Biomekanik og biomaterialer

Download oversigt over studieforløbet

Typen af materialer anvendt i et medicoteknisk produkt kan være kritisk. I forsøget på at beklæde karproteser med patientens egne celler er der visse typer af polymere, der er mere egnet til cellevedhæftning end andre. Metaltrådene hvorpå tekstilet er fastgjort skal kunne huske sin udspændte form mens den er krympet sammen og placeret i indføringskateteret. Når karprotesen skubbes ud af kateteret, ændres dens temperatur til blodets temperatur, og metaltrådens molekylers gitterstruktur skifter tilbage til den oprindelige form. En legering af nikkel og titanium kaldet nitinol er sådant et shape memory materiale.

Hofteprotesen er et andet eksempel, hvor kendskab til materialevidenskab er en vigtig forudsætning. Protesen består af en stamme, der presses ned i lårbensknoglens rørformede hulrum. Stammen har tidligere været fastgjort med cement, men nu presses den konisk formede stamme blot ned i knoglen og sidder fast af sig selv. I de sidste generationer gives stammen en overflade af et porøst metal, således at knoglevæv kan gro ind i stammens overflade. Stammen var tidligere lavet af stål, men er nu en legering af titanium eller en legering af kobber og krom. Protesens kugleformede hoved er lavet af aluminium, zirconia eller en legering af kobber og krom. Den del af protesen, der indsættes i bækkenet, er formet som en kop, hvor det kugleformede protesehoved kan indsættes. Er koppen lavet af metal er den ofte lavet af en legering af kobber og krom eller af aluminium. Koppens ydre skal er porøs, så bækkenknoglen kan gro ind i koppen. Koppen kan også være lavet af polyætylen. I så fald er den indsat i en metalskal med en porøs yderside. Keramik har også været anvendt til koppen.

Man skulle tro, at stammen skulle laves af så stift et materiale som muligt. Det har imidlertid vist sig, at hvis stammen er meget stiv, vil den bære den største del af personens vægt. Knoglevævet uden om stammen vil bære en ringe vægt, og som med astronauter i vægtløs tilstand vil knoglens indhold af kalk reduceres. Herved blødgøres knoglen, og stammen kan ikke længere sidde fast forankret i knoglen. Af denne grund anvender man ikke længere stål til stammen.

De materialevidenskabelige aspekter af medicotekniske produkter indebær specialviden om både metaller, keramer og polymere. Disse materialer ligger også inden for rammerne af klassiske ingeniøruddannelser inden for materialevidenskab. Så hvad er forskellen på at specialisere sig inden for den klassisk materialevidenskab og inden for biomateriale-området?

I en uddannelse inden for den klassiske materialevidenskab vil man, ud over en omfattende viden om metallers, keramers og polymeres mekaniske egenskaber, også lære om mere grundlæggende forhold, der gør det muligt at udvikle nye materialer. En medicoingeniør med speciale i biomaterialer vil som regel ikke beskæftige sig med fremstilling af nye typer materialer, men derimod med at udvælge de bedst egnede blandt kendte materialer. I vurderingen af egnethed indgår ikke kun viden om de mekaniske egenskaber, men også viden om materialers biokompatibilitet, dvs. nedbrydningsprocesser i kroppen, proteiner og cellers interaktion med forskellige materialetyper, immunreaktioner, sårheling og betændelse. En medicoingeniør med speciale i biomaterialer arbejder således i krydsfeltet mellem materialevidenskab, faststofmekanik og cellebiologi.