Биоматериалы — единственное направление в материалах, где среда применения живая и активно реагирует на то, что в неё помещают.
Один этот факт перестраивает всю дисциплину.
Среда отвечает
Имплантированный материал сталкивается с тёплой, солёной, химически активной средой при контролируемой температуре, под циклической механической нагрузкой, годами или десятилетиями, без обслуживания и без осмотра.
Уже это было бы требовательно. Труднее то, что тело реагирует.
Белки адсорбируются за секунды. Что бы вы ни имплантировали, биологическая система встречает белковый слой, сформировавшийся на его поверхности, а состав этого слоя зависит от химии поверхности.
Клетки реагируют на поверхность. Текстура, химия, жёсткость и смачиваемость — всё это влияет на то, прикрепляются ли клетки, что они делают и какие сигналы подают.
Воспалительный ответ следует за любой имплантацией. Вопрос не в том, возникнет ли он, а в том, как он разрешится.
Фиброзная капсуляция — обычное дело. Тело отгораживает чужеродный материал, что для одних изделий приемлемо, а для других — например, для датчиков — разрушает функцию.
Вы проектируете не деталь, которая находится в среде. Вы проектируете границу раздела, о которой живая система будет договариваться всю оставшуюся жизнь пациента.
Что охватывает это направление
Область: материалы имплантатов, тканевые границы раздела, биоразлагаемые и регенеративные материалы.
Четыре области.
Классы материалов. Металлы для несущих нагрузку имплантатов, полимеры для мягких тканей и разлагаемых изделий, керамика для поверхностей трения и контакта с костью, а также композиты и гидрогели.
Биосовместимость. Что она значит, как её оценивают и почему это свойство материала в конкретном применении, а не материала самого по себе.
Граница раздела с тканью. Химия поверхности, топография, адсорбция белков и ответ клеток.
Разложение и регенерация. Материалы, спроектированные для исчезновения, и каркасы, спроектированные для замещения тканью.
Четыре способа, которыми имплантаты реально отказывают
Редко — разрушение материала как такового, хотя именно от этого инстинктивно проектируют большинство инженеров.
Частицы износа. В эндопротезах суставов мелкие частицы, образующиеся на поверхностях трения, вызывают биологический ответ, который может привести к потере костной ткани вокруг имплантата и его расшатыванию. Устройство не сломалось. Оно теряло частицы, и тело на них отреагировало.
Экранирование нагрузки. Металлический имплантат, намного более жёсткий, чем кость, берёт на себя нагрузку, которую раньше несла кость. Кость ремоделируется в зависимости от нагрузки, поэтому она истончается. Проблему вызывает механическое несоответствие, а не отказ материала.
Инфекция на поверхности. Бактерии способны колонизировать поверхности имплантатов и формировать биоплёнки, устойчивые и к иммунному ответу, и к антибиотикам. Это проблема поверхности и главная причина ревизионных операций.
Отказ границы раздела. Расшатывание между имплантатом и тканью или костью — там, где фиксация была недостаточной или биологическая интеграция не произошла.
Общая нить для кадрового плана: важная способность — это понимание поверхности и границы раздела, а большинство инженерного образования обращено к объёмным свойствам.
Где это находится внутри домена
Биоматериалы — седьмое из одиннадцати направлений в домене продвинутых материалов Astra Trainer, опирающееся на металлургию в части сплавов для имплантатов, на полимеры в части разлагаемых и мягких изделий, на керамику в части поверхностей трения, на поверхностную инженерию в части покрытий и текстуры, и на нанотехнологии в части систем доставки.
Практически всегда его планируют вместе с доменом медицины и здоровых технологий, где медицинские изделия и биомедицинская инженерия охватывают регуляторный слой и слой design control, а анатомия и физиология человека охватывают саму среду. Партнёрам в медтехе обычно нужны оба направления сразу. Здесь можно увидеть все одиннадцать направлений.
Разлагаемые материалы, где проектируют именно скорость
Самая концептуально своеобразная часть направления.
Некоторые изделия проектируют так, чтобы они исчезали: рассасывающиеся швы, разлагаемые фиксирующие винты, системы доставки лекарств, тканевые каркасы. Переменная проектирования — скорость, и обе ошибки в ней — это отказ.
Слишком быстрое разложение означает, что изделие перестаёт держать нагрузку раньше, чем ткань способна её нести, и восстановление проваливается.
Слишком медленное разложение означает, что чужеродное тело остаётся дольше, чем задумано, продлевая воспалительный ответ и иногда сводя на нет саму цель использования разлагаемого материала.
Три вещи, из-за которых скорость трудно контролировать.
Разложение зависит от пациента. Оно варьируется в зависимости от места, кровоснабжения, нагрузки и индивидуальной биологии, поэтому скорость, измеренная в лаборатории, — это лишь оценка.
Продукты разложения имеют значение. Некоторые дают кислотные побочные продукты, которые могут вызвать локальную реакцию ткани, если накапливаются быстрее, чем выводятся.
Механические свойства падают в процессе разложения. Изделие слабеет на протяжении всего срока службы, поэтому расчётный случай — это движущаяся, а не фиксированная цель.
Каркасы для тканевой регенерации усложняют это ещё сильнее: материал должен разлагаться примерно с той же скоростью, с какой формируется новая ткань, — а это задача координации между изготовленным объектом и биологическим процессом.
Роли по именам
Учёные и инженеры по биоматериалам в компаниях медицинских изделий.
Специалисты по поверхностной инженерии имплантатов. Покрытия, текстурирование и модификация поверхности — там, где решается значительная часть характеристик изделия.
Специалисты по биосовместимости и доклиническим испытаниям. Разрабатывают и интерпретируют программу испытаний — это одновременно регуляторное требование и техническое суждение.
Специалисты по анализу отказов извлечённых имплантатов. Малочисленная, ценная и дефицитная роль, источник большей части реального знания в этой области.
Инженеры по материалам и процессам в производстве имплантатов, включая производство в чистых помещениях и влияние стерилизации на материалы.
Учёные по тканевой инженерии и каркасам.
Специалисты по комбинированным продуктам «лекарство — устройство», где материал переносит и высвобождает лекарство.
Регуляторные специалисты с глубоким знанием материалов, способные защитить выбор материала в регистрационном досье.
Кого можно обучить этому
Инженеры по материалам из других отраслей. Владеют пониманием объёмных материалов, и им нужен слой биологической границы раздела плюс регуляторная база. Самый частый путь.
Инженеры медицинских изделий. Понимают регуляторную среду и часто не имеют глубины в материалах — это обратная конверсия и она столь же полезна.
Химики. В модификацию поверхности, разлагаемые полимеры и работу с комбинированными продуктами.
Биологи и биомедицинские учёные. Понимают тканевый ответ, и им нужна половина, связанная с материалами и инженерией.
Производственный персонал из регулируемого производства. Из фармацевтики или авиастроения — в производство имплантатов, где культура чистоты и прослеживаемости переносится напрямую.
Лабораторный персонал. В испытания на биосовместимость и характеризацию.
Это направление встроено в регулирование медицинских изделий. Имплантируемые изделия — это регулируемая продукция, требующая соответствия применимым нормам на каждом рынке, биологической оценки по признанным стандартам, сертификации системы менеджмента качества, клинических данных и пострегистрационного надзора. Валидация стерилизации — сама по себе отдельная регулируемая деятельность. Обучение развивает понимание материалов и границы раздела и готовит людей к работе в этой системе. Оно не является биологической оценкой, регуляторным одобрением или правом выводить изделие на какой-либо рынок, а направление медицинских изделий в домене медицины и здоровых технологий должным образом охватывает эту систему.
Что взять с собой
Среда живая и реагирует, поэтому граница раздела решает исход чаще, чем объёмные свойства.
Химия и текстура поверхности определяют биологический ответ, а значит два имплантата из одного сплава могут вести себя совершенно по-разному.
Большинство отказов — это частицы износа, экранирование нагрузки, инфекция на поверхности или расшатывание границы раздела, и ни одно из них не разрушение материала.
Разлагаемые изделия проектируют вокруг скорости, которая зависит от пациента, а механические свойства падают на протяжении всего срока службы.
А две полезные конверсии идут в противоположных направлениях: инженерам по материалам нужны биология и регуляторика, инженерам медицинских изделий — глубина в материалах.
Чем работа с биоматериалами отличается от остальных материалов?
Среда отвечает. Белки адсорбируются за секунды, клетки реагируют на поверхность, а любая имплантация вызывает воспалительный ответ. Исход обычно решает граница раздела, а не объёмный материал.
Почему имплантаты отказывают?
Обычно из-за частиц износа, вызывающих потерю костной ткани, экранирования нагрузки, из-за которого кость истончается, инфекции на поверхности и биоплёнки, или расшатывания на границе раздела. Разрушение материала как такового встречается редко.
В чём сложность разлагаемых изделий?
Скорость и есть проект. Разложение быстрее заживления ткани лишает опоры; более медленное продлевает реакцию на чужеродное тело. Скорость зависит от пациента и места, а прочность падает на протяжении всего срока службы.
Кто переходит в эту область?
Инженеры по материалам, которым нужны биологическая граница раздела и регуляторный слой, и инженеры медицинских изделий, которым нужна глубина в материалах. Химики — в модификацию поверхности и разлагаемые полимеры.
Где это находится в домене?
Седьмое из одиннадцати направлений в домене продвинутых материалов Astra Trainer, почти всегда планируется вместе с медицинскими изделиями в домене медицины и здоровых технологий. Смотрите их здесь.