Biokompatibilitet er relateret til biomaterialers adfærd i forskellige miljøer under forskellige kemiske og fysiske forhold. Udtrykket kan henvise til specifikke egenskaber ved et materiale uden at specificere, hvor eller hvordan materialet skal anvendes. Et materiale kan f.eks. fremkalde et lille eller intet immunrespons i en given organisme og kan eller kan ikke integrere sig med en bestemt celletype eller et bestemt væv. Immuninformerede biomaterialer, der styrer immunresponset i stedet for at forsøge at omgå processen, er en lovende tilgang. Begrebets tvetydighed afspejler den løbende udvikling af indsigt i “hvordan biomaterialer interagerer med den menneskelige krop” og i sidste ende “hvordan disse interaktioner bestemmer den kliniske succes for et medicinsk udstyr (f.eks. en pacemaker eller hofteprotese)”. Moderne medicinsk udstyr og proteser er ofte fremstillet af mere end ét materiale, så det er måske ikke altid tilstrækkeligt at tale om et bestemt materiales biokompatibilitet. Kirurgisk implantation af et biomateriale i kroppen udløser en inflammatorisk reaktion fra organismen med den dertil hørende heling af det beskadigede væv. Afhængigt af sammensætningen af det implanterede materiale, implantatets overflade, udmattelsesmekanismen og den kemiske nedbrydning er der flere andre mulige reaktioner. Disse kan være både lokale og systemiske. De omfatter immunreaktion, reaktion fra et fremmedlegeme ved isolering af implantatet med et vaskulært bindevæv, mulig infektion og indvirkning på implantatets levetid. Graft versus host disease er en auto- og alloimmun sygdom, der har et varierende klinisk forløb. Den kan manifestere sig i enten akut eller kronisk form, påvirke flere organer og væv og forårsage alvorlige komplikationer i klinisk praksis, både i forbindelse med transplantation og implementering af biokompatible materialer.
Biokompatible plastmaterialerRediger
Nogle af de mest almindeligt anvendte biokompatible materialer (eller biomaterialer) er polymerer på grund af deres iboende fleksibilitet og indstillelige mekaniske egenskaber. Medicinsk udstyr af plast er ofte fremstillet af nogle få udvalgte, herunder: cyklisk olefincopolymer (COC), polycarbonat (PC), polyetherimid (PEI), polyvinylchlorid (PVC) af medicinsk kvalitet, polyethersulfon (PES), polyethylen (PE), polyetheretheretherketon (PEEK) og endog polypropylen (PP). For at sikre biokompatibilitet er der en række regulerede tests, som materialet skal bestå for at blive certificeret til brug. Disse omfatter United States Pharmacopoeia IV (USP Class IV) Biological Reactivity Test (USP Class IV) og International Standards Organization 10993 (ISO 10993) Biological Evaluation of Medical Devices (ISO 10993). Hovedformålet med biokompatibilitetstests er at kvantificere materialets akutte og kroniske toksicitet og bestemme eventuelle skadelige virkninger under anvendelsesbetingelser, og de tests, der kræves for et givet materiale, afhænger således af dets slutanvendelse (dvs. blod, centralnervesystem osv.).
Mekaniske egenskaberRediger
Ud over at et materiale skal være certificeret som biokompatibelt, skal biomaterialer være udviklet specifikt til deres formål i et medicinsk udstyr. Dette er især vigtigt med hensyn til de mekaniske egenskaber, som styrer den måde, som et givet biomateriale opfører sig på. En af de mest relevante materialeparametre er Young-modulet, E, som beskriver et materiales elastiske reaktion på belastninger. Young-modulerne for vævet og den anordning, der kobles til det, skal passe nøje sammen for at opnå optimal kompatibilitet mellem anordning og krop, uanset om anordningen er implanteret eller monteret eksternt. Ved at matche elasticitetsmodulet er det muligt at begrænse bevægelse og delaminering ved biogrænsefladen mellem implantat og væv og at undgå spændingskoncentration, der kan føre til mekanisk svigt. Andre vigtige egenskaber er træk- og trykstyrke, som kvantificerer den maksimale belastning, et materiale kan modstå, før det bryder, og som kan anvendes til at fastsætte de belastningsgrænser, som en anordning kan udsættes for i eller uden for kroppen. Afhængigt af anvendelsen kan det være ønskeligt, at et biomateriale har en høj styrke, så det er modstandsdygtigt over for svigt, når det udsættes for en belastning, men i andre anvendelser kan det være en fordel, at materialet har en lav styrke. Der er en nøje balance mellem styrke og stivhed, der bestemmer, hvor robust en biomaterialeanordning er over for svigt. Typisk vil den endelige trækstyrke falde, efterhånden som biomaterialets elasticitet øges, og omvendt. En anvendelse, hvor et materiale med høj styrke er uønsket, er i neurale sonder; hvis der anvendes et materiale med høj styrke i disse anvendelser, vil vævet altid svigte før anordningen (under påført belastning), fordi dura mater’s og hjernevævets Young-modul er i størrelsesordenen 500 Pa. Når dette sker, kan der opstå irreversible skader på hjernen, og biomaterialet skal derfor have et elasticitetsmodul, der er mindre end eller lig med hjernevævets, og en lav trækstyrke, hvis der forventes en påført belastning.
For implanterede biomaterialer, der kan opleve temperatursvingninger, f.eks. tandimplantater, er duktilitet vigtig. Materialet skal være duktilt af samme grund som trækstyrken ikke må være for høj, duktilitet gør det muligt for materialet at bøje uden brud og forhindrer også koncentration af spændinger i vævet, når temperaturen ændrer sig. Materialeegenskaben sejhed er også vigtig for tandimplantater og for alle andre stive, belastningsbærende implantater som f.eks. et hofteproteseimplantat. Sejhed beskriver materialets evne til at deformere sig under påført stress uden at briste, og med en høj sejhed kan biomaterialeimplantater holde længere i kroppen, især når de udsættes for store belastninger eller cyklisk belastede belastninger, som f.eks. de belastninger, der påføres et hofteled under løb.
For medicinsk udstyr, der er implanteret eller fastgjort til huden, er en anden vigtig egenskab, der kræver overvejelse, bøjningsstivhed, D. Bøjningsstivheden bestemmer, hvor godt udstyrets overflade kan opretholde en konform kontakt med vævsoverfladen, hvilket er særlig vigtigt for udstyr, der måler vævsbevægelser (belastning), elektriske signaler (impedans) eller er designet til at klæbe til huden uden at delaminere, som det er tilfældet med epidermal elektronik. Da bøjestivhed afhænger af materialets tykkelse, h, til tredje potens (h3), er det meget vigtigt, at et biomateriale kan formes i tynde lag i de tidligere nævnte anvendelser, hvor konformitet er altafgørende.