Biomateriais - A Ciência e a Biologia por trás da Pesquisa em Biomateriais

Sistemas de materiais auto-organizavéis pode parecer o sonho de um engenheiro. Mas você só tem que olhar para baixo no seu próprio corpo para ver tal sistema de trabalho. Milhões de outros sistemas estão no mundo natural. Imitando as ações deles no corpo humano ajudando na restauração de materiais ocorrem através dos tecidos - ou a reabilitação desses que sofreram danos - usando próteses inteligentes, sistemas de comunicação rápida e curas físicas são uma parte principal da ciência crescente de biomateriais.

Onde os Biomateriais estão indo?

O programa Foresightde de Saúde e Ciência de Vida comentou o tema num artigo de abril de 1995, e realçam aplicações dos biomateriais em ortopedia, odontologia, problemas craniofaciais e dispositivos cardiovasculares. Um resumo sugere que os materiais mudarão com relaçao à primeira geração, baseado em materiais bioinertes, para uma segunda geração de materiais bioativos (incluindo camadas de superfície) que encorajam a regeneração do tecido natural, e finalmente em uma terceira geração de sistemas adaptáveis inteligentes.

Em artigo da loM com artigo da NHS Central Research and Development Committee comentam outras especialidades clínicas, biomateriais com utilização em urologia e oftalmologia. Temas genéricos para pesquisas em biomateriais e desenvolvimento de determinadas substâncias químicas e sensores bioquímicos (inclusive a descoberta da deterioração precoce de tecidos corporais), liberação de drogas, hidrogéis, membranas e órgãos artificiais.

A Evolução dos Biomateriais

Tendo identificado as exigências, os materiais está evoluindo para os resolvê-los. O artigo de Bonfield e Tanner (Materials World, January 1997) resume o desenvolvimento de um material bioativo, HAPEX, uma combinação de polietileno e hidroxiapatita. Esta foi um primeiro passo para o sucesso para determinar o desenvolvimento de técnicas de processos satisfatórios que também determinarão o desenvolvimento de materiais bioativos para suportar cargas.

Os componentes Bioativos podem estar baseado em biopolímeros, como colágeno, e vários materiais inorgânicos como fosfato de cálcio e carbonato. Nós estamos avançando no entendimento da natureza que constrói os carbonatos de cálcio complexos, estruturas duras como conchas que usam biopolímeros como fibras em sua combinação.

Biomateriais híbridos

Um grau alto de organização, encontrado em cristais, é um tema estrutural importante no desenvolvimento de biomateriais híbridos. Isso é a rota de propriedades físicas e também é o fundo ao progresso excitante que é feito em auto-organização.

Engenharia de tecidos

Há duas grandes estratégias para a engenharia de tecidos. Uma é materiais baseados em organização celular automática e produção correta para novos tecidos, como tentar criar massas celulares grandes por crescimento de células em um substrato de polímero sintético. Para alcançar que haja, através leitura de sinais biológicos a auto-organização celular e respostas particulares organizadas.

A primeira estratégia é fabricar tecidos onde a estrutura microscópica é menos crítica, como em cartilagem auricular ou em estruturas como tubos onde as camadas de células envolvem forma naturais e estáveis. A característica central da aproximação biológica é prover espaço, direcional e limitando os sinais celulares que desenvolvem in-itro. Sugestões de reguladores podem ser características químicas, mecânicas, topográficas e/ou de forças eletromagnéticas em substratos. Esta aproximação biológica provê maior potencial para produzir complexos, tecidos de multilcamadas, a possibilidade de sinterizar arquiteturas complexas (por exemplo, a exigência mínima em tendões e substituições de ligamentos devem alinhados axialmente à estrutura de fibra de colágeno), e um controle da interface com a célula para produzir aderência.

Auto-organização e estruturas ordenadas

A auto-organização é um tema principal por gerar estruturas ordenadas. Moléculas chamadas octapeptídeos cíclicos podem formar nanotubos regulares. Estes nanotubos podem se auto-ajustar dentro de membranas de lipídios para funcionar como canais de transporte de íons - tais canais podem ser farmacologicamente muito úteis como veículos potenciais para entrega de drogas em células vivas. O processo de sol-gel para a síntese de cerâmica porosa pode prover xerogéis que contêm poros cilíndricos orientados, em uma escala micro - e podem ser sintetizados materiais de óxidos com mesoporos com estruturas bem definidas e com tamanho de poros que variam de 0.5-2.0nm ou até 20nm com técnicas de processo alternativa. Cerâmico ou recobrimentos de cerâmicas podem fazer bem nas aplicações clínicas no futuro próximo

Controle de Ordem e Orientação

Um exemplo final da habilidade para controlar a ordem e a orientação é determinada em um recente artigo por Belcher et al, onde viram em estudos in-vitro da cristalização do carbonato de cálcio na presença de proteínas polianionica solúveis de conchas de moluscos. O artigo conclui que ‘estas proteínas só são suficientes para controlar a fase cristalina, enquanto seja permitido trocar abruptamente e sequencialmente entre a aragonita e a calcita sem a necessidade de uma folha interveniente... componentes orgânicos solúveis podem mostrar maior crescimento do biomineral hierárquico, oferecendo o prospecto de controle de fase semelhante em química de materiais '.

Tecnologias de sensores

A identificação de sensor como um tema importante coincide com o desenvolvimento rápido de tecnologias dos sensores. Esta é uma exigência clínica a muito tempo, mas requer medidas sensíveis e avançoes em passos pequenos. As aplicações médicas de sensores acústicos recentemente formulados incluem calibração de Doppler ultra-sônico, diagnose e monitorando a longo prazo de osteoporose, cirurgia não-invasiva, tratamento de litotrofia por ondas de choque, e tratamento com ultra-som de alta para câncer.

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