biocom

BAB 4

Biokompatibilitas DAN JARINGAN KERUSAKAN

4.1. PENDAHULUAN DAN TUJUAN

Tidak mungkin untuk menyangkal dampak besar yang dibuat oleh aplikasi fisika dan teknik untuk kedokteran.

Ada dapat sedikit dari kita yang tidak akan mengalami dampak ini secara langsung telah memiliki mengisi gigi atau

x-ray untuk tulang yang patah. Kita cenderung knowsomeone yang telah memiliki pinggul penggantian sendi atau USG

memindai selama kehamilan. Sebagian besar teknologi ini didirikan semua baik dan manfaat

dinilai lebih besar daripada risiko potensial.

Namun, tidak ada perawatan benar-benar tanpa bahaya dan keseimbangan risiko dan manfaat dapat

sulit untuk menilai. Hal ini tidak hanya dampak potensial dari newtreatments yang harus diperhatikan. Kami meningkatkan

pemahaman tentang interaksi antara teknologi dan sel-sel, jaringan dan sistem manusia

tubuh dapat menyebabkan kita untuk menilai kembali secara teratur setiap situasi dan perawatan harus terus dievaluasi kembali sebagai

informasi klinis terakumulasi. Dampak dari beberapa potensi bahaya yang jelas terutama di mana safetycritical

sistem yang bersangkutan (lihat Bab 22). Lainnya mungkin lebih halus andlonger reachingandmayaffect

jaringan-jaringan pada jarak tertentu dari situs pengobatan. Jika terjadi masalah itu tidak mungkin untuk hanya menghapus

perangkat atau menarik pengobatan. Perhatian yang timbul dari potensi bahaya keracunan merkuri dari

amalgam gigi adalah contoh yang baik dari ini, seperti penghapusan tambalan oleh pengeboran akan meningkatkan pasien

paparan efek toksik.

Dalam bab ini kita akan mengidentifikasi beberapa konsekuensi biologis potensi teknologi ini.

Kami akan menjawab pertanyaan-pertanyaan berikut:

• Bagaimana jaringan berinteraksi dengan biomaterial?

• Bagaimana interaksi dinilai?

• Bagaimana efek interaksi yang merugikan diminimalkan?

Bila Anda telah selesai bab ini, Anda harus menyadari:

• Arti dari istilah 'biokompatibilitas'.

• Kisaran aplikasi biomaterial dalam tubuh manusia.

• Efek dari lingkungan biologis pada implan.

• Respon jaringan potensi untuk implan.

• Beberapa metode yang digunakan dalam pengujian bahan implan

Biokompatibilitas bukanlah subjek mudah untuk alamat. Bahkan tidak mudah untuk menentukan, tetapi tidak ada keraguan bahwa

subjek penting. Tidak mungkin untuk membahas subyek biokompatibilitas tanpa menggunakan bahasa

biologi dan latar belakang yang wajar dalam biologi diasumsikan bagi mereka membaca bab ini. Dalam mempertimbangkan

kerusakan jaringan kita dapat melihat pada tingkat sel dan efek satu sel di atas yang lain. Kami juga dapat melihat

Hak Cipta © 1999 IOP Publishing Ltd

efek dari sumber energi eksternal seperti radiasi elektromagnetik dan USG. Bab 7 dan 8

berurusan dengan USG dan non-pengion radiasi, masing-masing. Radiasi pengion adalah subyek dari Bab 5.

Namun, kami tidak berusaha untuk menutupi subjek kerusakan pada tingkat sel dari radiasi pengion.

Radiobiologi merupakan subjek penting yang kita tidak bisa berharap untuk menutupi hanya dalam fewpages. Bibliografi di

akhir bab ini memberikan referensi untuk beberapa teks tentang hal ini.

4.1.1. Struktur sel dasar

Sel adalah blok bangunan fromwhich kita dibuat. Mereka biasanya transparan bila dilihat melalui

mikroskop cahaya dan memiliki dimensi biasanya dalam kisaran 1-100 μ m. Studi tentang sel disebut sitologi

dan telah dimungkinkan oleh perbaikan dalam mikroskop cahaya dan, baru-baru ini, perkembangan tersebut

sebagai orang-orang dari mikroskop fase kontras, mikroskop elektron dan permukaan-scanning mikroskop.

Hampir semua sel memiliki membran yang mengelilingi lipid dan protein yang mampu mengontrol bagian ini

bahan ke dalam dan keluar dari sel. Membran adalah sekitar 10 nm (10-8 m) tebal dan kemampuannya untuk memilah

ion yang berbeda adalah dasar dari semua perubahan elektrofisiologi. Struktur yang paling jelas dalam sel adalah

inti. Inti mengandung bahan penting untuk pembelahan sel, seperti deoxyribonucleic acid (DNA), yang

materi genetik dari sel. The DNAcarries dan mengirimkan informasi turun-temurun dari spesies dalam bentuk

gen. Proses pembelahan sel yang disebut mitosis. Inti ini dikelilingi oleh cairan yang disebut sitoplasma

di mana adalah struktur lain seperti mitokondria retikulum endoplasma dan aparatus Golgi. Semua

struktur ini berkontribusi pada proses rumit metabolisme sel.

Atom dapat bergabung bersama-sama oleh proses interaksi elektronik. Pasukan yang menahan mereka

bersama-sama disebut ikatan kimia. Ikatan Acovalent terbentuk ketika dua atom berbagi sepasang elektron, tetapi

dua atom juga dapat berbagi hanya satu elektron dan mereka kemudian diselenggarakan bersama oleh tarik-menarik elektrostatik sebagai

ikatan ion. Ikatan ion jauh lebih lemah daripada ikatan kovalen. Ada juga ikatan lemah lainnya seperti

obligasi Waal hidrogen obligasi dan van der, yang umum di bahan biologis.

Ikatan kimia yang rumit meskipun subjek dikembangkan dengan baik, tapi mudah untuk menghargai

pentingnya elektron untuk struktur biologis dalam bahwa mereka formthe 'lem' yang memegang segala sesuatu bersama-sama.

Jelas radiasi pengion akan mengganggu ikatan kimia ini. Energi hadir di pengion

radiasi akhirnya muncul sebagai panas jika diserap dalam jaringan. Jumlah panas sangat kecil (lihat bagian 5.6)

dan itu bukan metode kemungkinan kerusakan jaringan. Hal ini hanya mungkin bahwa pemanasan lokal, ketika sebuah partikel pengion adalah

diserap, dapat menyebabkan kerusakan tetapi metode yang lebih mungkin kerusakan adalah untuk target sensitif dalam struktur

molekul biologis. Ini adalah proses ionisasi yang menyebabkan sebagian besar kerusakan dan itu untuk alasan ini bahwa

unit pengukuran dosis (lihat Bab 5) didasarkan pada jumlah elektron yang dilepaskan oleh radiasi.

4.2. Biomaterial DAN biokompatibilitas

Sebelum mempertimbangkan penggunaan biomaterial dalam pengobatan pertama kita perlu menyepakati apa yang kita bicarakan.

Ketika browsing melalui kekayaan sastra yang ditulis pada perangkat implan dan organ buatan Anda akan menemukan

berbagai definisi untuk menggambarkan sebuah biomaterial. Tidak ada satu interpretasi 'benar' dan banyak mencerminkan

bunga penulis dalam aplikasi biomaterial tertentu. Jonathan Black (lihat Hitam 1992) telah menciptakan sebuah

definisi generik sesuai yang pas dengan gambaran yang luas dibahas dalam bab saat ini. Dia menyatakan

bahwa:

Biomaterial adalah bahan asal alami atau buatan manusia yang digunakan untuk langsung menambah atau

menggantikan fungsi jaringan hidup.


Sebuah biomaterial yang mampu eksis dalam lingkungan fisiologis tanpa merugikan yang signifikan

efek pada tubuh, atau efek samping yang signifikan pada materi dikatakan 'biokompatibel'. Seperti yang akan Anda lihat

kemudian, ada macam spectrumof derajat potensi interaksi dan definisi ini dapat diartikan dalam banyak

cara.

4.2.1. Penggunaan biomaterial

Penggunaan bahan buatan manusia untuk menggantikan jaringan yang sakit atau rusak dan organ telah menjadi semakin

daerah penting dalam praktek medis saat ini (lihat tabel 22.1). Sementara tingkat keberhasilan prosedur yang melibatkan

penggunaan biomaterial telah meningkat, kita tidak bisa mengucapkan selamat kepada diri kita sendiri pada pengenalan ide baru

sebagai sejarah biomaterial kembali ratusan tahun. Penggunaan logam untuk fiksasi patah tulang

pertama kali dilaporkan pada 1775. Dua dokter Perancis digunakan kawat logam untuk memperbaiki humerus retak. Sayangnya,

kawat tidak steril dan pasien meninggal karena infeksi (Guthrie 1903).

Mayoritas perkembangan telah terjadi selama 30 tahun terakhir dan studi biomaterial

sekarang menjadi disiplin dalam dirinya sendiri. Desain implan bukan hanya domain dari insinyur tetapi membutuhkan

masukan dari ahli kimia, ahli biologi dan fisika. Kita sekarang telah mencapai tahap ketika ada beberapa bagian dari

tubuh manusia yang tidak dapat setidaknya sebagian digantikan oleh perangkat buatan manusia (lihat gambar 4.1).

Pacemaker Gambar 4.1., Katup jantung bioprosthetic, pinggul dan lutut penggantian sendi yang tidak tersedia

dalam waktu Abraham Lincoln.


Selain perangkat implan ada sejumlah sistem extracorporeal yang bersentuhan

dengan darah pasien, ini termasuk ginjal buatan (haemodialyser) dan oxygenator darah (lihat

bagian 22.3.3 dan 22.3.2, masing-masing).

Beberapa perangkat seperti piring fraktur fiksasi dimaksudkan untuk penggunaan jangka pendek dan biasanya dihapus

setelah patah tulang telah sembuh. Implan lainnya, untuk katup jantung misalnya (lihat bagian 22.3.1), pembuluh darah

cangkokan dan prostetik sendi, telah dikembangkan untuk digunakan permanen.

Harapan kita meningkat dalam kasus implan permanen. Pada suatu waktu, itu cukup bahwa

implan harus mengurangi rasa sakit dan mengembalikan beberapa fungsi untuk fewyears. Kami nowexpect 20 tahun atau lebih

keandalan fungsional. Untuk menghindari kegagalan prematur dari perangkat yang kita butuhkan untuk memproduksi mereka dari tahan lama

bahan yang mendapatkan respon host yang sesuai.

4.2.2. Pemilihan bahan

Kisaran bahan yang berbeda diperlukan, dengan bahan kimia yang benar dan sifat fisik untuk menghasilkan cocok

pengganti buatan, sangat besar. Ini berkisar dari polimer yang diperlukan untuk membuat tabung untuk digunakan sebagai darah

pembuluh, saluran air mata atau kerongkongan, dengan bahan yang fleksibel dengan kekuatan tarik tinggi diperlukan untuk tendon

pengganti dan untuk bahan resorbable berpori untuk digunakan sebagai pengganti tulang.

Pemilihan bahan yang cocok untuk aplikasi tertentu adalah sangat penting. Dalam membuat

pilihan ini kita harus mempertimbangkan sifat fisik dan kimia dari material dan memiliki pemahaman

dari cara di mana ini dapat berubah setelah implan dimasukkan ke dalam lingkungan biologis. Di

pertama, diyakini bahwa biomaterial yang ideal adalah salah satu yang tetap kimia inert. Kita sekarang tahu

bahwa ini adalah sering tidak pantas. Biomaterial modern sering dikembangkan dengan tujuan menghasilkan sebuah

'sesuai' respon host. Dalam konteks ini, kontrol antarmuka antara biomaterial dan pasien yang

jaringan alam sangat penting.

Banyak faktor yang harus dipertimbangkan ketika memilih sebuah biomaterial. Implan yang tunduk diulang

pemuatan harus diproduksi frommaterials yang memiliki kekuatan mekanik yang memadai dalam hal statis dan

beban kelelahan (lihat bagian 1.2.1). Dalam rangka membangun ini kita harus memiliki pemahaman tentang beban, siklus

harga dan jumlah siklus pembebanan yang akan dihadapi. Untuk prostesis jantung jumlah siklus mungkin

relatif mudah untuk memperkirakan tetapi beban yang bekerja pada masing-masing komponen katup sulit

menentukan. Untuk sendi pinggul itu bisa sangat sulit untuk memperkirakan jumlah siklus tetapi beban lebih mudah untuk

perkiraan.

Kompleksitas situasi ini dapat diilustrasikan dengan mengacu pada ligamen anterior cruciate di

lutut. Ligamentum ini terletak dalam sendi lutut mana itu melekat kedua femur (tulang paha) dan

tibia (tulang kering). Ini adalah salah satu ligamen penting yang menjaga stabilitas lutut. Penggantian

ligamen ini sering dilakukan sebagai akibat dari cedera olahraga. Pasien mungkin akan relatif muda dengan

persyaratan ideal yang implan harus berfungsi memuaskan selama sisa hidup mereka. Konsekuensi

ini ditunjukkan dalam tabel 4.1, yang mengasumsikan tingkat yang wajar aktivitas. Jika pasien adalah antusias

olahragawan tuntutan mungkin jauh lebih tinggi.

Dalam beberapa kasus sifat dapat dipilih yang, pada pertimbangan pertama, mungkin tampak kurang ideal. Saya t

tampaknya logis untuk menghasilkan prosthesis sendi pinggul yang mampu menahan beban tertinggi

tanpa patah. Dalam prakteknya, hal ini dapat menimbulkan masalah bagi dokter seperti, jika sendi tunduk pada

biasa beban tinggi, seperti mungkin terjadi selama musim gugur misalnya, tulang dapat patah sekitar implan

dan operasi kompleks mungkin diperlukan untuk memperbaiki kerusakan. Dalam konteks ini ada komplikasi ditambahkan sebagai

banyak pinggul prostesis sendi digunakan untuk memperbaiki pinggul retak pada wanita lanjut usia yang memiliki kualitas yang buruk karena tulang

osteoporosis. Dalam hal ini tulang mungkin terlalu lemah untuk mendukung prostesis. Sifat fisik lainnya untuk

dipertimbangkan termasuk kekakuan, kekerasan, ketahanan korosi dan ketahanan aus.

Setiap bahan yang akan ditanamkan harus disterilkan sebelum digunakan. Metode umum sterilisasi

meliputi: sterilisasi kimia, panas kering, sterilisasi uap, gas (etilen oksida) dan iradiasi gamma. The


Tabel 4.1. Kebutuhan untuk penggantian ligamen anterior cruciate. (Diadaptasi dari Chen dan Hitam

1980).

Pengganti cruciatum anterior ligamen

Pengganti tetap

Pengganti pasca-trauma: usia pasien 35-48 thn

Perkiraan harapan hidup: 40 tahun

Kondisi mekanik: regangan (kisaran maksimum): 5-10%

beban: tingkat aktivitas moderat, termasuk joging rekreasi

Kegiatan puncak beban (N) Siklus / tahun Jumlah siklus

Tangga: ascending 67 4 2 × 104 1 7 × 106..

turun 133 3. 5 × 104 1. 4 × 106

Ramp berjalan: naik 107 3 7 × 103 1 5 × 105..

turun 485 3. 7 × 103 1. 5 × 105

Duduk dan timbul 173 7. 6 × 104 3. 0 × 106

Undefined <210 9. 1 × 105 3. 6 × 107

Tingkat berjalan 210 2. 5 × 106 1. 0 × 108

Jogging 630 6. 4 × 105 2. 6 × 107

Menyentak 700 1. 8 × 103 7. 3 × 105

Total 4. 2 × 106 2. 9 × 108

proses tertentu untuk bahan tertentu harus dipilih dengan hati-hati sebagai metode dapat mempengaruhi sifat

material.

4.2.3. Jenis biomaterial dan sifat mereka

Awalnya, relatif sedikit bahan yang digunakan dan bagian-bagian buatan yang desain relatif sederhana. Untuk

Misalnya, stainless steel secara luas digunakan. Dalam tahun-tahun telah terjadi peningkatan eksponensial dalam

baik jumlah aplikasi klinis dan berbagai bahan yang digunakan.

Bahan A harus dipilih untuk penggunaan tertentu atas dasar sifat-sifatnya. Sifat ini, apakah

mekanik, fisik atau kimia di alam, terkait dengan struktur yang melekat material. Bahan yang

diselenggarakan bersama oleh ikatan antar atom. Ini mungkin, agar kekuatan, ionik, logam, kovalen atau van der

Obligasi Waals.

Ada tiga kategori utama dari biomaterial; logam, polimer dan keramik / karbon. Kami akan

pertimbangkan ini pada gilirannya.

Logam

Ini memiliki susunan teratur atom yang membentuk struktur kristal. Obligasi interatomik terbentuk karena

tarik elektrostatik awan elektron bebas. Obligasi ini kuat namun kurang directionality.

Logam cair memantapkan sekitar beberapa fokus yang mengakibatkan pembentukan butir. Biji-bijian sangat

memerintahkan daerah dengan ikatan hampir secara eksklusif logam. Batas butir mengandung kotoran dan situs

kelemahan yang melekat. Kekuatan berbanding terbalik dengan ukuran butir; semakin kecil ukuran butir, semakin kuat

materi. Metode penyusunan materi mempengaruhi sifat dari logam selesai. Logam cor

memiliki biji-bijian yang lebih besar dan karena itu cenderung lemah. Dalam logam tempa struktur butir cacat. Ini

memberikan peningkatan kekuatan.


Paduan sering digunakan dalam preferensi untuk logam murni untuk pembuatan peralatan medis. Pembentukan

paduan melibatkan penambahan satu atau lebih elemen ke logam induk. Hal ini menyebabkan peningkatan mekanik

properti.

Geometri dan anatomi pembatasan kompleks yang membatasi maximumsize dari implan dapat membuat

daerah stres yang tinggi dalam perangkat selesai. Dalam implan ortopedi, modulus elastisitas tulang dan

implan dapat bervariasi tergantung urutan besarnya, dengan hasil bahwa sebagian besar beban mekanik dilakukan oleh

implan. Untuk alasan ini, bahan kekuatan tinggi diperlukan.

Kekuatan material harus dipertahankan dalam lingkungan yang sangat bermusuhan. Paparan dari

implan logam dengan lingkungan biologis dapat disamakan dengan paparan dari bodi mobil untuk air laut. Perlawanan

korosi di lingkungan klorida yang mengandung air merupakan persyaratan penting untuk logam implan.

Jenis dan sifat fisik dari logam yang digunakan

Penggunaan utama dari logam adalah dalam pembuatan implan ortopedi. Baja tahan karat merupakan yang pertama

jenis logam yang akan digunakan secara klinis. Ketahanan korosi dapat ditingkatkan dengan penambahan molibdenum.

Saat ini, stainless steel atau titaniumalloys biasanya digunakan untuk tujuan ortopedi. Cobalt-kromium,

kobalt-kromium molybdenumand kobalt-nikel-kromium-molybdenumalloys juga digunakan.

Semua bahan implan logam yang padat, kuat dan memiliki modulus elastisitas lebih tinggi dari tulang (lihat

Bagian 1.2.2). Modulus elastisitas tulang kortikal kompak manusia adalah 14 000-21 000 MPa yang 10 kali

kurang dari stainless steel dan lima kali lebih sedikit dibandingkan dengan paduan Ti. Titanium dan titanium paduan

juga memiliki keuntungan dari kepadatan rendah bila dibandingkan dengan baja tahan karat. Hal ini ditambah dengan tinggi

kekuatan dan tingkat yang sangat rendah korosi. Semakin rendah kepadatan mengurangi berat implan dan karenanya

mengurangi kesadaran implan oleh pasien. Modulus elastisitas yang lebih rendah dari memberikan implan 'springier'

dan mengurangi tekanan di sekitar implan, karena lebih mampu melenturkan dengan tulang. Hal ini sangat penting untuk

kesejahteraan dari tulang sekitarnya. Tulang perlu terkena stres mekanik untuk pemeliharaan

kepadatan tulang. Dalam situasi di mana sebagian besar beban diambil oleh implan, tulang sekitarnya diserap

dan melonggarnya implan dapat menyebabkan.

Kami belum mengembangkan implan logam yang memiliki sifat yang adalah sesuatu seperti tulang dengan

berinteraksi whichit. Di bawah loadingconditions fisiologis tulang berperilaku sebagai bahan komposit, sementara logam

berperilaku bahan elastis yang sederhana. Secara umum dengan semua jaringan biologis, tulang adalah bahan viskoelastik,

sehingga kita harus memodelkan perilaku mekanik dalam hal kombinasi dari unsur-unsur elastis dan kental (lihat

Bab 1, Bagian 1.2.4).

Polimer

Polimer adalah bahan dengan berat molekul tinggi rantai panjang terbentuk dari mengulangi unit atau monomer. Ini

bergabung dengan ikatan kovalen yang, tidak seperti obligasi logam, yang sangat terarah tapi tidak sangat kuat. Kekuatan

dapat ditingkatkan dengan ikatan kovalen terbentuk antara rantai, ikatan ion antara kelompok sisi diisi dan

oleh ikatan van der Waals (tarik difus antara kelompok hidroksida (OH-) dan hidrogen, oksigen dan

atom nitrogen).

Sifat-sifat polimer dapat disesuaikan dengan tujuan tertentu oleh sejumlah cara yang berbeda:

• dengan menggabungkan monomer yang berbeda untuk membentuk kopolimer;

• dengan mengendalikan tingkat polimerisasi;

• dengan mengendalikan tingkat silang (ikatan ion) antara rantai polimer yang berdekatan;

• oleh penggabungan bahan kimia tambahan (ini melumasi gerakan antara rantai polimer dan meningkatkan

fleksibilitas).

Saluran dibuat dari anyaman atau rajutan polimer seperti Dacron dan Teflon telah digunakan sebagai pengganti

pembuluh darah sejak 1950-an. Jenis lain dari polimer yang digunakan dalam berbagai prosedur yang berbeda termasuk


digunakan sebagai implan massal untuk mengisi ruang-ruang di operasi plastik dan digunakan sebagai tabung dan serat dalam penggantian tendon. Berpori

polimer telah digunakan untuk memfasilitasi ingrowth jaringan. Polimer yang dibuat di formof berpori padatan oleh

Selain dari berbusa agen selama polimerisasi atau kain sebagai berpori yang dibuat oleh felting atau tenun. Berpori

bahan dari jenis ini digunakan untuk: cangkokan pembuluh darah, koreksi defek septum dan jahitan. Bahan khas

meliputi: Teflon, Orlon, sutra dan polypropylene.

Dalam hal sifat fisik polimer viskoelastik (lihat bagian 1.2.4), di mana deformasi adalah baik

waktu dan bergantung pada temperatur.

Polimer biomedis dapat diklasifikasikan sebagai elastomer atau plastik. Elastomer adalah rantai panjang

molekul dan, dengan demikian, dapat menahan deformasi besar. Ketika dibongkar mereka kembali ke dimensi asli mereka,

misalnya Silastic (siliconerubber), Plastik Esthane (polyurethane). aremorerigid. Theyaresub-dibagi

menjadi dua jenis: termoplastik dan termoset plastik. Termoplastik dapat dipanaskan dan direnovasi seperti

lilin. Teflon (PTFE), PVC, plastik, selulosa asetat dan nilon merupakan contoh dari kelompok ini. Thermosetting

plastik tidak dapat digunakan kembali, sebagai reaksi kimia yang terjadi saat mereka formare ireversibel. Epoxy resin

adalah contoh dari plastik termoseting. Ini digunakan sebagai encapsulants untuk perangkat elektronik implan

seperti alat pacu jantung.

Polimer khusus yang digunakan dalam peralatan medis

Beberapa contoh polimer yang biasa digunakan sebagai biomaterial diberikan di bawah ini.

Polyethylene. Polyethylene tersedia dengan berbagai kepadatan. Kekuatan tarik, kekerasan, dan kimia

resistensi dari bahan meningkat dengan kepadatan. Berat molekul ultra-tinggi (UHMW) dan ultra-tinggi

berat molekul tinggi-density (UHMWHD) polietilena (berat molekul di kisaran 1,5-2 × 106)

dan digunakan untuk cangkir acetabular di pinggul buatan atau untuk permukaan bantalan dari protesa lutut buatan. The

Bahan dapat mesin atau dibentuk.

Polymethylmethacrylate (PMMA). Ini digunakan untuk berbagai macam aplikasi frombone semen yang digunakan untuk

memperbaiki prostesis bersama untuk tulang, untuk dialyser membran dan lensa implan.

Polyethyleneterephthalate atau Dacron. Ini digunakan, sebagai machinable solid, untuk memproduksi frame mendukung

untuk jantung prostesis katup dan sebagai serat. Hal ini dapat tenunan atau rajutan untuk digunakan sebagai pembuluh darah dan bingkai penutup.

Karet silikon. Ini ditemukan dalam prostesis payudara, jari prostesis bersama dan kateter.

Hidrogel. Ini adalah polimer hidrofilik (memiliki afinitas untuk air). Air ada di sedikitnya tiga

bentuk struktural tergantung pada konsentrasi air dalam hidrogel. Biokompatibilitas bahan

dipengaruhi oleh bentuk mendominasi. Hidrogel ini sudah banyak digunakan sebagai elektroda untuk ECG / EKG dan

pengukuran elektrofisiologi lainnya (lihat bagian 9.2.4 di elektroda).

Polyhydroxyethyl metakrilat (PHEMA). Setelah kering bahan ini kaku tetapi jika direndam dalam air

solusi menyerap air untuk membentuk gel elastis. Hingga 90% dari berat polimer terhidrasi mungkin

air, tergantung pada teknik fabrikasi yang digunakan. Bahan ini transparan dan sangat lentur saat basah,

tapi mudah mesin saat kering. Sifat ini membuat bahan yang ideal untuk pembuatan kontak

lensa.

Banyak hidrogel lemah mekanis. Untuk alasan ini mereka sering dicangkokkan ke bahan yang lebih keras

seperti karet silikon, poliuretan dan PMMA. Sejumlah teknik okulasi permukaan yang berbeda mungkin

digunakan, misalnya inisiasi kimia atau radiasi gamma. Contoh lain dari hidrogel termasuk alkohol polivinil

(PVA). PVA adalah calon yang sangat baik untuk tulang rawan artikular sintetis karena sifat hidrofilik nya,

kekuatan tarik tinggi, ketahanan aus dan permeabilitas.


Keramik

Kebanyakan keramik adalah struktur ionik terikat yang terdiri dari satu atau lebih elemen logam dengan satu atau lebih

elemen non-logam. Pengecualian adalah bahan kovalen terikat seperti karbon pirolitik.

Keramik memiliki titik leleh tinggi dan sulit, kaku dan memiliki kuat tekan yang tinggi. Utama

Kekurangannya adalah sifat rapuh mereka. Ini dapat dikurangi dengan meningkatkan kemurnian dan kepadatan materi atau

dengan mengurangi ukuran butir. Mereka digunakan dalam prostesis bersama, sebagai pengganti tulang dan dalam kedokteran gigi. Resorbable

keramik dirancang untuk perlahan-lahan digantikan oleh tulang. Mereka biasanya berpori dan mampu bertindak sebagai

perancah sementara untuk ingrowth tulang.

Penggunaan karbon dalam pembuatan perangkat medis menjadi semakin umum.

Sejumlah jenis yang tersedia:

• karbon Vitreous: ini dapat dibentuk, memungkinkan bentuk kompleks yang akan dibuat.

• karbon pirolitik: ini adalah normallycoatedonto substrat grafit tapi technologyhas beendeveloped

memungkinkan blok karbon pirolitik yang akan diproduksi. Ini kemudian dapat mesin.

• karbon berlian-seperti: ini adalah bahan yang relatif baru, yang dikembangkan untuk digunakan sebagai pelapis pada logam atau

substrat polimer.

• serat karbon: ini memiliki kekuatan tarik tinggi dan dapat dimasukkan ke dalam polimer untuk formcarbonfibre-

bahan diperkuat.

Bahan berbasis karbon yang kuat dan isotropik. Mereka juga memiliki keuntungan dari thrombogenicity rendah.

Tipe tertentu dapat diproduksi yang memiliki nilai-nilai modulus elastisitas dan kepadatan mirip dengan

tulang. Mereka telah menjadi sangat banyak digunakan. Misalnya, serat karbon yang diperkuat PTFE digunakan sebagai buatan

kartilago artikular. Serat karbon polysulphone digunakan untuk pembuatan pelat tulang. Tidak seperti tulang logam

piring, ini memiliki kekakuan yang mirip dengan tulang alami. Karbon pirolitik digunakan dalam pembuatan jantung

prostesis katup (lihat Bab 22).

4.3. BAHAN TANGGAPAN ATAS BIOLOGI LINGKUNGAN

Sifat material umumnya berhubungan dengan perilaku materi yang ketika mengalami berbagai jenis

energi, seperti mekanik, termal, elektromagnetik dan kimia. Jika salah satu bagian dari struktur menampilkan

kelemahan sehubungan dengan energi yang diterapkan, maka material akan rentan terhadap kerusakan atau kegagalan.

Perubahan materi yang mungkin terjadi setelah implantasi. Ini mungkin bermanfaat atau mereka dapat menyebabkan

kegagalan perangkat. Respon material juga mungkin berbeda dengan tempat implantasi. Sebagai contoh, pH

akan berbeda dengan situs anatomi seperti yang diilustrasikan pada tabel 4.3. Variabel lain yang dapat mempengaruhi implan mencakup

pO2, pCO2 dan suhu.

PH di beberapa situs di dalam tubuh Tabel 4.2..

Komponen jaringan pH

Isi lambung 1.0

Urine 4,6-6,0

Intraseluler cairan 6,8

Interstitial fluid 7.0

Vena darah 7.1

Arteri darah 7.4


Toksisitas merupakan faktor penting. Kemungkinan toksisitas biomaterial adalah pertimbangan utama. Untuk

Sebagai contoh, adalah penting bahwa prosedur manufaktur memastikan bahkan dan polimerisasi lengkap polimer

bahan. Kehadiran monomer sisa akibat polimerisasi yang tidak lengkap dapat bertindak sebagai iritan.

Polimerisasi mungkin selesai pada permukaan material, sementara monomer tetap lebih dalam dalam

sebagian besar material; mesin berikutnya dapat mengekspos monomer unpolymerized. Dalam kasus logam

implan pelepasan produk korosi dalam ion logam formof dapat mempengaruhi metabolisme sel

4.3.1. Logam

Dari dana sudut pandang teknik logam implan mungkin gagal dalam dua cara umum:

• mereka dapat menimbulkan korosi, atau

• fraktur.

Seperti yang akan kita lihat dua faktor ini tidak saling eksklusif dan korosi sering menyebabkan fraktur dari

perangkat. Selain itu, implan logam atau peralatan mungkin gagal karena memakai, menghasilkan, melonggarkan, biologi

ketidakcocokan atau infeksi.

Korosi logam

Implan awal dikaitkan dengan reaksi inflamasi kronis akibat paduan besi terlalu berkarat.

Bahkan korosi ringan mungkin memerlukan penghapusan implan. Gejala berkisar kelembutan fromlocal, untuk akut

nyeri, kemerahan dan pembengkakan, menunjukkan bahwa jaringan bereaksi terhadap implan.

Logam secara inheren rentan terhadap korosi karena produk korosi mewakili negara-energi yang lebih rendah.

Reaksi antara logam dan lingkungan berair yang elektrokimia di alam, melibatkan gerakan

ion logam dan elektron. Oksidasi logam (bertindak sebagai anoda), membutuhkan katodik setara

reaksi. Untuk implan reaksi katodik utama adalah pengurangan oksigen terlarut untuk membentuk hidroksida

ion,

O2 + 2H2O + 4e-

logam

_4OH-

.

Luka dan celah-celah di sekitar implan memiliki konsentrasi oksigen yang sangat rendah. Dalam lingkungan ini, pengurangan

air dapat terjadi,

2H2O + 2e-

logam

_H2 + 2OH-

.

Untuk logam ada perbedaan potensial antara logam dan solusi yang hanya berisi ion logam di

equilibriumwith hidrogen. Seri elektrokimia daftar potensial elektroda normal dari unsur

logam direferensikan ke elektroda hidrogen standar (lihat bagian 9.2.2). Logam dengan paling positif

potensial adalah logam mulia dan ini adalah yang paling reaktif.

Potensi diperoleh dalam air laut memberikan data berharga (lihat tabel 4.3). Air laut mengandung banyak

ion hadir dalam cairan jaringan, karena itu perintah adalah sama seperti yang diharapkan in vivo. Logam tinggi

dalam seri elektrokimia cenderung mengionisasi mudah, menyebabkan lapisan ganda listrik dengan muatan negatif.

Logam mulia tidak mengionisasi dengan mudah dan dapat membawa muatan permukaan positif. Seri galvanik di

air laut dapat digunakan untuk memprediksi secara kualitatif bagaimana dua logam akan saling mempengaruhi ketika kontak di

lingkungan fisiologis.

Hal ini penting ketika merancang perangkat multi-komponen mana penggunaan lebih dari satu logam mungkin

menjadi masalah jika perbedaan potensial elektro ada. Kondisi terburuk terjadi ketika logam katodik

besar (dalam kasus piring tulang, misalnya) dan logam anoda kecil (dalam hal ini, sekrup).

Jenis umum dari korosi korosi celah. Kesenjangan yang ditemukan antara pelat ortopedi

dan sekrup kepala daerah yang ideal untuk korosi celah terjadi, terutama dalam kondisi anaerob. Tingkat

korosi ditingkatkan bila konsentrasi oksigen rendah.


Tabel 4.3. Seri Galvanic logam dan paduan dalam air laut.

TERBURUK

Magnesium

Seng

Baja paduan rendah

Baja tahan karat

Tembaga

Nikel

Perak

Stainless steel, pasif †

Titanium

TERBAIK

† Pasifasi melibatkan perendaman logam di agen pengoksidasi,

misalnya asam nitrat. Ini mengental lapisan oksida pada permukaan

logam.

Kondisi implan remainthe faktor dominan. Inthe lingkungan fisiologis bermusuhan ada banyak

ion hadir dan permukaan logam bebas untuk membentuk film oksida pemasifan. Bahan masa kini berutang mereka

ketahanan korosi pada pembentukan oksida atau hidroksida di permukaan, yang mencegah kimia lebih lanjut

reaksi. Misalnya, stainless steel memiliki film permukaan krom oksida. Ketahanan korosi

titanium adalah karena lapisan erat mengikuti dari titanium oksida. Untuk film yang akan efektif lapisan kontinyu

harus dipertahankan.

Jenis khusus dari diagram kesetimbangan telah dikembangkan untuk menunjukkan bagaimana logam berperilaku di bawah

berbagai kondisi pH dan potensial. Ini disebut diagram Pourbaix (lihat Pourbaix 1966) dan satu untuk

kromium ditunjukkan pada gambar 4.2. Pourbaix diagram acara yang senyawa stabil pada nilai-nilai tertentu

pH dan potensial. Dalam prakteknya, logam dipilih dari orang-orang yang secara alami memiliki reaktivitas minimal atau

mereka di mana kecenderungan ditekan oleh pembentukan film oksida. Garis atas ditandai O2 di

Angka 4.2 adalah bahwa untuk oksigen dan garis bawah yang ditandai H2 adalah untuk hidrogen. Daerah antara garis adalah bahwa

di mana air stabil. Atas oksigen garis dilepaskan dan di bawah garis hidrogen dilepaskan. Namun,

jika air diganti dengan asam klorida 1N kemudian wilayah pasif di tengah menyusut secara radikal seperti yang ditunjukkan.

Anion klorida dapat bereaksi dengan ion logam untuk meningkatkan kelarutan efektif kromium. Diagram

menunjukkan bahwa kromium murni akan stabil dalam kondisi netral seperti yang ditemukan di saluran empedu atau saluran kemih,

tapi akan memuaskan dalam perut di mana pH bisa rendah. Diagram Pourbaix adalah cara yang berguna

memprediksi korosi secara umum, tetapi mereka memiliki banyak keterbatasan.

Patah tulang

Fraktur implan logam hampir selalu karena kelelahan. Hal ini disebabkan oleh beban berulang pada tingkat

yang gagal biasanya tidak akan terjadi di bawah pembebanan statis. Ini adalah masalah khusus untuk perangkat yang

dikenakan beban berat berulang. Semua logam menderita kelelahan.

Kekuatan kelelahan komponen logam tergantung pada sejumlah faktor yang meliputi:

• jenis pembebanan;

• adanya cacat permukaan atau konsentrasi tegangan;

• struktur material;

• adanya cacat seperti inklusi dalam materi;


-1,8

-1.0

0

1.0

2.0 2.0

1.0

0

-1.0

-1,8

0 4

4 8

8

12

12

16

-2 16

-2 0

pH

V

O

HO

H

2

2

2

korosi

imunitas

air liur

interstitial

cairan

intraseluler

cairan

lambung

cairan

empedu, urin

pasivasi

Gambar 4.2. Diagram Pourbaix untuk kromium dalam air (1N Cl -). (Digambar ulang dari Hitam 1992 Fundamental

dari Biokompatibilitas (New York: Dekker)).

• ukuran butir kasar;

• faktor lingkungan.

Kelelahan mungkin berasal di situs dari konsentrasi tegangan seperti takik atau lubang. Hal ini mungkin karena miskin

desain termasuk ulang peserta sudut tajam, misalnya. Tidak seperti logam, tulang tidak terlalu rentan terhadap kelelahan

gagal, mungkin karena omset konstan komponen tulang.

Umur kelelahan berkurang dengan adanya korosif lingkungan'environmental stres corrosion'-a

celah kecil merambat lebih cepat karena bentuk korosi celah di ujung retak. Dengan demikian, untuk

umur panjang implan seharusnya tidak memiliki konsentrasi tegangan, itu harus dibuat dengan permukaan yang baik

menyelesaikan dan harus memiliki ketahanan korosi yang baik.

Memakai hasil dan melonggarkan

Bahan implan dapat mengalami deformasi permanen jika beban yang diterapkan melebihi titik yield. Hal ini mungkin

atau mungkin tidak penting. Dalam kasus implan ortopedi deformasi mungkin lebih baik untuk fraktur

perangkat. Wear biasanya tidak penting dalam hal kegagalan tapi memakai partikel dapat menyebabkan reaksi jaringan lokal.

Ada juga bukti eksperimental menunjukkan bahwa partikel kobalt-kromium dapat menyebabkan tumor ganas.

Melonggarkan bisa sangat penting dalam kasus protesa sendi ortopedi. Area stres yang tinggi menyebabkan

resorpsi tulang dan daerah-daerah tekanan rendah menyebabkan atrofi tulang. Tingkat stres yang benar harus dijaga untuk

perkembangan tulang yang tepat dan renovasi terjadi. Melonggarkan dapat terjadi karena distribusi tegangan yang tidak tepat

dan dapat menyebabkan rasa sakit dan kebutuhan untuk penghapusan implan. Ini tidak benar-benar logam masalah-dalam

kasus prostesis bersama melonggarkan lebih sering karena kegagalan semen pendukung. Melonggarkan lebih


umum dalam desain yang lebih tua dari protesa yang memiliki permukaan bantalan logam-on-logam. Perangkat ini memunculkan

torsi gesek yang lebih tinggi dibandingkan dengan area kontak plastik logam /.

4.3.2. Polimer dan keramik

Berbeda dengan logam, bahan polimer tidak memiliki kecenderungan alami untuk menurunkan bawah fisiologis

kondisi.Degradasi dapat terjadi tetapi biasanya membutuhkan sinar UV, panas dan radiasi pengion. Karena ini adalah

tidak biasanya ditemui dalam tubuh, satu-satunya faktor penting apapun hidrolisis. Ini dapat sangat

penting. Polimer dapat dikategorikan dalam urutan inertness mulai dari hidrofobik, di mana materi

pada dasarnya non-terhidrolisa, untuk hidrofilik mana bahan yang terhidrolisa.

Hidrolisis menyebabkan fragmentasi dan krasing di nilon, poliester dan beberapa poliuretan. Nilon

mudah terdegradasi kehilangan 40% dari kekuatan tarik aslinya setelah implantasi 17 bulan dan 80% setelah 3 tahun.

Degradasi dapat acak, di mana fragmen besar diproduksi, atau sistematis monomer mana individu

terlepas.

Polimer 'usia' jika mereka tidak dalam kesetimbangan termodinamika dan mereka dapat mengubah urutan molekul mereka

bersama waktu. Sifat kimia dan fisik bahan polimer yang terutama berasal dari alam

monomer dan sejauh mana silang antara rantai. Stabilitas kimia tergantung pada kekuatan

dari ikatan kimia dalam molekul dan ketersediaan mereka ke permukaan. Efek sterik dapat memberikan beberapa

perlindungan.Faktor fisik seperti tingkat kristalisasi juga mungkin memiliki efek; semakin kristal

polimer, semakin kecil kemungkinan itu adalah membengkak dan kurang rentan itu adalah untuk degradasi.

Sifat fisik polimer dapat berubah secara dramatis ketika bahan tersebut terkena

lingkungan biologis. Sifat dari perubahan ini akan tergantung pada make up molekul materi di

pertanyaan. Sebagai contoh, dalam beberapa situasi, masuknya cairan biologis mungkin memiliki efek plasticizing, mengurangi

modulus elastisitas material. Dalam kasus lain pencucian plasticizer inbuilt dapat meningkatkan materi

kekakuan. Seperti logam, polimer juga menderita kegagalan kelelahan. Penyerapan lipid darah terbukti masalah

dengan model awal dari katup jantung dengan poppets silastic. Dengan waktu, ini disebabkan pembengkakan si kecil dan

perubahan sifat material, menyebabkan krasing permukaan dan akhirnya fragmentasi.

Beberapa polimer yang dirancang untuk menjadi terdegradasi, atau untuk memungkinkan pencucian bahan kimia, tapi ini harus

kemajuan pada tingkat yang terkendali. Biodegradasi adalah rincian bertahap bahan dimediasi oleh tertentu

aktivitas biologis. Polimer resorbable adalah bahan implan larut yang larut dalam tubuh. Mereka punya

empat aplikasi utama dan digunakan sebagai perekat, jahitan, sebagai perangkat pengiriman obat dan implan sebagai resorbable

yang berfungsi sebagai perancah sementara. Degradasi terjadi oleh sejumlah proses termasuk pembubaran,

hidrolisis dan degradasi enzimatik. Jelas produk degradasi harus non-toksik. Idealnya

produk pemecahan harus senyawa alami.

Beberapa contoh bahan biodegradable adalah:

Polietilena oksida / polietilen tetraphalate (PEO / PET). Ini digunakan untuk dukungan mekanik sementara.

Setelah implan mereka menjalani hidrolisis dengan tingkat diprediksi degradasi. Sementara produk pecahan

tidak senyawa alami mereka tidak muncul untuk menjadi racun.

Asam polyglycolic (PGA) dan asam polylactic (PLA). Ini menurunkan untuk memberikan produk pecahan yang

ditemukan secara alami dalam jaringan. PLA telah digunakan untuk pelat tulang resorbable.

Jahitan. Apakah aplikasi penting dari bahan polimer. Bahan alami seperti sutra dan kucing-usus yang

cepat diserap. PGA / PLA kopolimer juga telah digunakan untuk jahitan resorbable. Adalah penting bahwa tingkat

resorpsi bisa diprediksi sebagai kehadiran lanjutan dari jahitan ada indikasi kekuatan mekanik.

Studi menunjukkan bahwa sifat mekanik yang efektif hilang jauh sebelum resorpsi terjadi seperti ditunjukkan oleh

penurunan berat badan atau pelabelan radioaktif.

Perekat jaringan. Mungkin lebih baik untuk jahitan untuk beberapa aplikasi. Dalam kasus operasi plastik, jaringan parut

dapat dikurangi. Cyanoacrylates digunakan dalam konteks ini.


Aplikasi pengiriman obat. Polimer yang ideal untuk pengiriman obat lokal. Bahan pembawa direkayasa

sedemikian rupa bahwa obat dilepaskan dengan dosis terkontrol selama jangka waktu yang lama.

Keramik

Ada tiga jenis biokeramik, diklasifikasikan sehubungan dengan gelar mereka interaksi dengan tubuh:

• Hampir lembam (misalnya, alumina dan karbon pirolitik).

• Benar-benar resorbable (misalnya, kalsium fosfat).

• Controlled aktivitas permukaan, mengikat jaringan (misalnya, bioglass, yang terdiri dari 45% silikon oksida,

25,5% natrium oksida, 6% fosfor pentoksida-komponen terakhir mendorong pembentukan tulang baru

di implan antarmuka / tulang).

Karbon

Berikut efek dari paparan lingkungan biologis tergantung pada bentuk karbon digunakan. Pirolitik

karbon tidak diyakini menderita gagal kelelahan dan memiliki ketahanan yang sangat baik terhadap serangan kimia. The

hasil untuk pengganti serat karbon tendon, bagaimanapun, adalah kurang menggembirakan dengan kegagalan kelelahan dilaporkan

menjadi masalah yang signifikan.

4.4. JARINGAN TANGGAPAN TERHADAP biomaterial

Sebagian besar pemahaman kita tentang interaksi antara biomaterial dan jaringan telah diperoleh

oleh trial and error pendekatan. Respon biologis diinduksi dalam jaringan, darah atau cairan tubuh jelas dari

perhatian utama. Respons biologis termasuk perubahan dalam struktur, metabolisme sel dan pengembangan di

tingkat sel. Jaringan pada jarak tertentu dari implan juga dapat terpengaruh.

Kata sifat 'biokompatibel' harus digunakan dengan hati-hati. Tidak ada materi dapat dianggap universal

biokompatibel untuk apa berpotensi kinerja yang dapat diterima dalam satu situasi mungkin tidak dapat diterima di

lain. Dalam cara sederhana adalah logis untuk mengasumsikan bahwa negara yang paling diinginkan interaksi biomaterial

dengan jaringan merupakan respon minimal dari jaringan. Bahan yang menimbulkan respon yang minimal telah

digambarkan sebagai 'biokompatibel'. Namun, istilah ini tidak pantas bila digunakan tanpa mengacu tertentu

aplikasi.

Ada banyak faktor yang mempengaruhi biokompatibilitas. Ini tidak selalu terkait dengan jenis

biomaterial, sebagai bahan mungkin menampilkan biokompatibilitas 'miskin' dalam satu situasi tetapi tidak di negara lain. Oleh karena itu

materi tidak dapat digambarkan sebagai biokompatibel tanpa referensi yang tepat untuk kondisi di mana itu adalah

dipekerjakan.

Biokompatibilitas adalah interaksi dua arah dan kita perlu mempertimbangkan kedua pengaruh biologis

lingkungan pada bahan (4.3) bersama-sama dengan efek kehadiran bahan dan rincian setiap

produk di jaringan sekitarnya. Dalam kasus efek bahan pada jaringan, kita perlu

untuk mempertimbangkan baik efek lokal dan efek sistemik yang mungkin. Fitur dari respon lokal dapat ditentukan

dengan teknik mikroskop dan biokimia analitis, namun kemungkinan terpencil atau

efek sistemik lebih sulit untuk menyelidiki. Efek sistemik baik dapat akut, misalnya dramatis

hilangnya tekanan darah dapat terjadi sebagai semen tulang dimasukkan ketika menanamkan sendi panggul, atau kronis, untuk

Misalnya dari akumulasi lambat produk implan yang diturunkan di beberapa organ yang jauh. Fenomena terakhir ini

mungkin sangat penting. Distribusi dan penyimpanan ion logam atau molekul rendah berat organik

Senyawa dapat menimbulkan efek imunologi dan pembentukan tumor. Seringkali sulit untuk positif


menghubungkan efek seperti dengan implan, yang dapat ditemukan di sebuah situs yang berbeda dari yang mana gejala

terjadi.Salah satu contoh dari hal ini adalah kontroversi seputar implan payudara. Penggunaan implan silikon

telah dikaitkan dengan onset, beberapa tahun kemudian, penyakit autoimun. Belum ada konklusif

bukti untuk mendukung link. Namun, sejumlah program penelitian sedang menyelidiki potensi ini

masalah.

4.4.1. Tanggapan jaringan lokal

Respon lokal untuk bahan implan dapat dianggap dalam hal proses normal luka

penyembuhan. Perubahan proses ini tergantung pada sifat dan toksisitas bahan dan sejauh

yang dipengaruhi oleh lingkungan fisiologis.

Segera setelah insersi dalam jaringan respon seluler akan ditimbulkan oleh trauma. Ini melibatkan

respon inflamasi akut. Jika ada relatif sedikit interaksi kimia antara implan dan

jaringan, respon inflamasi cepat akan mereda. Makrofag akan membersihkan sel-sel mati dan kotoran lainnya

dan proses penyembuhan luka yang normal akan mengikuti.

Jika ada interaksi yang luas, keadaan peradangan kronis akan berkembang. Sel yang terus-menerus

direkrut dari aliran darah ke situs implan. Pelepasan enzim degradatif dari sel lead

penciptaan lingkungan lokal sangat bermusuhan. Hal ini sering endapan rilis lanjut degradasi

produk yang pada gilirannya menstimulasi pelepasan enzim lanjut. Reaksi ini dapat mengakibatkan edema, rasa sakit dan, di

kasus yang parah yang melibatkan kematian jaringan di sekitarnya, kurangnya kerangka pendukung yang mengarah ke melonggarkan

implan. Sebuah spektrum yang luas dari kegiatan dapat diamati antara dua ekstrem.

4.4.2. Efek imunologi

Jaringan mungkin bereaksi terhadap bahan 'asing' oleh reaksi kekebalan. Ini adalah proses yang sangat kompleks dan

ditutupi hanya sebentar. Bahan asing atau antigen dapat merangsang sejumlah sistem untuk memberikan berbagai a

tanggapan dalam upaya untuk menghilangkan antigen. Zat yang tidak alami antigenik dapat menjadi

jadi jika terkait dengan protein yang sesuai.

Produk larut berdifusi dari implan ke dalam darah atau jaringan cairan untuk menghasilkan efek sistemik.

Produk-produk ini dapat dikenali oleh limfosit kecil (B-sel). Hal ini menyebabkan produksi plasma

sel yang mengeluarkan immunoglobins (antibodi). Jika antigen yang kompleks dengan antibodi spesifik itu adalah

dibersihkan dari sistem sirkulasi oleh makrofag.

Mekanisme kedua bertindak terhadap antigen partikulat memungkinkan makrofag untuk menelan dan menghancurkan

puing-puing partikulat.

4.4.3. Karsinogenik

Pada tahun 1941 Turner menemukan bahwa disk dari Bakelite (fenol formaldehida) ditanamkan di tikus selama 2 tahun

diinduksi, atau muncul untuk menginduksi, pembentukan tumor. Percobaan diulang menunjukkan bahwa hampir 50% dari

hewan sejenis juga mengembangkan tumor sekitar cakram tersebut dalam 2 tahun. Selama 50 tahun terakhir, banyak

penelitian telah dilakukan untuk menyelidiki kejadian ini disebut karsinogenesis solid-state dan

mekanisme yang terjadi.

Kemungkinan bahwa implan dapat menimbulkan tumor ini jelas sangat signifikan. Insiden rendah

tumor melaporkan klinis menunjukkan bahwa fenomena tersebut mungkin spesies tertentu.


4.4.4. Kompatibilitas biomekanik

Meskipun kimia (atau biokimia, atau elektrokimia) interaksi antara bahan dan jaringan adalah

faktor dominan mengendalikan biokompatibilitas, faktor fisik dan mekanik yang juga dikenal menjadi penting.

Faktor-faktor ini meliputi:

• Pengaruh bentuk implan. Bentuk implan dapat mempengaruhi respon jaringan. Sebagai contoh,

reaksi segitiga lintas-bagian ditemukan lebih besar dari itu untuk melingkar lintas-bagian. Ini

tidak mengherankan, karena sudut tajam akan menghasilkan tegangan tinggi.

• Pengaruh permukaan akhir. Permukaan morfologi telah terbukti memiliki pengaruh yang signifikan pada

respon jaringan.

• Peran porositas permukaan di ingrowth jaringan. Ini telah diteliti secara luas dan kondisi

di mana berbagai jenis jaringan dapat didorong untuk tumbuh menjadi permukaan berpori telah

mapan.

4.5. PENILAIAN biokompatibilitas

Banyak pendekatan yang berbeda yang mungkin untuk penilaian biokompatibilitas. Masing-masing memiliki kelebihan dan

kelemahan. Brown (1988), ketika meninjau korosi dan keausan biomaterial, menyimpulkan dengan mengatakan

bahwa 'Jika sesuatu bisa disimpulkan dari ulasan ini korosi dan keausan bahan implan, itu adalah bahwa ada

banyak metode pengujian yang berbeda dan hasil yang berbeda. Setiap penyidik memiliki alasan untuk metode yang digunakan

dan interpretasi hasil. '

4.5.1. Dalam model vitro

In vitro model sangat penting untuk screening awal biokompatibilitas ketika sejumlah besar bahan

perlu diselidiki.Sejumlah in vitro metode yang ada, yang dirancang untuk memenuhi kebutuhan jenis tertentu

bahan dan aplikasi. Keuntungan dari sistem terkontrol studi banyak, termasuk kecepatan

penilaian, tingkat tinggi sensitivitas terhadap zat beracun dan ketersediaan darah manusia untuk studi.

Haemocompatibility

Berbagai macam tes yang berbeda telah diusulkan untuk evaluasi kompatibilitas darah. Ini tidak mungkin

untuk mempertimbangkan semua ini di sini. Rincian lebih lanjut tersedia dalam teks-teks yang lebih khusus (lihat Perak dan Doillon

1989).

Sejumlah tes sederhana dapat dilakukan untuk mendapatkan prediksi awal kesesuaian materi. Ini

melibatkan menempatkan volume diketahui dari seluruh darah di permukaan spesimen. Pembekuan biasanya terjadi

dalam waktu singkat (1 s untuk 1 menit). Waktu pembekuan, berat gumpalan, jumlah trombosit patuh

dan berbagai faktor pembekuan diukur. Pengurangan atau perpanjangan waktu pembekuan yang normal menunjukkan

aktivasi atau deaktivasi sistem pembekuan oleh materi. Sebuah waktu pembekuan lama dengan paparan

dengan biomaterial dalam dirinya sendiri belum tentu masalah selama proses pembekuan tidak ireversibel

tidak aktif atau faktor pembekuan dihapus oleh kontak dengan biomaterial yang diuji. Ini dapat diuji dengan

mengekspos darah ke biomaterial diikuti dengan re-paparan bahan yang dikenal untuk mengaktifkan proses pembekuan,

misalnya kaca. Jika bentuk bekuan pada kaca dalam waktu 3-5 menit biomaterial tersebut dianggap darah yang kompatibel.

Penyerapan protein juga dapat digunakan untuk memberikan indikasi kompatibilitas darah. Analisis

deposisi protein plasma dapat dilakukan dengan menggunakan protein 125I berlabel (albumin, fibrinogen gamma atau

globulin). Deposisi preferensial albumin diperkirakan menurun adhesi platelet dan aktivasi.


Cawan petri

Darah

Berputar kerucut

α

ω

Gambar 4.3. Evaluasi darah di bawah gaya geser dikendalikan. Diagram dari viskometer kerucut piring

mempekerjakan Petri hidangan standar. Sebuah kerucut sudut dangkal (α antara 0,5 ◦ dan 5 ◦) dalam kontak di ujungnya dengan

pusat piring berputar pada ω rad s -1.

Ruang ujian rheologi menggunakan disc berputar (gambar 4.3) untuk mengevaluasi kompatibilitas material

permukaan dengan darah di bawah berbagai kondisi laju geser dikendalikan.

Sangat penting bahwa semua pengujian dilakukan secara paralel dengan bahan kontrol sesuai dengan haemocompatibility diketahui

properti.

Uji toksisitas

Ini dapat dilakukan dengan menggunakan kultur sel. Sel seperti mouse ikat sel-sel jaringan (fibroblas) dapat

tumbuh di bawah kondisi dipertahankan erat dalam cawan Petri yang berisi materi tes. Toksisitas diperkirakan

oleh tingkat penghambatan pertumbuhan sel atau dengan mengukur kematian sel. Dalam kasus keracunan polimer mungkin

disebabkan aditif molekul rendah berat (misalnya, plasticizer) atau monomer sisa pencucian dari

materi. Untuk menguji ini materi massal tersebut diinkubasi dalam polar (air atau garam fisiologis) atau non-polar

pelarut (polietilen glikol 400) dan ekstrak diuji untuk cytotoxity.

4.5.2. Dalam model vivo dan uji klinis

Bahan yang ditampilkan untuk berperilaku positif di dalam tabung tes untuk haemocompatibility sepenuhnya dievaluasi

dalam in vivo model yang. Penggunaan model hewan yang rumit oleh perbedaan sifat pembekuan antara

sistem manusia dan hewan. Sebuah tes yang khas adalah tes vena cava cincin. Sebuah cincin dilapisi dengan bahan uji

diperkenalkan ke vena cava anjing untuk jangka waktu tertentu (biasanya sampai 2 minggu). Cincin ini kemudian dihapus

dan pengendapan bekuan ditentukan. Ini melibatkan berat bekuan atau memperkirakan area kapal

lumen yang tetap terbuka mengalir. Deposisi bekuan pada permukaan material bukan satu-satunya pertimbangan.

Jika gumpalan tersebut kurang patuh terhadap permukaan material atau jika deposit sangat gembur, fragmen mungkin

menjadi terpisah. Tingkat fragmentasi (embolisasi) kemudian diukur dengan menentukan jumlah

bekuan yang disaring oleh pembuluh darah yang lebih kecil hilir bahan uji, dalam hal ini

fragmen akan ditemukan dalam paru-paru.

Dalam rangka meningkatkan reproduktifitas tes, dan berbagai bahan yang dapat diperiksa, itu adalah

sering diperlukan untuk memanfaatkan sistem model hewan. Teknik non-invasif termasuk kantong hamster pipi,

sangat berguna dalam evaluasi biomaterial gigi, di mana retensi spesimen dicapai melalui penggunaan

kerah ditempatkan di sekitar leher hamster. Penilaian histologis dapat dilakukan pengorbanan berikut.


Prosedur yang paling umum diadopsi adalah mereka yang melibatkan implantasi dari bahan uji langsung ke

jaringan dari serangkaian hewan, pengorbanan dan pemeriksaan yang dilakukan pada interval waktu yang sesuai.

Keracunan dapat dinilai dengan menanamkan bahan bawah kulit tikus atau tikus dan respon jaringan

dievaluasi oleh histologi.

Sementara semua studi di atas memberikan informasi berharga, evaluasi akhir hanya dapat dilakukan

setelah implantasi manusia. Jelas uji coba ini harus dilakukan dalam kondisi yang terkendali dengan hati-hati

jika informasi yang bermakna yang akan diperoleh.

4.6. MASALAH

4.6.1. Pertanyaan singkat

a Yang merupakan kuat dari kovalen dan ikatan ion?

b Perkirakan berbagai ukuran sel manusia.

c Apakah biomaterial 'ideal' selalu satu yang kimia inert?

d Dapatkah bahan polimer menurunkan dengan waktu setelah implantasi?

e Apakah 10 kN perkiraan yang wajar dari beban puncak pada ligamen di ekstremitas bawah?

f Apakah membran sel biasanya 1 μ m, 10 nm atau 1 nm ketebalan?

g Apakah jantung berdenyut sekitar 107, 108 atau 109 kali dalam seumur hidup?

h Apa jenis yang paling umum dari semen tulang?

i Akankah 'ideal' sendi pinggul implan sekuat mungkin?

j Apa konstituen kromosom membawa informasi turun-temurun?

k Apa ciri utama dari polimer hidrogel?

l Jelaskan apa pasivasi dari stainless steel melibatkan.

m Dimana situs yang paling mungkin untuk interaksi antara radiasi pengion dan peduli?

n Daftar tiga faktor yang mempengaruhi kekuatan kelelahan logam.

o Akan logam dengan ukuran butir besar lebih lemah atau kuat dari satu dengan ukuran butir kecil?

p Berikan definisi biomaterial.

q Apa adalah diagram Pourbaix dan untuk apa itu digunakan?

r Mengapa mungkin itu diinginkan untuk memiliki dua komponen logam yang berbeda dalam implan?

s Apa efek sistemik?

t Apakah bentuk suatu hal implan dan jika demikian mengapa?

u Apakah ada tes untuk dan definisi yang disepakati biokompatibilitas?

v Apakah kaca mengaktifkan proses pembekuan darah?

4.6.2. Pertanyaan lagi

Pertanyaan 4.6.2.1

Menggunakan arteri alami sebagai model, mendefinisikan sifat-sifat yang diperlukan untuk pengembangan darah buatan

Kapal yang dimaksudkan untuk menggantikan segmen arteri femoral. Membenarkan kesimpulan Anda.

Pertanyaan 4.6.2.2

Sebuah pabrik polimer telah menghasilkan materi baru yang ia percaya cocok untuk pembuatan ini

jenis kapal buatan. Jika perlu, dia bersedia untuk memodifikasi polimer untuk memenuhi kebutuhan khusus Anda.


Buatlah sebuah diagram alur yang menunjukkan protokol yang Anda akan mengikuti untuk menguji kesesuaian materi baru untuk

penggunaan klinis dan untuk memberikan informasi kepada produsen jika bahan awal membuktikan tidak cocok.

Pertanyaan 4.6.2.3

Daftar sifat yang (i) penting dan (ii) lebih, untuk bahan yang akan digunakan dalam pembuatan

piring untuk fraktur fiksasi.

Jawaban untuk pertanyaan singkat

obligasi kovalen lebih kuat dari ikatan ionik.

b 1-100 μ m adalah berbagai ukuran sel manusia.

c Tidak, itu dianggap baik jika biomaterial menghasilkan respon yang tepat dari tuan rumah.

d Ya, polimer dapat menurunkan. Memang, beberapa dirancang untuk menjadi biodegradable.

e ada, paling beban puncak pada ligamen kurang dari 1 kN.

f sel membran biasanya 10 nm dengan ketebalan.

g Jantung akan mengalahkan sekitar 1. 5 × 109 kali dalam seumur hidup.

h Polimetilmetakrilat digunakan sebagai semen tulang.

i ada, mungkin diharapkan bahwa implan tidak lebih kuat dari jaringan sekitarnya.

j Gen adalah komponen genetik pada kromosom.

k Hidrogel adalah hidrofilik, yaitu mereka memiliki afinitas untuk air.

l Pasifasi dari stainless steel melibatkan perendaman dalam asam nitrat menebal lapisan oksida permukaan.

m ikatan kimia yang tergantung pada elektron adalah situs yang paling mungkin dari interaksi antara pengion

radiasi dan materi.

n Permukaan selesai, inklusi, ukuran butir, konsentrasi tegangan dan lingkungan semua akan mempengaruhi kelelahan

kekuatan logam. Daftar ini tidak lengkap.

o Sebuah logam dengan ukuran butir besar akan lebih lemah dari satu dengan ukuran butir kecil.

p Biomaterial adalah bahan asal alami atau buatan manusia yang digunakan untuk langsung menambah atau mengganti

fungsi jaringan hidup.

diagram q A Pourbaix plot pH terhadap potensi dan membantu memahami bagaimana logam akan bersikap dalam

kondisi yang berbeda.

r Dua logam yang berbeda dapat menimbulkan perbedaan potensial elektrokimia dan karenanya korosif

arus.

s Dalam efek sistemik seluruh tubuh dapat dipengaruhi oleh reaksi terhadap implan.

t Bentuk implan penting. Corners dapat menimbulkan tekanan mekanik yang tinggi dan karenanya jaringan

tanggapan.

u ada, tidak ada definisi yang disepakati dan tes untuk biokompatibilitas.

v Ya, kaca akan mengaktifkan proses pembekuan darah.

DAFTAR PUSTAKA

Alpen EL 1997 Radiasi Biofisika (New York: Academic)

Hitam J 1992 Kinerja Biologi Bahan: Fundamentals of Biokompatibilitas (New York: Dekker)

Brown SA 1988 Biomaterial, korosi dan keausan Encyclopaedia Alat Kesehatan dan Instrumentasi ed

JG Webster (New York: Wiley)

Chen H dan Black SA 1980 J. Biomed. Mater. Res. 14 567

Guthrie GW 1903 fiksasi langsung di fraktur Am. Med. 5 5

Balai EJ 1978 Radiobiologi untuk Ahli radiologi 2 edisi (New York: Harper dan Row)

Johns HE dan Cunningham JR 1983 Fisika Radiologi edisi 4 (Springfield, IL: Thomas)

Hak Cipta ©

biocom

Documents