندسی بیومتریال در مهندسی پزشکی کاربرد گسترده ای دارد. سنتز الیاف مصنوعی و مواد زیستی برای ترمیم بافت از دست رفته از عملکرد های یک بیومتریالیست نشات می گیرد. برای الیاف های نرم معمولاً به سراغ پلیمر ها و برای الیاف سخت به سراغ سرامیک ها یا فلزات می روند. معمولاً در انتخاب ماده جهت سنتز آن، از کامپوزیت ها استفاده می شود. کامپوزیت ها می توانند خواص الاستیسیته پلیمر ها و هم استحکام مناسب سرامیک ها را داشته باشد. سنتز هر یک از مواد زیستی روش های به خصوصی دارند و تحت شرایط مناسبی در آن روش، ماده مورد نظر سنتز می شود. مواد سنتز شده می تواند به اشکال مختلفی یاشند که بسته به نوع کاربرد آنهاست. ممکن است کروی، لوله ای، شبکه ای، کرمی شکل و یا در ابعاد نانو باشد. ذرات در ابعاد کوچک برای نانوحسگر ها و نانو ذرات حامل های دارویی کاربرد دارند و نقش به سزایی را ایفا می کنند. عبور از موانع بیولوژیکی بدن برای ذرات بزرگی در ابعاد میکرون و به بالا به سختی انجام می شود و در محیط بدن به عنوان یک عامل خارجی تلقی شده و توسط سلول های ایمنی بدن دفع می شود.
از پلیمر ها به صورت مستقیم در ترمیم های وریدی و ترمیم های پوستی استفاده می شود و یا با زخم پوش هایی عامل بیماری را ترمیم می کنند. اینها تازه بخشی کوچک از کاربرد های مواد سنتز شده توسط مهندسین بیومتریال می باشد و روز به روز کاربرد های گسترده تری را می یابند.

مهندسی بیومتریال چه تفاوتی با مهندسی بافت دارد؟

امروزه مهندسی بافت،  به عنوان فصل مشترکی از پزشکی و مهندسی، علمی در جهت حل مسائل پزشکی می باشد. مهندسی بافت نسبت به سایر علوم، پیشرفت گسترده ای داشته و در مجامع علمی جهانی، جایگاه ویژه‌ای را به خود اختصاص داده است. هدف از مهندسی بافت، طراحی و ساخت جایگزین های زیستی برای بافت های از دست رفته در محیط خارجی بدن با استفاده از سازه های مهندسی شده به نام داربست یا ماتریس و ترکیب آن با سلول ها می باشد.این سلول ها می توانند سلول های خود بافت مورد نظر باشند یا سلول های بنیادی باشند. پیشرفت های خیره کننده در حوزه مواد و علوم شناخت سلولی به همراه شناخت انواع محرک ها مانند نیروهای مکانیکی،  امواج الکتریکی و مغناطیسی و ... منجر به توسعه انواع سلول های مرتبط با آن بافت می شود.
مطالعات در مهندسی بافت می تواند از جوانب مختلفی مانند ژنتیک، سلول، بافت و سطح اندام یا ارگان تمرکز کند. مطالعات روی  فرایندهای رشد و تکثیر سلول ها و همچنین ترمیم بافت  نیز می تواند یکی از حوزه های مهم در مهندسی بافت باشد. همچنین گسترش و پیشرفت ابزارهای مورد نیاز در زمینه مهندسی بافت مانند بیوراکتورها، نانومواد ها، حامل های ژن و دارو و... نیز از زمینه های کاربردی این رشته می باشد.مهندسین بافت با همراهی بیومتریالیست ها و یافتن ماده مناسب برای بافت مورد نظر، در این مسیر یکدیگر را یاری می دهند. آموزش هایی که در حوزه مهندسی بیومتریال داده می شود را می توانید در صفحه رسمی فروشگاه پارس پژوهان ببینید و اطلاعات مورد نظر خود را کسب کنید. رشته های مهندسی بافت و بیومتریال دو رشته جدا در دانشگاه می باشند که مهندسی بافت را می توان به نوعی زیر مجموعه مهندسی بیومتریال دانست. دروس تدریس شده همانند یکدیگرند امّا دروس مهندسی بافت دروسی به خصوص و تخصصی تر می باشند. پیش زمینه داشتن قبل از ورود به این زیر شاخه ها به شدت توصیه می شود و ملزم به علاقه به محیط های بیولوژیکی بدن است و می بایست آناتومی بدن را به خوبی بشناسید و عملکرد های شیمیایی را تا حد مناسبی در ذهن داشته باشید.

پلیمرهای زیستی: مواد پلیمری دارای جایگاه ویژه‌ای هستند بطوریکه بیش از ۹۰% بیومتریال ها، زمینه ی پلیمری دارند. پلیمرها می‌توانند طیف گسترده ای از خواص فیزیکی و مکانیکی را ایجاد نمایند و دارای دانسیته بسیار کمتری در مقایسه با مواد فلزی و سرامیکی هستند و پایداری  و مقاومت آنها در برابر محیط های بیولوژیکی مناسب است. بیوپلیمرهای زیستی کاربردهای متنوعی به عنوان اندام های مصنوعی، ابزار پزشکی، وسایل درمانی و تشخیص، ابزار ترمیمی، حسگرها و غیره پیدا کرده‌اند. مواد پلیمری طبیعی مثل کائوچو دارای منشاء طبیعی هستند.

فلزهای زیست سازگار: فلزات از مواد  مهمی در مهندسی پزشکی هستند که بطور گسترده در جراحی بصورت ایمپلانت ها ( کاشتنی­ها ) کاربرد دارند.ممکن است در کاربرد آنها بحث محصولات تخریب و ایجاد سمیت نیز مطرح شوند امّا از استحکام مکانیکی آنها نمی توان چشم پوشی کرد.   طراحی ، فرآیندهای شکل دهی و ساخت فلزها، همگام با فن­آوری جدید  توجه ویژه‌ای می‌طلبد چرا که تعامل مواد خارجی با بافت های بدن انسان تنها تحت شرایط خاص زیست سازگاری ممکن می‌شود.

بیوسرامیک­ها: سرامیک‌ها ترکیبات بلورین هستند. موادی همچون سیلیکات ها، اکسیدهای فلزی، کاربیدها، نیترید ها را شامل می‌شوند. از آنجا که این گونه مواد خواص مکانیکی خوبی دارند، کاربردهای بسیاری به عنوان مواد کاشتنی در دست دارند.

چسب های زیستی در مهندسی پزشکی: چسب ها برای اتصال دو  ماده از طریق سطح‌شان به کار گرفته می‌شوند. چسب های زیستی را می‌توان برای اتصال بافت های نرم و سخت به کار برد. چسب های اتصال دهنده بافتهای نرم می‌تواند به شکل اتصال خارجی نظیر اتصال کیسه‌های کلاستومی به بدن، و یا داخلی نظیر بستن زخم ها و جلوگیری از خونریزی به کار روند.

مهندسی بیومتریال در بازار کسب و کار

برای اینکه آماری حدودی از درآمد و بازارکسب و کار در مهندسی بیومتریال به دست آورید، به اعدادی که در پایین آمده توجه کنید:

به طور میانگین یک مهندس بیومتریال در آمریکا سالانه 85000 دلار درآمد دارد که ساعتی ۴۱ دلار درآمد کسب خواهد کرد. درآمد سالانه در دو شهر لیکس و سانفرانسیسکو به ترتیب 96000 و 98000 دلار در سال است که بیشترین درآمد یک مهندس بیومتریال در بین تمامی شهرها در آمریکا می باشد. در مورد گرایش مهندسی بافت، درآمد سالیانه یک مهندس بافت 81000 دلار در سال و برابر ۳۹ دلار در هر ساعت است که کم‌تر از یک مهندس بیومتریال است.

لازم به ذکر است که این ارقام مختص به افرادی است که در آزمایشگاه‌ها به تحقیقات علمی مشغول بوده و بیش‌تر زمان خود را روی تحقیق در دنیای علم می‌کنند.

نویسنده مقاله: احسان زینلی کارشناس دپارتمان مهندسی پزشکی موسسه پارس پژوهان