ביו-חומרים

גופנו זקוק לחלקי חילוף: אברים שונים מתבלים עקב השימוש בהם, אחרים נפגמים ונקטעים כתוצאה ממחלות ותאונות, השנים מביאות איתן את הזקנה והעיפות, והגוף האנושי הולך ונשחק עם השנים. ביו-חומרים הם חומרים המשמשים להחלפת חלקים של מערכות ביולוגיות או לפעולה במגע קרוב עם רקמות חיות. חומרים אילו אמורים להיות במגע או להגיב עם מערכות ביולוגיות. תכונות: מחומרים אילו נדרש לא להיות רעילים, ולהתאים את עצמם לסביבה הביולוגית של גוף האדם (ביו-קומפטבילים). כאשר נדרש לענות על צורך רפואי נתון, יש להגדיר קודם כל את הדרישות הרצויות מאותו ההתקן על-מנת שימלא בצורה טובה את תפקידו. לכן, בנוסף על היותו של ההתקן ביו-קומפטבילי, יש להכיר את הסביבה בה הוא צריך לשרת, וכן להגדיר את התכונות המכניות הנדרשות מאותו התקן, כדי למלא את תפקידו תחת העומסים המופעלים עליו על-ידי הגוף. החומרים שיבחרו למשימה זאת צריכים להיות בדרך כלל עמידים לאורך זמן (למעט חומרים שנרצה שיתמוססו בגוף במהרה), בסביבת הגוף שהיא סביבה קשה ועויינת (מבחינה כימית). בתוך סביבה אגרסיבית שכזאת התכונות המכניות של החומר עשויות להשתנות במשך הזמן.

שימושים של ביו-חומרים: שתלים שונים (תחליפי עצמות, מפרקים, מסתמים), סטנטים ללב, שתלי שיניים, חומרים לציפוי שיניים, עדשות מגע ועוד.

יישומים של ביו-חומרים:

• איברים מלאכותיים (יד מלאכותית, עצם מלאכותית וכו')

• החלפת חלק של הגוף שאיבד את יכולתו לתפקד בשל מחלה או טראומה (החלפת ראש פרק ירך, מכשיר דיאליזה לכליות, כלי דם וכו').

• עזרה בריפוי של רקמה (חוטי תפירה, ברגים ופלטות לאיחוי עצמות).

• שיפור פעולה ותפקוד של איברים (קוצב לב, עדשות מגע).

• דבקים רפואיים לרקמות קשות ורכות.

• שיחרור מבוקר של תרופות.

• ביו-סנסורים

• הנדסת רקמות

דוגמאות לחומרים מתכתיים המשמשים בתחום הביו-רפואה:

טיטניום, פלטינה, פלב"מ (פלדת אל-חלד), זהב, ניטנול (סגסוגת ניקל-טיטניום בעלת זיכרון צורה), אמלגם (בתחום רפואת השינים). יתרונות השימוש במתכות: חוזק גבוה, קשיות טובה, קשיחות וחסינות טובה לשבר. חסרונות: המתכת עשויה לעבור קורוזיה בסביבות אגרסיביות מסויימות. שימושים של מתכות בתחום הביו-רפואה: שתלים ואיברים חילופיים (שתלים אורתופדים כדוגמת החלפת מפרק, שתלים וברגים בעמוד השידרה, שתלים דנטליים – קיבוע שברים), סטנטים לעורקים.

דוגמאות לחומרים פולימרים המשמשים בתחום הביו-רפואה:

ניילון, טפלון, דקרון. יתרונות: קלים, גמישים, זולים, קלים לייצור, ניתן לשלוט בתכונות. חסרונות: חלשים, מתעוותים עם הזמן, עלולים לעבור דגרדציה לאחר שימוש ממושך. שימושים: תפרים, תחליפי כלי דם, שקע למפרק מלאכותי, רקמות רכות, סחוסים, ציוד מתכלה, פרותזות, דנטלי, שתלים, חבישת פצעים, שחרור תרופות, הנדסת רקמות והתקנים חוץ גופיים כמו דיאליזה.

הידעת! - ביומימטיקה או ביומימיקרי (biomimicry) הוא ענף בין-תחומי (אינטרדיסציפלינרי) המשלב בין ביו (חיים) לבין מימיסיס (חיקוי ביוונית). תחום זה מנסה לפתור בעיות שונות, כולל בעיות טכנולוגיות ועיצוביות באמצעות חיקוי רעיונות והתנהגויות מן הטבע, כולל המתנהגותם של בעלי חיים, צמחים ומערכות אקולוגיות הקיימות בטבע. באמצעות הביומימטיקה מנסים כיום מהנדסים, מדענים ואדריכלים לקיים דו-שיח ציבורי פורה שמטרתו לאפשר שיתופי פעולה בין אנשי מקצוע מתחומים שונים במטרה לשפר יעילות של מערכות קיימות ולעצב סביבה חכמה וידידותית יותר לאדם ולטבע שמסביבו, אך יחד עם זאת ליצור סביבה יעילה יותר מבחינה אנרגתית.

דוגמאות לחומרים קרמים המשמשים בתחום הביו-רפואה:

אלומינה (תחמוצת האלומיניום - Al2O₃, קוורץ SiO₂, חרסינה (ברפואת שינים), הידרוקסיאפטיט (חומר חצי אינרטי בעל הרכב זהה לזה של העצמות. כאשר מצפים שתל מתכתי כדוגמת טיטניום בציפוי דק של הידרוקסיאפטיט, הדבר מאפשר לרקמות הרכות להתחבר ביותר קלות לשתל).

תרונות החומרים הקרמים: ביוקומפטבילים, אינרטים (עמידים לכן בסביבות הכימיות האגרסיביות שבגוף), חזקים בלחיצה, מבודדים מבחינה חשמלית, היתוך גבוהה. חסרונות: פריכים (שבירים) וחסרי גמישות. שימושים: משתלים דנטליים.

שימושים בתחום הביו-רפואה: שתלים (חלקי מפרקים, שסתום לב, רפואת שיניים, שתלים אורתופדיים בעלי פני שטח פורוזיביים).

תכונות מכניות

על שתלים ורכיבים סינטטים בגוף האדם פועלים כוחות שונים, כדוגמת כוחות מתיחה, לחיצה, גזירה או שילוב שלהם (כפיפה גורמת לחלק מהחומר להיות בלחיצה ולחלקו להיות במתיחה). הרקמות בגוף נתונות גם הן לעומסים שונים, לדוגמה השלד והעצמות נושאים בעומסי הגוף והם ניתנים בעיקר תחת עומסי לחיצה. בכלי הדם לעומת זאת יש לחץ פנימי הנוטה להרחיב את קוטרם כך שהם מרגישים כוחות מתיחה, ובנוסף הדם הזורם בכלי הדם מפעיל כוחות גזירה על הדופן הפנימית שלהם.,

הידעת! - סטיב אוסטין האיש השווה מיליונים, הוא גיבור סדרת טלוויזיה בלשית שהופקה על ידי חברת ABC ושודרה בארצות-הברית בשנות ה-70 של המאה ה-20 (בין 1974 ל-1978) וכן גיבור מספר סרטים וספרים שיצאו בעקבות הסדרה. הללו המבוססים כולם על רומן המדע בדיוני "סייבורג" מאת מרטין קיידין. בערוץ הראשון והיחיד באותה עת של הטלוויזיה הישראלית שודרה הסדרה בין 1976 ל-1979.

לפי סיפור המסגרת שהוצג בפתיח שבתחילת כל פרק בסדרה, אוסטין היה אסטרונאוט שנפגע בתאונה קשה וכמעט נהרג. בניתוח, שעלותו 6 מיליון דולר, הושתלו לו יד, רגליים, ועין מלאכותיים, שהפו אותו לסייבורג או "אדם ביוני", שמשלב רכיבים אנושיים, אלקטרונים ומכניים, היוצרים אדם-מכונה בעל יכולות בלתי רגילות. החלקים הביוניים בגופו הופעלו באמצעות מחשב שחובר ישירות למוחו של אוסטין ומקור האנרגיה שלהם היו סוללות גרעיניות זעירות באיברים הביוניים. אוסטין היה מסוגל לרוץ במהירות של 100 קמ"ש, ידו הייתה בעלת כוח אדיר ולעינו הביונית היה כושר זום לראייה מרחוק וכושר ראייה באינפרה אדום. כתוצאה מיכולותיו הוא נשכר על ידי הסוכנות הדמיונית OSI.