مهندس پزشکی بیومتریال

زیست‌ماده یا بیومتریال (به انگلیسی: Biomaterial) به ماده‌ای با منشأ مصنوعی یا طبیعی گفته می‌شود، که به منظور بهبود، درمان، التیام یا جایگزینی بافت موجودات زنده به کار می‌رود.

زیست‌مواد به عنوان یک علم حدود ۵۰ سال است که مطرح شده‌است. علم بیومتریال شامل مباحثی از علوم پزشکی، زیست‌شناسی، شیمی، مهندسی بافت و علم مواد می‌شود.

توجه کنید که زیست ماده با ماده بیولوژیکی فرق دارد، همانند استخوان که در یک دستگاه زیستی ساخته می‌شود.

یومتریال‌ها می‌توانند از طبیعت گرفته شوند یا در آزمایشگاه‌ها به وسیله به کار بردن آلیاژهای فلزی، سرامیک‌ها، پلیمرها و کامپوزیت‌ها با روش‌های شیمیایی گسترده ساخته شوند، آن‌ها غالباً برای اقدام‌های پزشکی استفاده می‌شوند یا ساخته می‌شوند و بدین ترتیب شامل یک قسمت یا کل یک ساختار زنده یا یک ابزار پزشکی هستند که یک کارکرد طبیعی را انجام بدهد، تکمیل کند یا جایگزین آن شود.

بعضی از کارکردها شاید ظریف باشند، مانند استفاده شدن در دریچهٔ قلب، یا شاید زیست فعال باشند با تعامل کاربردی بیشتر مثل هیدروکسی آپاتیت که ایمپلنت‌های مفصل ران را پوشش می‌دهد.

بیومدیکال‌ها هم چنین هرروزه در سازه‌های دندانی، جراحی و دارورسانی استفاده می‌شوند.

به‌طور مثال یک سازهٔ آغشته به محصولات دارویی می‌تواند در یک بدن جای بگیرد، که اجازه می‌دهد این دارو مدت جذب بیشتری داشته باشد و در مدت زمان طولانی تری جذب شود.

انتخاب مواد صحیح برای کاشت و پیوند در بدن انسان، یکی از حساس‌ترین و مشکل‌ترین عملیات است.

بطور کلی بیومواد باید دارای خصوصیات زیر باشند:

1. از نظر شیمیایی خنثی باشند.
2. اثر سوء بر بافت‌های مجاور نداشته باشند.
3. طول عمر آن‌ها زیاد باشد.
4. استحکام خستگی بالا داشته باشند.
5. بر فرایندهای متابولیسم آزاد بدن تأثیر مخرب نداشته باشند.

عوامل فوق «فاکتورهای سازگاری زیستی» نامیده می‌شوند.

کانی‌سازی زیستی (بیومتریالیزیسیون)

کانی‌سازی زیستی به وسیلهٔ موجودات زنده‌ای که مواد معدنی تولید می‌کنند انجام می‌پذیرد، اغلب برای سفت یا سخت کردن بافت‌های موجود در بدن. بعضی از این بافت‌ها کان‌بافت نامیده می‌شوند.

این یک پدیدهٔ به شدت گسترده است؛ تمام شش طبقه‌بندی قلمروها شامل اعضایی می‌شوند که قادرند مواد معدنی تولید کنند و بیشتر از ۶۰ نوع مواد معدنی متفاوت در موجودات شناخته شده‌است.

مثال‌ها شامل سیلیکات‌ها در جلبک‌ها و دیاتوم‌ها، کربنات‌ها در بی مهرگان و کلسیم فسفات‌ها و کربنات‌ها در مهره داران است.

این مواد طبیعی معمولاً ساختار ظاهری را شکل می‌بخشند، مانند صدف‌ها و استخوان‌ها در پرندگان و پستانداران.

موجودات زنده بیش از ۵۵۰ میلیون سال است که اسکلت معدنی تشکیل می‌دهند. مثال‌های دیگر مانند کانسار یا ته‌نشین‌های مس، طلا و آهن است که شامل باکتری می‌شود.

مواد معدنی بیولوژیک غالباً استفاده‌های خاصی مانند سنسورهای مغناطیسی در باکتری‌های مغناطیسی دارند، دستگاه‌های احساس جاذبه و ذخیرهٔ آهن و تحرک.

انتخاب بیومواد تمام موادی که در پزشکی برای کاشتن یا مصرف به کار می روند، از جنس فلزات، پلیمرها، سرامیک ها و کامپوزیت ها و یا ترکیبی از مواد مذکور می باشند.

جایگزینی بافت با مواد مصنوعی از طریق انتخاب ماده ای که خواص فیزیکی-مکانیکی آن بسیار شبیه و نزدیک به بافت طبیعی است، به انجام می رسد.

برای کاربردهایی در رابطه با بافت نرم (پوست، زردپی، بند یا رباط، پستان، چشم، سیستم عضلانی و صورت) بسپارهای طبیعی یا مصنوعی برای جایگزینی بافت صدمه دیده استفاده میشود.

فلزات، سرامیک ها و کامپوزیت ها به طور گسترده‌ای برای جایگزینی یا تقویت و مستحکم سازی دندان و استخوان به کار می رود.

ضریب کشسانی و استحکام بافت های نرم معمولا کمتر از 100 مگا پاسکال است؛ بنابراین پلیمرها با داشتن استحکام مشابه و استحکام کشسانی کمی بالاتر متداولترین ماده برای جایگزینی این نوع بافت ها به شمار می‌آیند.

برعکس استخوان دارای استحکام کششی بالاتری است و ضریب کشسانی آن خیلی بیشتر از ضریب کشسانی بافت نرم می‌باشد.

از آنجا که پلیمرها دارای ضریب کشسانی حدود 10 گیگا پاسکال نمی‌باشند آلیاژهای فلزی، سرامیک ها و کامپوزیت های تقویت شده با رشته برای جایگزینی استخوان مصرف می شوند.

خودسامانی (خود مونتاژ)

خودسامانی رایج‌ترین عنوان به کار گرفته شده در جامعهٔ علمی امروز، به معنای تجمع هم‌زمان اجزای مختلف مثل اتم‌ها، مولکول‌ها، کلوییدها و میسل‌ها بدون هرگونه اعمال خارجی می‌باشد.

گفته شده‌است که کثیری از این دسته مواد از لحاظ ترمودینامیکی ثابت، ساختاری با آرایه تعیین شده و یادآور یکی از ۷ سیستم کریستالی که در متالورژی و کانی‌شناسی کشف شده است، می‌باشند.

فرق اساسی در این مواد توازن فضایی آن‌ها در اندازه هر سلول واحد یا شبکه بلور آن‌ها می‌باشد.

خود مونتاژ به‌طور گسترده در سیستم‌های بیولوژیکی دیده می‌شود و جزو اصول پایه دربسیاری از سیستم‌های پیچیده بیولوژیکی می‌باشد.

این مولکول‌ها در واقع ظهور یک ردهٔ جدید بیومتریال‌های استوار بر ویژگی‌های ریزساختاری در طبیعت می‌باشند.

این مولکول‌ها هم چنین در نانوتکنولوژی و سنتزهای شیمیایی بسیار نو ظهور و کاربردی هستند.

کریستال‌های مولکولی، کریستال‌های مایع کولوئیدها و میسل‌ها، امولسیون‌ها و پلیمرهای خود-مجزا فیلم‌های نازک و خود-تشکیل‌های تک لایه مثال‌هایی از این مولکول‌ها هستند.

ویژگی متمایزکننده این‌ها خود سازمان دهی می‌باشد.

کاربرد

بیومتریال‌ها در موارد زیر استفاده می‌شوند:

1. جایگزینی مفاصل
2. صفحات استخوانی
3. پروتز ایمپلنت دندانی
4. تاندون و رابط استخوانی
5. پروتز رگ های خونی
6. دریچه قلب
7. دستگاه ترمیم پوست
8. مکانیسم دارورسانی
9. ایمپلنت سینه
10. پیوند عروق
11. بخیه های جراحی
12. مواد پایدار
13. استنت ها
14. مجراهای عصبی
15. پین و پیچ برای تثبیت شکستگی ها
16. مش جراحی

پروتزهایی که در بدن کاشته می‌شوند، بسته به نوع واکنش بدن، به ۴ نوع زیر تقسیم می‌شوند:

۱. سمی:اگر ماده سمی باشد، بافت‌های اطراف آن از بین می‌روند.

 

۲. خنثی:اگر ماده غیر سمی و از لحاظ بیولوژیکی غیرفعال باشد، بافت الیافی با ضخامت متغیر بین بافت پایه و پروتز تشکیل می‌شود.

 

از آنجایی که این بافت هیچ‌گونه پیوند فیزیکی-شیمیایی با اجزای مجاور ندارد، به راحتی حرکت کرده و سبب رها شدن پروتز می‌شود.

۳. بیواکتیو:اگر ماده غیر سمی و از لحاظ بیولوژیکی فعال باشد، در سطح مشترک بافت پایه و پروتز پیوند تشکیل می‌شود.

 

۴. قابل جذب:اگر ماده غیر سمی و قابل انحلال باشد، بافت‌های اطراف به تدریج جایگزین آن می‌شوند.

سازگاری

سازگاری زیستی به رفتار زیست ماده‌ها در محیط‌های مختلف تحت شرایط فیزیکی و شیمیایی مختلف مربوط است.

این جمله ممکن است به خواص ویژهٔ یک ماده اشاره کند.

بدون مشخص کردن مکان یا طریقهٔ مورد استفاده قرار گرفتن آن ماده.

برای مثال یک ماده ممکن است تحت شرایط متفاوت روی یک موجود زنده پاسخ‌های متفاوتی بدهد مثلاً واکنش ایمنی را برانگیخته کند یا نه

یا ممکن است با تیپ خاصی از سلول یا بافت ادغام بشود یا نشود.

نقطهٔ ابهام این جمله پیشرفت‌های مداوم نگرشی در چگونگی اثر متقابل زیست ماده‌ها با بدن انسان رو منعکس می‌کند و در نهایت اینکه این تقابل‌ها چگونه موفقیت بالینی تجهیزات پزشکی را معلوم می‌کنند مثل دستگاه تنظیم‌کنندهٔ ضربان قلب و دستگاه جایگزینی مفصل ران.

پروتز‌ها و دستگاه‌های جدید گاهی وقت‌ها از بیش از یک ماده تشکیل شدند، پس ممکن است همیشه برای صحبت راجع به سازگاری زیستی مواد خاص کافی نباشند.

زیست بسپار (بیوپلیمر)

به پلیمرهایی که توسط موجودات زنده ساخته می‌شوند، بیوپلیمر گویند.

سلولز و نشاسته، پروتئین و پپتید، و دنا و رنا همگی مثال‌هایی از بیوپلیمرهایی هستند که واحد مونومری آن‌ها به ترتیب عبارتند از شکر، آمینواسید و نوکلئوتید هستند.

سلولز نه تنها متداول‌ترین پلیمر بلکه متداول‌ترین ترکیب ارگانیک بر روی زمین است. حدود ۳۳٪ کل گیاه سلولز است.

شرایط تحصیل در رشته مهندسی بیومتریال در ایران

برای تحصیل و فراگیری این گرایش، تحصیل به دو صورت ممکن است:

۱- انتخاب رشته مهندسی پزشکی در مقطع کارشناسی و انتخاب گرایش بیومتریال، بطور تقریبی در سال دوم کارشناسی

 

۲- انتخاب گرایش بیومتریال در دوره تحصیلات تکمیلی

 

دانشگاه‌های ایرانی مهندسی پزشکی بیومتریال در کارشناسی

 

۱- دانشگاه صنعتی امیرکبیر تهران:

 

ظرفیت این رشته در جداول وزارت علوم  ۷۵ نفر است که به طور میانگین در هر سال تا حدود ۹۰ دانشجو نیز به صورت روزانه برگزیده می‌شوند.

وابسته به تعداد قبولی در حالت روزانه، در حالت پردیس خودگردان به طور میانگین بین ۳۰ الی ۴۰ دانشجو می‌توانند در این رشته تحصیل نمایند.

 

۲- دانشگاه شهید بهشتی تهران:

 

بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته ۳۰ نفر است.

 

۳- دانشگاه اصفهان:

 

بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته در حالت روزانه ۵۰ نفر و در حالت شبانه ۱۰ نفر است.

 

۴- دانشگاه تبریز:

 

بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته در حالت روزانه ۲۴ نفر و در حالت شبانه ۱۶ نفر است.

 

۵- دانشگاه صنعتی همدان:

 

بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته ۴۰ نفر است.

 

۶- دانشگاه صنعتی شاهرود:

 

بنابر جداول وزارت علوم، ظرفیت این دانشگاه برای این رشته ۳۵ نفر است.

 

لازم به ذکر است که ظرفیت‌های اعلام شده توسط وزارت علوم به صورت دقیق نبوده و با توجه به ظرفیت اعلام شده توسط دانشگاه، این مقادیر می‌تواند متغیر باشد.

 

دانشگاه‌های ایرانی مهندسی بیومتریال در دوره تحصیلات تکمیلی

 

از فعالین در این حوزه می‌توان به دانشگاه‌های صنعتی امیرکبیر تهران، دانشگاه تهران، دانشگاه علم و صنعت تهران، دانشگاه اصفهان، دانشگاه سمنان، دانشگاه تربیت مدرس و … اشاره نمود.

دروس کارشناسی مهندسی پزشکی بیومتریال

دروس اصلی مهندسی پزشکی گرایش بیومتریال

یک سری دروس در کارشناسی مهندسی پزشکی به صورت اصلی بوده و تمامی دانشجویان در تمامی گرایشات مهندسی پزشکی ملزم به گذراندن این دروس هستند:

استاتیک در مهندسی پزشکی (۳ واحد)

ریاضیات مهندسی (۳ واحد)

مقدمه‌ای بر مهندسی پزشکی (۳ واحد)

تجهیزات عمومی مراکز درمانی (۳ واحد)

کارگاه تجهیزات پزشکی (۱ واحد)

مدارهای الکتریکی ۱ (۳ واحد)

آزمایشگاه مدار (۱ واحد)

الکترونیک ۱ (۳ واحد)

اصول و افزار توان‌بخشی (۳ واحد)

مدیریت و کارآفرینی در مهندسی پزشکی (۲ واحد)

اصول تصویرنگاری پزشکی (۳ واحد)

فیزیولوژی (۳ واحد)

آناتومی (۲ واحد)

آزمایشگاه فیزیولوژی (۱ واحد)

فیزیک بدن انسان (۳ واحد)

زبان تخصصی مهندسی پزشکی (۲ واحد)

مواد مهندسی ۱: ساختار و خواص (۳ واحد)

کارورزی (۲ واحد)

روش تحقیق و گزارش نویسی فنی (۲ واحد)

پروژه (۳ واحد)

در مجموع ۴۹ واحد

دروس تخصصی اجباری مهندسی پزشکی بیومتریال

شیمی کاربردی بیومتریال‌ها ۱ : عمومی، معدنی، تجزیه (۳ واحد)

ترمودینامیک در سیستم های حیاتی (۳ واحد)

بیولوژی سلولی و مولکولی (۳ واحد)

مبانی زیست سازگاری و آزمون‌های بیولوژیکی (۳ واحد)

زیست مواد ۱ (۳ واحد)

مواد مهندسی ۲ : شکل‌دهی و ساخت (۳ واحد)

شیمی کاربردی بیومتریال‌ها ۲ : آلی و بیوشیمی (۳ واحد)

آزمایشگاه شیمی کاربردی بیومتریال‌ها (۱ واحد)

کارگاه آزمون‌های بیولوژیکی (۱ واحد)

مجموع : ۲۳ واحد

دروس تخصصی انتخابی مهندسی پزشکی بیومتریال

بیولوژی  کاربردی مهندسی پزشکی (۳ واحد)

مهندسی سامانه های دارورسانی (۳ واحد)

مکانیک سیالات (۳ واحد)

روش‌های ارزیابی خواص و کارایی بیومتریال‌ها (۳ واحد)

مبانی انتقال حرارت و جرم در سیستم‌های حیاتی (۳ واحد)

آزمایشگاه خواص مکانیکی بافت‌های بیولوژیکی و بیومواد (۱ واحد)

مجموع: ۱۶ واحد

۲۰  دانشگاه برتر دنیا در زمینه مهندسی پزشکی گرایش بیومتریال

1. دانشگاه هاروارد
2. دانشگاه Shanghai Jiao Tong
3. دانشگاه MIT
4. دانشگاه Fudan
5. دانشگاه Soochow
6. دانشگاه ملی سنگاپور
7. دانشگاه استنفورد
8. دانشگاه Peking
9. دانشگاه Zhejiang
10. دانشگاه ملی سئول
11. دانشگاه Michigan-Ann Arbor
12. دانشگاه جانز هاپکینز
13. دانشگاه Sichuan
14. دانشگاه پیتسبرگ
15. دانشگاه کارولینا شمالی
16. دانشگاه جورجیا
17. دانشگاه پنسیلوانیا
18. ایمپریال کالج لندن
19. دانشگاه کره
20. دانشگاه کلمبیا

درآمد گرایش بیومتریال به صورت جهانی

برای اینکه آماری حدودی از درآمد و بازارکار رشته مهندسی پزشکی بیومتریال به دست آوریم، آمار زیر که مربوط به سایت معتبر ZipRecruiter آمریکا که درآمد سالیانه رشته‌ها و شغل‌های مختلف را در آمریکا نشان می‌دهد، مورد بررسی قرار دادیم.

نتایج به دست آمده جالب توجه بود:

میانگین یک مهندس بیومتریال در آمریکا سالانه ۸۵,۱۱۸ دلار درآمد دارد که به بیان دیگر ساعتی ۴۱ دلار درآمد خواهد داشت.

جالب است بدانید درآمد سالانه در دو شهر لیکس (Lakes) و سانفرانسیسکو به ترتیب ۹۹,۰۲۶ و ۹۸,۶۲۴ دلار در سال است که بیش‌ترین درآمد یک مهندس بیومتریال در بین تمامی شهرهای آمریکاست.

در مورد زیرگرایش مهندسی بافت، درآمد سالیانه یک مهندس بافت ۸۱,۰۴۷ دلار در سال یا به بیان دیگر برابر ۳۹ دلار در هر ساعت است که کم‌تر از یک مهندس بیومتریال است.

لازم به ذکر است که این ارقام مربوط به افرادی است که در آزمایشگاه‌ها مشغول به کار اند و بیش‌تر زمان خود را صرف اکتشاف و تحقیق در دنیای علم می‌کنند.

ارقام مربوط به افرادی که صاحب شرکت تولید تجهیزات در این حوزه‌اند یا به صورت کلی در حال فعالیت صنعتی هستند، ارقامی به مراتب بالاتر از این اعداد است.