Biocompatibiliteit heeft betrekking op het gedrag van biomaterialen in diverse omgevingen onder uiteenlopende chemische en fysische omstandigheden. De term kan verwijzen naar specifieke eigenschappen van een materiaal zonder te specificeren waar of hoe het materiaal moet worden gebruikt. Een materiaal kan bijvoorbeeld weinig of geen immuunrespons opwekken in een bepaald organisme, en al dan niet in staat zijn te integreren met een bepaald celtype of weefsel. Immunogeïnformeerde biomaterialen die de immuunrespons sturen in plaats van te trachten dit proces te omzeilen, is een veelbelovende benadering. De dubbelzinnigheid van de term weerspiegelt de voortdurende ontwikkeling van inzichten in “hoe biomaterialen interageren met het menselijk lichaam” en uiteindelijk “hoe die interacties het klinische succes van een medisch hulpmiddel (zoals een pacemaker of een heupprothese) bepalen”. Moderne medische hulpmiddelen en prothesen zijn vaak gemaakt van meer dan één materiaal, zodat het niet altijd volstaat te spreken over de biocompatibiliteit van een specifiek materiaal. Chirurgische implantatie van een biomateriaal in het lichaam brengt een ontstekingsreactie van het organisme teweeg, die gepaard gaat met de genezing van het beschadigde weefsel. Afhankelijk van de samenstelling van het geïmplanteerde materiaal, het oppervlak van het implantaat, het mechanisme van vermoeidheid en de chemische afbraak zijn er verschillende andere reacties mogelijk. Deze kunnen zowel lokaal als systemisch zijn. Deze omvatten een immuunreactie, een vreemd-lichaam reactie met de isolatie van het implantaat met een vasculair bindweefsel, mogelijke infectie, en invloed op de levensduur van het implantaat. Graft versus host disease is een auto- en alloimmuunaandoening met een variabel klinisch verloop. Zij kan zich zowel in acute als chronische vorm manifesteren, waarbij meerdere organen en weefsels worden aangetast en in de klinische praktijk ernstige complicaties optreden, zowel bij transplantatie als bij de toepassing van biocompatibele materialen.
Biocompatibele kunststoffenEdit
Sommige van de meest gebruikte biocompatibele materialen (of biomaterialen) zijn polymeren, vanwege hun inherente flexibiliteit en afstembare mechanische eigenschappen. Medische hulpmiddelen van kunststof worden vaak gemaakt van een select aantal, waaronder: cyclisch olefine copolymeer (COC), polycarbonaat (PC), polyetherimide (PEI), polyvinylchloride (PVC) van medische kwaliteit, polyethersulfon (PES), polyethyleen (PE), polyetheretherketon (PEEK) en zelfs polypropyleen (PP). Om de biocompatibiliteit te garanderen, zijn er een reeks gereglementeerde tests die het materiaal moet doorstaan om voor gebruik gecertificeerd te worden. Deze omvatten de biologische reactiviteitstest van USP klasse IV (United States Pharmacopoeia IV) en de biologische evaluatie van medische hulpmiddelen van ISO 10993 (International Standards Organization 10993). De belangrijkste doelstelling van biocompatibiliteitstests is het kwantificeren van de acute en chronische toxiciteit van materiaal en het bepalen van eventuele nadelige effecten tijdens gebruiksomstandigheden, zodat de vereiste tests voor een bepaald materiaal afhankelijk zijn van het eindgebruik (d.w.z. bloed, centraal zenuwstelsel, enz.).
Mechanische eigenschappenEdit
Naast het feit dat een materiaal als biocompatibel moet worden gecertificeerd, moeten biomaterialen specifiek worden ontworpen voor hun beoogde toepassing in een medisch hulpmiddel. Dit is vooral van belang voor de mechanische eigenschappen, die bepalen hoe een bepaald biomateriaal zich gedraagt. Een van de meest relevante materiaalparameters is de elasticiteitsmodulus, E, die de elastische reactie van een materiaal op spanningen beschrijft. De elasticiteitsmodulus van het weefsel en het eraan gekoppelde hulpmiddel moeten goed op elkaar zijn afgestemd voor een optimale compatibiliteit tussen het hulpmiddel en het lichaam, ongeacht of het hulpmiddel wordt geïmplanteerd of uitwendig wordt aangebracht. Door de elasticiteitsmodulus op elkaar af te stemmen, kunnen bewegingen en delaminatie aan het bio-interface tussen implantaat en weefsel worden beperkt en spanningsconcentratie worden vermeden die tot mechanisch falen kan leiden. Andere belangrijke eigenschappen zijn de trek- en druksterkte, die de maximale spanningen kwantificeren die een materiaal kan weerstaan alvorens te breken, en die kunnen worden gebruikt om spanningsgrenzen vast te stellen waaraan een hulpmiddel binnen of buiten het lichaam mag worden blootgesteld. Afhankelijk van de toepassing kan het wenselijk zijn dat een biomateriaal een hoge sterkte heeft zodat het bestand is tegen bezwijken bij belasting, maar in andere toepassingen kan het gunstig zijn dat het materiaal een lage sterkte heeft. Er is een zorgvuldig evenwicht tussen sterkte en stijfheid dat bepaalt hoe faalbestendig het biomateriaal is. Naarmate de elasticiteit van het biomateriaal toeneemt, neemt de uiteindelijke treksterkte af en omgekeerd. Een toepassing waarbij een materiaal met hoge sterkte ongewenst is, is in neurale sondes; indien in deze toepassingen een materiaal met hoge sterkte wordt gebruikt, zal het weefsel het altijd eerder begeven dan het hulpmiddel (onder toegepaste belasting), omdat de elasticiteitsmodulus van de dura mater en het hersenweefsel in de orde van grootte van 500 Pa ligt. Wanneer dit gebeurt, kan onomkeerbare schade aan de hersenen optreden, zodat het biomateriaal een elasticiteitsmodulus moet hebben die kleiner is dan of gelijk aan die van hersenweefsel en een lage treksterkte als een toegepaste belasting wordt verwacht.
Voor geïmplanteerde biomaterialen die temperatuurschommelingen kunnen ondergaan, b.v. tandimplantaten, is vervormbaarheid belangrijk. Het materiaal moet vervormbaar zijn om dezelfde reden dat de treksterkte niet te hoog mag zijn; vervormbaarheid maakt het mogelijk dat het materiaal buigt zonder te breken en voorkomt ook de concentratie van spanningen in het weefsel wanneer de temperatuur verandert. De materiaaleigenschap taaiheid is ook belangrijk voor tandheelkundige implantaten en voor elk ander stijf, lastdragend implantaat, zoals een vervangend heupgewricht. Taaiheid beschrijft het vermogen van het materiaal om onder toegepaste spanning te vervormen zonder te breken en een hoge taaiheid maakt het mogelijk dat biomateriaalimplantaten langer in het lichaam meegaan, vooral wanneer ze worden blootgesteld aan grote spanningen of cyclisch belaste spanningen, zoals de spanningen die tijdens het hardlopen op een heupgewricht worden uitgeoefend.
Voor medische hulpmiddelen die worden geïmplanteerd of aan de huid worden bevestigd, is een andere belangrijke eigenschap die in aanmerking moet worden genomen de buigstijfheid, D. De buigstijfheid bepaalt hoe goed het oppervlak van het hulpmiddel conform contact met het weefseloppervlak kan handhaven, wat vooral belangrijk is voor hulpmiddelen die weefselbeweging (rek) of elektrische signalen (impedantie) meten, of die zijn ontworpen om aan de huid te kleven zonder delaminatie, zoals in epidermale elektronica. Aangezien de buigstijfheid afhangt van de dikte van het materiaal, h, tot de derde macht (h3), is het van groot belang dat een biomateriaal in dunne lagen kan worden gevormd in de eerder genoemde toepassingen waar conformaliteit van het grootste belang is.