Table of Contents
מבוא ל-Biomaterials חכמים באורתופדיקה
שברים ופגמים נשארים אתגר קליני משמעותי, עם מיליוני מקרים ברחבי העולם הדורשים התערבות כירורגית והחלמה ממושכת. גישות מסורתיות לריפוי העצם לעתים קרובות להסתמך על שתלים סטטיים או grafts המספקים תמיכה מכנית אבל לא מציעים משוב על ההתקדמות הביולוגית של תיקון.הופעתם של רקמות חכמות - חומרים מעובדים המסוגלים לחישה ולהגיב לשינויים פיזיולוגיים מקומיים - פתחה דרך מעצבת במולקולות מתקדמות יותר, מאשר לשילוב של חומר מרפא, עם חומרים גמישים, עם מחלות גופניות, ופעולות ריפוי, באופן פעיל, ופעולות אקטיביות, ופעולות אקטיביות, עם תפקוד גופניות, ופעולות אקטיביות יותר, עם אקטיביות, עם אקטיביות יותר, עם אקטיביות, עם אקטיביות, עם אקטיביות, עם אקטיביות, עם אקטיביות, עם תפקוד יעיל יותר, עם אקטיביות, עם אינטימיות, עם אינטימיות, עם אינטימיות, עם אקטיביות, עם אקטיביות, עם אקטיביות, עם אינטימיות, עם מוטציות יעילות יותר, עם תכונות ריפוי עצמיות, על ידי ריפוי עצמיות, על ידי ריפוי עצמיות, על ידי ריפוי עצמיות, על ידי שילוב של חומר ריפוי עצמיות, על ידי שילוב של חומר
הנחת הליבה של biomaterials חכמים היא התגובה שלהם לגירויים כגון שינויים pH, וריאציות טמפרטורה, פעילות אנזומטית, טעינה מכנית או שדות חשמליים. בהקשר של ריפוי העצם, גירויים אלה קשורים באופן אינטימי לשלבים של דלקת, קריאה קלה מזוהה, חיישנים קשיחים הנקראים מינרליזציה קשיחה, ושיפוץ. לדוגמה, במהלך שלב דלקתי מוקדם, pH מקומי טיפות עקב חומציות; מרפאות pH-דלקת לאחר מכן יכול להיות מוטבעת חומרים דינמית או דינמית.
Defining Characteristics of Smart Biomaterials for Bone Regeneration
מעקב בזמן אמת ו- Feedback
בניגוד ל-grafts קונבנציונלי, ביו-חומרים חכמים נועדו לעקוב באופן רציף אחר הפרמטרים הריפוי. זה מושג באמצעות ביוסנסורים משובצים המדיקים סמנים כגון pH, מתח חמצן, ריכוז ion, או חלבונים מסוימים הקשורים העצם כגון alkaline phosphatase (ALP) ו-Ostamstracin. נתונים מחיישנים אלה יכולים להיות מועברים באופן אלחוטי לקוראים חיצוניים, המאפשרים להעריך מרפאים כדי להעריך ללא הפרעה מוקדמת, כגון טיפול תרופתי, כגון הפרעה חומצה פולשנית, או הפרעה.
ביו-אקטיביות וביוטכנולוגיה
כל חומר המיועד להשתלה חייב לעמוד בדרישות ביו-תחרותיות מחמירות. ביו-חומרים חכמים לריפוי העצם מבוססים בדרך כלל על פולימרים נגזרים טבעיים (collagen, chitosan, חומצה היאלורונית) או פולימרים ביו-תואמים סינתטיים (polycaprolactone, poly(lactic-co-glycolic acid)), בשילוב עם חומרים ביו-אקטיביים כמו hydroxyapatite או tricium פולשנית, בנוסף, כמו גם חומרים רעילים.
התנהגות מגיבה
האינטליגנציה של חומרים אלה טמונה ביכולתם לשנות נכסים או לשחרר מטען בתגובה לרמזים ספציפיים. מנגנוני תגובה מרכזיים המשמשים לריפוי העצם כוללים:
- (FLT:0) מערכות אחריות: ראטפל:1 (פולימרים עם קבוצות ionizable (למשל, חומצה פולית (acrylic), Chitosan) swell או degrade ב pH נמוך, שחרור תרופות מחוסנים או גורמי צמיחה בדיוק כאשר דלקת היא נוכחת.
- (FLT:0) מערכות חלוציות: אנדרל:1 , Thermoresponsive פולימרים כמו פולי(N-isopropylacrylamide) עוברים מעברי שלב ליד טמפרטורת הגוף, המאפשר שחרור מבוקר או לעצב אפקטים זיכרון עבור פריסה ספוגית.
- (FLT:0) מערכות אחראיות של גלקסיות: ibph:1 חומרים המשלבים רצפים peptide על ידי ממטריקס מתכתלופרופרופרוטאיזז (MMPs) בתגובה לפעילות אנזאית באתר הריפוי, המאפשר החלפת הדרגתית על ידי עצם חדשה.
- (FLT:0) מערכות אחראיות: ⁇ 1 חומרי Piezoelectric (למשל, פוליווינילidene fluoride) לייצר מטען חשמלי תחת לחץ מכני, מחקים את התכונות אלקטרומכאניות הטבעיות של העצם וממריצים פעילות osteoblast.
משלוח סמים
ביו-חומרים חכמים יכולים לתפקד כספקי סמים לפי דרישה.על ידי שחרור סמים עם חיישן לקרואouts, סוכנים טיפוליים מועברים רק כאשר הם נדרשים, צמצום תופעות לוואי מערכתיות ושיפור יעילות.לדוגמה, פענוח הידרוג'ל החושים כי metabolites חיידקיים יכולים לשחרר אנטיביוטיקה מקומית, למנוע זיהום ללא להסתמך על מינון מערכתי הסתברותי באופן דומה, שחרור של BMP-2 יכול להיות מופעל כאשר הנתונים התזמון המקומי הוא מציין.
טכנולוגיות מובילות לפיתוח ביולוגי חכם
ננוטכנולוגיה וננוקוםיטים
הנדסה ננומטרית מספקת שליטה מדויקת על פני השטח, פורוזיות, ופונקציונליות כימית. nanoparticles (זהב, סיליקה, תחמוצת ברזל) ניתן לשלב לתוך פולימר או מטבוליות קרמיקה כדי להקנות תכונות כגון תגובה מגנטית, יכולת פוטוותרמית, או רגישות מוגברת חיישן.לדוגמה, חלקיקים מגנטיים מאפשרים מניפולציה חיצונית של שימוש בשדות מגנטיים, תוך כדי לשרת ניגודיות עבור ניטור MRI.
אינטגרציה ומיקרואלקטרוניקה
biosensors מיני-מעור הם מרכיב מפתח.זה יכול להיות אלקטרוכימי (למשל, חיישנים עומס amperometric עבור גלוקוז או לקטטה), אופטי (למשל, חיישנים מבוססי פלואורשן באמצעות צבעים), או דו"ח אדזואלקטרי (למשל, מיקרו-מאזן גבישי עבור חישה המונית).
פולימרים אחראיים ו- Hydrogels
הידרוג'ל, עם תכולת המים הגבוהה שלהם ותכונות טוטליות, הם גמישים במיוחד.הם יכולים להיות נועדו לעבור מעברים סולמות, שינויים נפיחות, או השפלה בתגובה לגירויים. Double-networkgels לשלב קשיחות גבוהה עם ביו-גמישות, מה שהופך אותם מתאימים ליישומים עצם עומס-נשא.
הדפסה 3D ו Bioprinting
ייצור אדרטיבי מאפשר מיקום מרחבי מדויק של חומרים מרובים, חיישנים ואפילו תאים חיים בתוך biomaterials חכמים מודפס 3D יכול לשלב ⁇ של גורמי צמיחה, פורוזיות, ונוקשות כדי להנחות חידוש רקמות באופן ספציפי באתר. bioprinting נוסף מאפשר הכללה של אוסטאובסטוסטים או תאי גזע mesenmal, יצירת מבנה חי שיכול להטמיע את החיישנים אמיתיים יכול להיות מטביעה בתוך המבנה הפונקציונלי של דפוס אמיתי.
יישומים נוכחיים והוכחה למחקרים
pH-Sensitive hydrogels for זיהומים
כמה קבוצות מחקר פיתחו הידרוג'ל מבוסס שיוטסאן שמשנות צבע או פלואורסנס בתגובה לריאציות pH.מחקר בולט אחד כיבד הידרוג מבוסס שינטוסאן עמוס בצבע כחול ברומול, אשר הופך צהוב בסביבות חומציות (pH < 6) וכחול בתנאים נייטרליים / basic. כאשר מושתל במודל של עכברוש, הגל דיווחו בהצלחה על זיהום מוקדם (pH < 6) לפני שגיאומים פשוטים) הופיע ללא אלקטרוניקה פשוטה.
Piezoelectric Scaffolds for Mechanical Stimulation
חומרים Piezoelectric לייצר פוטנציאלים חשמליים כאשר עיוות מכנית.בעצם, ⁇ טבעית סיבים קולגן ממלא תפקיד בשמירה על מסת העצם. Synthetic ⁇ electrics שנעשו מפוליווינילidene פלואורידיד-trioroethylene (PVDF-TrFE) הוכח כדי לשפר את הגוון האוסטאוגני של תאים מתחת לטעינה פוליוויאלית, בנוסף למתחים חזותיים של חומר הידרוגניים, אשר יכול לספק הורמון חום עדכניים של חומר מכניים, כגון אפקט הידרוגני, אשר עשוי להיות בעל מבנה רדיו, אשר עשוי, אשר עשוי להיות בעל מבנה גוף יעיל של תאים מכני.
חיישן אלחוטי - Embedded Orthopedic Implants
אבטיפוס קליני קיים כעת עבור צלחות חכמות ומברגים המדיקים את המתח, הטמפרטורה והאימפולס.לדוגמה, פרויקט "Screw חכם" על ידי אוניברסיטת בריסטול משלב חיישן זן MEMS וזיהוי רדיו- ⁇ (RFID) לתוך בורג טיטניום.המכשיר משדר נתונים לקורא חיצוני, ומאפשר למנתחים לפקח על שברים נוקשים לאורך זמן.
אתגרים בתרגום ואימוץ קליני
זמינות ביולוגית ויציבות ארוכת טווח
אלקטרוניקה מושתלת ופולימרים מגיבים חייבים להישאר יציבים ולא רעילים במשך חודשים או שנים. סחף חושי, השפלה של ציפוי פולימרי, ונפיחות חיסונית של גופים זרים יכול לפשרה פונקציונליות.לדוגמה, התגובה של גוף זר דלקתי עלולה להוביל להיווצרות קפסולת פיברטית סביב חיישנים, מחלישה אותם מן הסביבה הריפוי.
חשמל אלחוטי ועברת נתונים
חיישנים פעילים דורשים כוח, בדרך כלל מסוללות שמוספות חלק גדול וסיכון של דליפת.הפחתת אנרגיה או קצירת אנרגיה מתנועת הגוף (למשל, קצירת אלקטריק) הן חלופות, אבל מספיק אנרגיה עבור ניטור רציף הוא עדיין אתגר. תקשורת ליד שדה יכול לספק סוללות אלחוטיות על פני מרחקים קצרים (כמה סנטימטרים), אשר חליפות שטחיות אבל הוא לא מעשי עבור שתלים עמוקים כמו טכנולוגיות אגן או מהירות).
סיקור וייצור הארדלס
ביו-חומרים חכמים מסווגים כמוצרים משולבים (דטרי / סמים / סמים / ביולוגיה) בתחומים רבים, מורכבות רגולטורית מוגברת.כל רכיב משולב - רגיש, פולימר, סמים - חייב לעמוד בסטנדרטים נפרדים של בטיחות ויעילות. תהליכי ייצור עבור חומרים רב-תפקודיים אלה עדיין לא סטנדרטיים, המוביל ל-Varyability.בנוסף, עלות נשארת מחסום: שתל חכם עשוי להיות 5-10 פעמים יותר מאשר חלופה, מסלולים אלה, לא ברורים, אם הם יכולים לשפר את עלויות טיפול תרופתיות, אך לא ברורות, אך לא ניתן לשפר את עלויות טיפול.
כיוונים עתידיים וחדשנות מתפתחת
מערכות ריפוי אוטונומיות מלאות
החוקרים רואים מערכת סגורה-loop שבה הביו-חומר החכם לא רק לפקח על ריפוי, אלא גם להתאים את הטיפול בזמן אמת.לדוגמה, הפיגום אשר מזהה vascularization לא מספיק יכול לשחרר VEGF כדי לקדם אנגוגנזה, תוך הגדלת הנפיחות כדי להקל על זרימת חומרים מזינים. אלגוריתמים למידת מכונות יכולים לנתח תבניות נתונים ואופטימיזציה של לוחות זמנים של תרופות מוקדם באזור זה משתמש מחיישנים אופטיים כדי לשחרר חיישנים אופטיקוגניים כדי אלגוריתמים ל-אוסטאוסטאוסטאוסטאוסטאוסטאומדומיים.
שילוב עם בריאות דיגיטלית וTelemedicine
שתלים חכמים אלחוטיים יכולים להתחבר לפלטפורמות בריאות ניידות, המאפשרים ניטור מרחוק מתמשך של חולים יכולים לשאת קורא לביש המעביר נתונים למנתח האורתופדי שלהם, מזהיר אותם למגמות חריגות.זה חשוב במיוחד לחולים באזורים כפריים או אלה עם ניידות מוגבלת.כמה סטארט-אפים כבר מפתחים ניתוח מבוסס ענן עבור נתונים השתלים, במטרה ליצור מערכות התראה מוקדמות לסיבוכים כגון אי-התערבות או זיהום.
Multifunctional Nanocomposites
הדור הבא של biomaterials חכמים ישלב פונקציות מרובות בפלטפורמה אחת.לדוגמה, ננופול המכיל ננוד זהב (עבור טיפול אנטי-בקטריאלי פוטוותרמי), חלקיקים חד-חמצני ברזל (להדרכה מגנטית וניגוד MRI), ו meso ⁇ silica nanoparticles (לטעינה סמים) יכול לספק בו-זמנית, הדמיה, ניטור, למרות עדיין בהוכחה של תפיסה משולבת, כדי להציג את המראה רב-שלב של מערכות ריפוי משולבות של הטבע.
Bioresorbable ואלקטרוניקה Biodegradable
אחת ההתפתחויות המרגשות ביותר היא יצירת אלקטרוניקה transient כי להתמוסס ללא פגע לאחר מילוי תפקידם.חומרים כמו מגנזיום, אבץ ופולי (חומצה גלקטית) ניתן להשתמש כדי לייצר חיישנים ועיגולים שעולים למוצרים ביו-תואמים לאחר הריפוי הושלם.זה מבטל את הצורך בניתוח שני כדי להסיר את השתל.
מסקנה
הפיתוח של ביו-חומרים חכמים למעקב בזמן אמת של ריפוי העצם מייצג שינוי פרדיגמטי בטיפול אורתופדי.על ידי נישואי חומרים מדע, טכנולוגיית חיישן והנדסה ביו-רפואית, מערכות אלה מציעות תובנה חסרת תקדים להתקדמות הביולוגית והמכנית של תיקון השבירה.למרות שאתגרים משמעותיים נשארים - במיוחד בחומרים ביו-אופטימיים לטווח ארוך, אספקת חשמל ואישור רגולטורי - קצב החדשנות המהיר של אימוץ קליני הוא על פני טכנולוגיות מתקדמות, אך לא יכולות לצפות להפחתה בטוחה יותר, אך טיפולית, אך לא-אישית, כמו גם לסיבוכים יעילים יותר, אך לא-אישיים, אך לא-אישיים, כמו גם לסיבוכים יעילים יותר, אך לא-כי-כי-אישיים, אך לא-אישיים, כמו גם בזיהומים, אך לא-אישיים, אך לא-כימיים, כמו גם בזיהומים יעילים יותר, אך לא-אישיים, כמו גם בזיהומים יעילים יותר, ולא-כי-כי-כי-כי-כי-כי-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח-טווח ארוך-טווח ארוך-טווח ארוך
(ב) עיין במקורות הסמכותיים הללו:0.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.