Γιάννης Λούκος. Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας. ΜΠΣ: Προηγμένα Συστήματα και Μέθοδοι στην Βιοϊατρική Τεχνολογία

Transcript

1 Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας ΜΠΣ: Προηγμένα Συστήματα και Μέθοδοι στην Βιοϊατρική Τεχνολογία ΜΤ-ΜΒΙΤ 2.1: Βιοϊατρικά Ηλεκτρονικά και Ιατρική Οργανολογία, Εμβιομηχανική & Προσθετική Γιάννης Λούκος Βιοϊατρ. Μηχανικός, MSc, PhD Απρίλιος 2016

2 Σκοπός του μαθήματος Η παρουσίαση των βασικών αρχών της ενότητας, εστιάζει: στην μηχανική αποκατάστασης και προσθετικής στην μηχανική εκτίμησης της ανθρώπινης απόδοσης στα χρησιμοποιούμενα βιοϋλικά 2

3 Τομείς της Βιοϊατρικής Μηχανικής 3

4 4

5 Ορισμός Εμβιομηχανική είναι ο κλάδος της μηχανικής που βρίσκει εφαρμογή στους ζώντες οργανισμούς και κυρίως στο ανθρώπινο σώμα. Γενικά, μελετά τις δυνάμεις που εξέρχονται των μυών του σώματος και την ευστάθεια της σκελετικής δομής. 5

6 Εμβιομηχανική Με στόχο: Την μέτρηση των μηχανικών ιδιοτήτων, και Την αναπαράσταση με μηχανικά μοντέλα των ζώντων οργανισμών Προκειμένου: Να αναπτυχθούν υλικά και συστήματα που υποστηρίζουν τις μηχανικές ιδιότητες των ζώντων οργανισμών 6

7 Ιστορική αναδρομή Αριστοτέλης Επιστήμονας Leonardo da Vinci Γαλιλαίος Επίτευγμα «Περί ζώων κινήσεως»: μελέτησε την κίνηση των ζώων και θεώρησε το σώμα ως ένα μηχανικό σύστημα Μελέτησε την μετάδοση των δυνάμεων από τους μύες και την λειτουργία των αρθρώσεων Μελέτησε την αντοχή και την δομή των οστών και υποστήριξε πως τα οστά δεν είναι συμπαγή και πως έτσι επιτυγχάνουν μέγιστη αντοχή με το ελάχιστο βάρος Μετά το 19 ο αιώνα Η Εμβιομηχανική εξελίχθηκε σε μια σύγχρονη επιστήμη 7

8 Εμβιομηχανική Μπορεί να χωριστεί σε τρεις βασικούς τομείς: Εκτίμηση της ανθρώπινης απόδοσης (Human Performance) Αποκατάσταση (Rehabilitation) Προσθετική (Prosthetics) 8

9 Εκτίμηση της ανθρώπινης απόδοσης Έχει να κάνει με την αξιολόγηση του τρόπου με τον οποίο οι ζώντες οργανισμοί και πρωτίστως ο άνθρωπος, κάνουν πράγματα, ή πιο συγκεκριμένα έχει να κάνει με την φυσιολογία και την αξιολόγηση της πάσης φύσεως κίνησής τους, ακόμα και αν αυτή εμπλέκει τεχνητό άκρο ή υποβοήθηση. 9

10 Εκτίμηση της ανθρώπινης απόδοσης Αφορά σε: κινήσεις του ανθρώπινου σώματος, όπως το περπάτημα, η καθιστή και η όρθια στάση, η μετακίνηση πραγμάτων, κλπ. εσωτερικές κινήσεις και λειτουργίες όπως η αιματική ροή, η κυκλοφορία υγρών, η λειτουργία της καρδιάς και των μυών και η κινηματική των σκελετικών συνδέσμων. 10

11 Εκτίμηση της ανθρώπινης απόδοσης Η εκτίμηση της απόδοσης γίνεται ποσοτικά και ποιοτικά. Η ποσοτική ανάλυση και εκτίμηση, εμπλέκει πλήθος μετρήσεων οι οποίες με την βοήθεια Η/Υ, θα συλλεχθούν και θα υποστούν επεξεργασία. 11

12 Βασικές μετρήσεις Δύναμη Πίεση Επιτάχυνση Παραμόρφωση Η εκτίμηση των παραπάνω σε συνδυασμό με την ανάλυση της κίνησης μέσω οπτικών μεθόδων, θα οδηγήσει στην αξιολόγηση της ανθρώπινης απόδοσης 12

13 Ποσοτική εκτίμηση Η ποσοτική ανάλυση και εκτίμηση, εμπλέκει πλήθος μετρήσεων, όπως οι παραπάνω, οι οποίες θα συλλεχθούν με την βοήθεια Η/Υ. 13

14 Ποσοτική εκτίμηση 14

15 Ποσοτική εκτίμηση 15

16 Ποσοτική εκτίμηση 16

17 Ποσοτική εκτίμηση 17

18 Ποσοτική εκτίμηση 18

19 Ποιοτική εκτίμηση Η ποιοτική εκτίμηση, έχει να κάνει με την υποκειμενική αξιολόγηση της κινητικότητας, με στόχο την υιοθέτηση παρεμβάσεων που θα βελτιώσουν την απόδοση. Η ποιοτική ανάλυση εμπλέκει αρχές της κινησιολογίας και όχι τεχνολογικές παρεμβάσεις. 19

20 Ποιοτική εκτίμηση 20

21 Εκτίμηση της ανθρώπινης απόδοσης Τα πλεονεκτήματα της ποσοτικής εκτίμησης της απόδοσης, είναι η ακρίβεια και η σταθερότητα των μετρήσεων. 21

22 Εκτίμηση της ανθρώπινης απόδοσης 22

23 Αποκατάσταση Αφορά σε απώλεια της φυσιολογικής λειτουργίας του σώματος και σχετίζεται με προβλήματα: Καρδιαγγειακά Νευρολογικά Μυοσκελετικά Με έμφαση στην κατηγορία των μυοσκελετικών προβλημάτων 23

24 Αποκατάσταση Έχει να κάνει με την αποκατάσταση της φυσιολογικής λειτουργίας του σώματος, μετά από κακώσεις, τραυματισμούς, οργανικές βλάβες και ασθένειες με την βοήθεια τεχνητών μελών (prosthesis) του σώματος ή προσθήκη βοηθημάτων (orthosis). Εμφανίστηκε κατά τον 2 ο Παγκόσμιο Πόλεμο, με αφορμή την υποβοήθηση όσων είχαν υποστεί σοβαρούς τραυματισμούς ή ακρωτηριασμούς. 24

25 Αποκατάσταση Βάσει στατιστικής, στις ΗΠΑ: 1 στους 200 έχει υποστεί ακρωτηριασμό 1,7 εκ. έχουν χάσει κάποιο άκρο τους 6,5 εκ. χρειάζονται υποβοήθηση των κάτω άκρων τους 25

26 Περιλαμβάνει: Αποκατάσταση Σχεδιασμό και κατασκευή συσκευών επιδιόρθωσης και υποβοήθησης Συστήματα ηλεκτρικής διέγερσης Επεξεργασία σήματος και χρήση αισθητήρων Ανάλυση βαδίσματος Μελέτη και κατασκευή αναπηρικών καθισμάτων, κλπ. 26

27 Εξοπλισμός αποκατάστασης Αναπηρική καρέκλα Νάρθηκας βαδίσματος 27

28 Εξοπλισμός αποκατάστασης Σύστημα μελέτης ισορροπίας (Postural Stability) Κηδεμόνες σκολίωσης (Dynamic Derotation Brace) 28

29 Εξοπλισμός αποκατάστασης Πελματογράφημα (Gait Analysis) Ανάλυση πιέσεων (Pressure Analysis) 29

30 Μετρητικός εξοπλισμός 30

31 Μετρητικός εξοπλισμός 31

32 Μετρητικός εξοπλισμός 32

33 το μέλλον είναι η ρομποτική, με στόχο τον σχεδιασμό και την κατασκευή συσκευών που θα καθιστούν δυνατή για τον ασθενή, την πλήρη αποκατάσταση των δυνατοτήτων που έχασε για τον οποιοδήποτε λόγο στο παρελθόν (rehabilitation robotics). 33

34 Εξοπλισμός ρομποτικής 34

35 Εξοπλισμός ρομποτικής 35

36 Προσθετική Έχει να κάνει με την αντικατάσταση τμήματος του ανθρώπινου σώματος και της λειτουργίας του (μαλακού ή σκληρού ιστού), μετά από καταστροφή ή απώλεια αυτού και χωρίς να είναι δυνατή η φυσική αποκατάσταση της ζημιάς που προκλήθηκε. 36

37 Προσθετική Αποτελεί εκείνο το τμήμα της Αποκατάστασης (Rehabilitation) που περιλαμβάνει την προσθήκη τεχνητών μελών (άνω ή κάτω άκρων), με σκοπό την αποκατάσταση του προβλήματος. 37

38 Προσθετική Στο διπλανό σχήμα φαίνονται οι περιοχές των άνω και κάτω άκρων του ανθρώπινου σώματος που είναι πιθανό να υποστούν ακρωτηριασμό. Τα σημεία που σημειώνονται είναι τα σημεία υποδοχής των τεχνητών μελών μετά από προσθετική άνω ή κάτω άκρου. 38

39 Προσθετική Κάθε τεχνητό μέλος αποτελείται από: Το περίβλημα ή αλλιώς το κυρίως σώμα (pylon) Την υποδοχή (socket), που φέρνει σε επαφή το τεχνητό μέλος με το σώμα του ασθενούς Το σύστημα ανάρτησης (suspension system) που κρατά το τεχνητό μέλος σε επαφή με το σώμα 39

40 τότε (700 π.χ.) 40

41 τότε 41

42 τότε 42

43 τώρα Τεχνητό πόδι Τεχνητό χέρι 43

44 τώρα Ρομποτικό άνω άκρο Τεχνητά κάτω άκρα 44

45 στόχος είναι: στο μέλλον η εξέλιξη τεχνητών άκρων που θα ελέγχονται εγκεφαλικά (mind controlled) και θα αποτελούν τα εξελιγμένα βιονικά χέρια και πόδια. η κατασκευή τεχνητών μελών από υλικά κατάλληλα για να προσομοιάζουν με πραγματικά άκρα. 45

46 Βιονικό χέρι 46

47 Βιονικό χέρι 47

48 Βιονικό χέρι 48

49 Τεχνητά άκρα 49

50 50

51 51

52 Ορισμός Με οικονομο-τεχνικούς όρους είναι: κάθε υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή μιας συσκευής που αντικαθιστά ένα τμήμα ή μια λειτουργία του ανθρώπινου σώματος, με ασφαλή, αξιόπιστο, οικονομικά συμφέρον και κυρίως φυσιολογικά αποδεκτό τρόπο. 52

53 Ορισμός Με ιατρικούς όρους είναι: κάθε φυσικό ή συνθετικό υλικό που προορίζεται για χρήση σε ζώντα οργανισμό ή ιστό, ως μέρος μιας ιατρικής συσκευής ή ενός εμφυτεύματος. 53

54 Ιστορία και εξέλιξη Χρησιμοποιούνται συστηματικά και εντατικά στο χώρο της υγείας, εδώ και δεκαετίες. Ωστόσο, σε σχέση με την ιστορία της επιστήμης των υλικών γενικότερα, θεωρείται νέος κλάδος. Πρώτη αναφορά χρήσης βιοϋλικού υπάρχει από την εποχή της αρχαίας Αιγύπτου (γυάλινα μάτια, μεταλλικά και ξύλινα οδοντικά εμφυτεύματα). 54

55 Ιστορία και εξέλιξη Ωστόσο, η σύγχρονη εποχή των βιοϋλικών ξεκινάει στα μέσα του 19 ου αιώνα με τον Sir Joseph Listerin, ο οποίος εφάρμοσε πρώτος ασηπτικές χειρουργικές μεθόδους 55

56 Ιατρικές συσκευές με βιοϋλικά Τεχνητή καρδιά, 1881 Φορητός βηματοδότης,

57 Ιατρικές συσκευές με βιοϋλικά Τεχνητή βαλβίδα καρδιάς, 1952 Τεχνητό νεφρό,

58 Ιστορία και εξέλιξη Καθιερώθηκαν ως κλάδος την εποχή του 2 ου Παγκόσμιου Πολέμου, κυρίως μέσω των μεταλλικών εμφυτευμάτων και των εφαρμογών τους που είχαν να κάνουν με σταθεροποίηση και υποκατάσταση οστών και αποκατάσταση αρθρώσεων. 58

59 Σημαντικές στιγμές Χρονολογία Τέλος 18 ου αρχές 19 ου αιώνα Γεγονός Fe, Au, Ag και Pt για αποκατάσταση καταγμάτων Εφαρμογή ασηπτικών χειρουργικών τεχνικών Χρήση βιδών και πλακών από ατσάλι για την αποκατάσταση καταγμάτων 1912 Χρήση βαναδίου με αποκλειστική ιατρική χρήση 1938 Πρώτη ολική αρθροπλαστική ισχίου 1947 Χρήση του Ti 1952 Πρώτο υφασμάτινο αιμοφόρο αγγείο 1960 Πρώτη τεχνητή βαλβίδα καρδιάς Δεκαετία του 70 Πειραματική τεχνητή καρδιά 59

60 Έκρηξη στην εξέλιξη 60

61 Ετήσια αγορά των βιοϋλικών (ΗΠΑ, 2006) Ιατρική συσκευή Ετήσιος τζίρος (εκ. δολ.) Ράμματα 250 Καθετήρες 200 Ασκοί αίματος 40 Φακοί επαφής 30 Stents 1,2 Οδοντικά εμφυτεύματα 0,9 Προσθετικά ισχίου και γονάτου 0,5 Βηματοδότες 0,4 Προσθετικά στήθους (σιλικόνη) 0,25 61

62 Παγκόσμια αγορά 62

63 Πορεία εφαρμογής των βιοϋλικών 63

64 Νέο βιοϋλικό 64

65 Βιοϋλικά Τα βιοϋλικά χαρακτηρίζονται από τις εφαρμογές τους και όχι από την χημική τους σύνθεση. 65

66 Εφαρμογές Είδος εφαρμογής Αντικατάσταση τμήματος που ασθενεί ή είναι κατεστραμμένο Βοήθεια στην επούλωση Βελτίωση της λειτουργίας Διόρθωση λάθους λειτουργίας Επίλυση προβλημάτων εμφάνισης Βοήθεια στην διάγνωση Βοήθεια στην θεραπεία Παραδείγματα Τεχνητή άρθρωση, συσκευή αιμοκάθαρσης Ράμματα, πλάκες και βίδες Φακοί επαφής Καρδιακός βηματοδότης Αυξητικά μοσχεύματα γυναικείου στήθους Καθετήρες Σωλήνες παροχής 66

67 Εφαρμογές των βιοϋλικών Στο σχήμα δεξιά, φαίνονται τα πεδία εφαρμογής των βιοϋλικών με στόχο την επίλυση διάφορων προβλημάτων του οργανισμού, παροδικών ή μόνιμων. 67

68 Κρίσιμα χαρακτηριστικά Οι κατάλληλες μηχανικές ιδιότητες για την εφαρμογή Η ανθεκτικότητα στην διάβρωση σε συνθήκες υγρού περιβάλλοντος, και Η μη τοξικότητα, και η μη πρόκληση καρκινογενέσεων για τον οργανισμό. 68

69 Επιλογή του κατάλληλου βιοϋλικού Στο παρελθόν και μέχρι σήμερα: Ιδιότητες (μηχανικές, χημικές, οπτικές) Δυνατότητα επεξεργασίας Πιστοποίηση Στο μέλλον: Η διασύνδεση (interface) μεταξύ υλικού και ζώντος οργανισμού (η αποδοχή-υιοθέτηση του υλικού από τον ζώντα οργανισμό) 69

70 Επιλογή βιοϋλικού Λαμβάνονται υπόψη τα χαρακτηριστικά του υλικού: Φυσικά & Μηχανικά: αντοχή, ανθεκτικότητα στην παραμόρφωση, ελαστικότητα, διαπερατότητα από αέρια και υγρά, θερμικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, χημική αλληλεπίδραση. Βιολογικά: βιοσυμβατότητα, τοξικότητα, δημιουργία θρομβώσεων και φλεγμονών, καρκινογενέσεις και δυνατότητα αποστείρωσής του. 70

71 Είδη των βιοϋλικών Συνθετικά Μέταλλα Πολυμερή Κεραμικά Σύνθετα υλικά Φυσικά (προερχόμενα από, ή στηριζόμενα σε βιολογικά υλικά (π.χ. ελαστίνη, κολλαγόνο). 71

72 Είδη των βιοϋλικών 72

73 Μέταλλα Τα μοντέρνα μεταλλικά βιοϋλικά έχουν ως βάση τους συστατικά όπως: Fe, Cr, Co, Ni, Ti, Ta, Nb, Mo και W τα οποία γίνονται ανεκτά από τον ανθρώπινο οργανισμό σε μικρές ποσότητες. Σε φυσική μορφή κάποια από αυτά συμβάλλουν σε διεργασίες, όπως: κυτταρική λειτουργία (Fe), διαβίβαση της ελαστίνης στην αορτή (Cu), κλπ. 73

74 Μέταλλα Λόγω μηχανικής αντοχής είναι ιδανικά για ορθοπεδικές εφαρμογές (αποκατάσταση καταγμάτων, ολική αρθροπλαστική, τεχνητοί δίσκοι σπονδυλικής στήλης, κλπ.) και οδοντικά εμφυτεύματα. Ως εξαιρετικοί αγωγοί του ηλεκτρισμού χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ηλεκτροδίων διέγερσης (καρδιάς, εγκεφάλου, μυών, κλπ.). 74

75 Κράματα μετάλλων Τα πιο συνηθισμένα κράματα είναι αυτά με βάση το ανοξείδωτο ατσάλι (stainless steel), το κοβάλτιο (Cobalt) και το τιτάνιο (Titanium). Λόγω της βελτιωμένης αντοχής τους στην διάβρωση, χρησιμοποιούνται για την κατασκευή stents, οδηγών καθετήρα, κοχλιακών εμφυτευμάτων, κλπ. Χρησιμοποιούνται με επίστρωση ηλεκτροχημικών οξειδίων κατά της διάβρωσης. 75

76 Κράματα ανοξείδωτου ατσαλιού Πλεονεκτήματα: πολύ μεγάλη αντοχή αλλά και υψηλή ολκιμότητα, ικανοποιητικά περιθώρια μηχανικής επεξεργασίας και είναι συγκριτικά τα φθηνότερα. Μειονεκτήματα: μικρότερη ανθεκτικότητα στην διάβρωση. Το πιο συνηθισμένο είναι το 316L (περιέχει άνθρακα και χρώμιο). 76

77 Κράματα κοβαλτίου Χρησιμοποιήθηκαν πρώτη φορά στις αρχές του 20 ου αιώνα σε οδοντιατρικές και ορθοπεδικές εφαρμογές. Πλεονεκτήματα: χαμηλότερη ολκιμότητα, ιδανικός συνδυασμός ανθεκτικότητας (στην διάβρωση), εξασθένισης και αντοχής σε μηχανικές καταπονήσεις σε σχέση με το Ti. Μειονεκτήματα: κοστίζουν ακριβότερα, μεγαλύτερη τάση εφελκυσμού και έχουν δύσκολη επεξεργασία σε σχέση με το Stainless Steel. 77

78 Τα πιο αντιπροσωπευτικά παραδείγματα κραμάτων κοβαλτίου είναι το Vitallium που περιέχει χρώμιο (27-30%), και το MP35N που περιέχει χρώμιο (18-22%) και νικέλιο (15-25%). 78

79 Κράματα τιτανίου Είναι τα πιο πρόσφατα χρησιμοποιούμενα. Είναι απαραίτητες οι προσμίξεις για την σταθεροποίηση του καθαρού τιτανίου λόγω αδυναμίας και αυξημένης ευπλαστότητάς του. Το κράμα Ti 6Al-4V (F136) είναι κατάλληλο για εμφυτεύματα. Πλεονεκτήματα: μικρότερη ολκιμότητα, μεγάλύτερη αντοχή και την μισή πυκνότητα. Μειονεκτήματα: μικρότερη ανθεκτικότητα στην διάβρωση σε σχέση με τα άλλα δύο. 79

80 Άλλα είδη μετάλλων Νιτινόλη (nitinol): χρησιμοποιείται για την κατασκευή stents, με ή χωρίς την έκλουση φαρμάκου Ταντάλιο (tantalum): πολύ πυκνό και ανθεκτικό στην εξασθένηση Πλατίνα (platinum): χρησιμοποιείται για την κατασκευή ηλεκτροδίων 80

81 Κεραμικά Έχουν χρησιμοποιηθεί λιγότερο σε σχέση με όλα τα υπόλοιπα υλικά. Πλεονεκτήματα: πολύ μεγάλη αντοχή, υψηλή σκληρότητα, βιοσυμβατότητα και χημική αδράνεια. Μειονεκτήματα: μικρή αντοχή στον εφελκυσμό και μεγάλη ευθραυστότητα. 81

82 Χαρακτηριστικά των κεραμικών Διακρίνονται ανάλογα με: την μέθοδο επεξεργασίας τους την χημική δραστικότητά τους, και την ιοντική σύνθεσή τους Μπορούν να είναι: βιοαδρανή, βιοδραστικά ή βιοαπορροφήσιμα, πορώδη ή μη πορώδη Διακρίνονται σε οξείδια, πολυοξείδια ασβεστίου και φωσφόρου, υάλου, υαλοκεραμικά και κεραμικά άνθρακα. 82

83 Το πιο αντιπροσωπευτικό παράδειγμα κεραμικών υλικών είναι το Al 2 O 3 (αλουμίνα). Άλλα παραδείγματα είναι το Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (hydroxyapatite), ως επίστρωση σε περιπτώσεις που απαιτείται η ενσωμάτωση μεταλλικού εμφυτεύματος σε οστό και το Bioglass. 83

84 Πολυμερή Εξαιρετικά δημοφιλή λόγω της ατελείωτης ποικιλίας που τα χαρακτηρίζει. Πλεονεκτήματα: εύκολη μορφοποίηση, εύκολος συνδυασμός με άλλα χημικά ενεργά υλικά, χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά του φυσικού ιστού. Μειονεκτήματα: πολύ μικρή αντοχή σε μεγάλα φορτία, κρυσταλλοποίηση λόγω πολυμερισμού. 84

85 Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα είναι: Nylon, Teflon, PMMA (plexiglass), και η πολυουρεθάνη. 85

86 Σύνθετα υλικά Ονομάζονται αυτά που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα διακριτά μεταξύ τους συστατικά σε μικροσκοπική ή μακροσκοπική κλίμακα. Η διάκριση μεταξύ των συστατικών γίνεται σε επίπεδο ανώτερο του ατομικού. 86

87 Εφαρμογές και είδη βιοϋλικών 87

88 Παραδείγματα χρήσης βιοϋλικών Οδοντικά εμφυτεύματα Τεχνητή άρθρωση 88

89 Παραδείγματα χρήσης βιοϋλικών Καρδιακός βηματοδότης Παροχέτευση γλαυκώματος 89

90 Ολική αρθροπλαστική ισχίου Είναι πολύ συνηθισμένη η ταυτόχρονη χρήση διαφορετικών βιοϋλικών, όχι απαραίτητα της ίδιας κατηγορίας, ώστε να επιτυγχάνεται το ιδανικό και ταυτόχρονα επιθυμητό αποτέλεσμα. 90

91 Το παρόν Το 2011 στις ΗΠΑ, τα πέντε πιο συχνά χρησιμοποιούμενα εμφυτεύματα, ήταν: Τεχνητοί οφθαλμικοί φακοί Σωλήνες τυμπανοστομίας Stents στεφανιαίας αρτηρίας Προσθετική άρθρωση γόνατος Βίδες, πύροι, δίσκοι και ράβδοι από μέταλλο 91

92 Το παρόν Τεχνητός οφθαλμικός φακός Σωλήνας τυμπαστομίας 92

93 και το μέλλον Η εξέλιξη της ιστομηχανικής (Tissue Engineering) είναι το μεγάλο στοίχημα, με στόχο: Την εξέλιξη των καρδιακών βαλβίδων που αλλάζουν με τον ασθενή Την προώθηση και εξέλιξη της δημιουργίας τεχνητών κυττάρων και οργάνων Την εξέλιξη ολικής αρθροπλαστικής δίσκου και νέων μεταλλικών κραμάτων Η ανάπτυξη οστεογενετικών πληρωτικών Αποκατάσταση της όρασης 93

94 94

95 95

96 Ιστομηχανική Οι τρεις διακριτές βαθμίδες που συνεργάζονται και συμβάλλουν στην δημιουργία του βιολογικού ιστού προς μεταμόσχευση, σε συνθήκες εργαστηρίου, είναι: Το Ικρίωμα (Scaffold-Matrix) Το βιο-ενεργό περιβάλλον (Bioactive enviroment) Ο Βιο-αντιδραστήρας (Bioreactor) 96

97 Ιστομηχανική (Tissue Engineering) 97

98 Ικρίωμα Αποτελεί τη μήτρα πάνω στην οποία θα δημιουργηθεί ο νέος ιστός. Δίνει το κατάλληλο σχήμα και δομή ανάλογα με το είδος του ιστού που θα κατασκευάσουμε και υποστηρίζει την κατασκευή μέχρι να αποκτήσει σταθερότητα. Γενικά αποτελείται από σπογγώδες υλικό του οποίου τα κενά θα καλύψει ο νέος ιστός. Το υλικό του ικριώματος πρέπει να είναι βιοδιασπώμενο ή να απομακρύνεται εύκολα. 98

99 Βιο-ενεργό περιβάλλον Με τον όρο αυτό περιγράφονται οι συνθήκες που απαιτούνται να εφαρμοστούν στα κύτταρα ώστε αυτά να καταφέρουν να δημιουργήσουν τον ιστό που επιθυμούμε. Ανάλογα με τον ιστό μπορεί το περιβάλλον αυτό να περιλαμβάνει αυξητικούς παράγοντες, ροή σε επιλεγμένες περιοχές του ικριώματος, συγκεκριμένη θερμοκρασία, υγρασία, κλπ. 99

100 Βιο-αντιδραστήρας Αποτελεί την συσκευή ή το σύστημα που περιβάλλει και προφυλάσσει τον χώρο που δημιουργείται ο νέος ιστός και παράλληλα εξασφαλίζει την δημιουργία και διατήρηση του βιοενεργού περιβάλλοντος. Η κατασκευή του εξασφαλίζει συνθήκες που μιμούνται αυτές υπό τις οποίες βρίσκεται ο ιστός στον οργανισμό, εξασφαλίζοντας την λειτουργικότητα του παραγόμενου ιστού. 100

101 101

102 102

103 103

104 Βιοϋλικά στην Ιστομηχανική Χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη του Ικριώματος, την παροχή αυξητικών παραγόντων, φαρμάκων και βιοενεργών παραγόντων που καθορίζουν την ανάπτυξη του ιστού. Πρέπει να είναι μη τοξικά και διασπώμενα, ως μέρος μιας ευρείας γκάμας πλήρως βιοσυμβατών υλικών. 104

105 Βιοϋλικά στην Ιστομηχανική Φυσικά υλικά: μεγάλη ποικιλία πολυμερών (κολλαγόνο, ζελατίνη, ελαστίνη, κλπ.), πρωτεϊνών και πολυσακχαριτών χρησιμοποιούνται ως οι φορείς των κυττάρων και των βιοενεργών μορίων. Δυστυχώς υπάρχουν περιοριστικοί παράγοντες για την χρήση τους, όπως: κόστος, καθαρότητα, έλλειψη μηχανικών χαρακτηριστικών και μη δυνατότητα επεξεργασίας. 105

106 Βιοϋλικά στην Ιστομηχανική Συνθετικά υλικά: ξεπερνούν πολλά από τα μειονεκτήματα των φυσικών υλικών. Τα βιοδιασπώμενα συνθετικά πολυμερή παρέχουν πλήθος πλεονεκτημάτων σε σχέση με τα φυσικά υλικά, όπως είναι τα ελεγχόμενα μηχανικά χαρακτηριστικά τους και η ευκολία στην επεξεργασία τους σε σχήματα και μορφές που επιθυμούμε. Συνηθέστερα υλικά είναι οι πολυεστέρες που χρησιμοποιούνται και στα απορροφούμενα ράμματα. 106

107 Βιοϋλικά στην Ιστομηχανική Ημι-συνθετικά υλικά: Σε μερικές περιπτώσεις ο συνδυασμός φυσικών και τεχνητών πολυμερών υπερτερεί των καθαρών υλικών. Αυτά τα βιοσυνθετικά υβρίδια συνήθως σχεδιάζονται με την συνεργασία βιολογικά ενεργών μακρομορίων, πάνω στο σώμα συνθετικών πολυμερών με στόχο την βελτίωση της δομής και λειτουργίας. Στόχος είναι η επίτευξη της αναπαραγωγής της περίπλοκης εξωκυττάριας διέγερσης του τοπικού κυτταρικού περιβάλλοντος. 107

108 Αποκατάσταση της όρασης μέσω ηλεκτρονικής διέγερσης του αμφιβληστροειδούς 108

109 Βιβλιογραφία Park J, Lakes RS. Biomaterials An Introduction. 3 rd edition. New York: Springer;2007. Bronzino JD. The Biomedical Engineering Handbook, Volume I. 2 nd edition. Boca Raton: CRC Press and IEEE Press;2000. Webster JG. Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Volume I. 2 nd edition. Wiley- Interscience;2006. Bhat S, Kumar A. Biometarials and bioengineering tomorrow s healthcare. Biomatter. 2013;3(3):e Wong JY, Bronzino JD. Biomaterials. Boca Raton: CRC Press;2007. Archer C, Ralphs J. Regenerative medicine and biomaterials for the repair of connective tissues. Boca Raton: CRC Press;2010. Hench LL, Jones JR. Biomaterial, artificial organs and tissue engineering. Boca Raton: CRC Press;2005. Helmus MN. Biomaterials in the Design and Reliability of medical devices. Georgetown: R.G. Landes Company;2002. Levy JH. Biomechanics: Principles, Trends and Applications. New York: Nova Science Publishers Inc.;2010. Peterson DR, Bronzino JD. Biomechanics principles and applications. Boca Raton: CRC Press;2008. Bhatia SK. Biomaterials for clinical applications. New York: Springer;2010. Knudson D. Fundamentals of biomechanics. New York: Springer;2007. Huston RL. Principles of biomechanics. Boca Raton: CRC Press;2009. Rosen Y, Elman N. Biomaterials Science An Integrated Clinical and Engineering Approach. Boca Raton: CRC Press;2012. Ratner BD, Hoffman AS, Schoen FJ, Lemons JE. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine. 3 rd edition. Oxford: Elsevier;2013. Parida P, Behera A, Mishra SC. Classification of Biomaterials used in Medicine. IJAA Sep;1(3): Patel NR and Gohil PP. A Review on Biomaterials: Scope, Applications & Human Anatomy Significance. IJETAE Apr;2(4):

110 110