بیومتریال

مهندسی پزشکی - بیومتریال

گرایش بیومتریال یکی از گرایش‌های حیاتی و جذاب رشته مهندسی پزشکی است که به طراحی و توسعه مواد خاص برای استفاده در بدن انسان می‌پردازد. بیومتریال‌ها به موادی گفته می‌شود که بتوانند با بافت‌های بدن تعامل کنند و در فرایندهای درمانی مانند ترمیم بافت‌ها، جایگزینی اندام‌ها و درمان بیماری‌ها نقش ایفا کنند. این مواد باید ویژگی‌های خاصی مانند زیست‌سازگاری، عدم سمیت، ماندگاری (مقاومت به تخریب) و قابلیت تطابق با بافت‌های بدن را داشته باشند تا بتوانند به طور ایمن در بدن انسان استفاده شوند. به طور دقیق‌تر این ویژگی‌ها جهت استفاده در بدن عبارت‌اند از:
• زیست‌سازگاری (Biocompatibility): بیومتریال‌ها باید با بافت‌های بدن به طور طبیعی تعامل کنند، بدون اینکه موجب واکنش‌های منفی مانند التهابات یا حساسیت‌های شدید شوند.
• ماندگاری (Durability): این مواد باید در برابر شرایط مختلف بدن مانند فشار، دما و رطوبت مقاوم بوده و در طول زمان خواص خود را حفظ کنند.
• غیرسمی (Non-toxicity): بیومتریال‌ها نباید هیچ‌گونه اثر سمی یا مضر بر بدن داشته باشند.
• توانایی ترمیم و بازسازی (Regenerative capabilities): برخی از بیومتریال‌ها می‌توانند به بازسازی و ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده کمک کنند.
بیومتریال‌ها به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که بسته به ویژگی‌ها و کاربردشان در پزشکی استفاده می‌شوند:
1. فلزات (Metals): فلزاتی مانند تیتانیوم که به دلیل استحکام و مقاومت بالا در ایمپلنت‌های دندانی و مفاصل مصنوعی استفاده می‌شوند.
2. پلیمرها (Polymers): پلیمرهایی مانند پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) که در ساخت داربست‌ها، سیستم‌های دارورسانی و پروتزها به کار می‌روند.
3. سرامیک‌ها (Ceramics): سرامیک‌هایی مانند هیدروکسی‌آپاتیت که در ایمپلنت‌های استخوانی و دندانی کاربرد دارند.
4. کامپوزیت‌ها (Composites): ترکیب مواد مختلف برای ایجاد خواص مطلوب، نظیر مقاومت و انعطاف‌پذیری، در ساخت ایمپلنت‌ها و مواد ترمیمی.
درحالی‌که بیومتریال‌ها پیشرفت‌های زیادی داشته‌اند، چالش‌هایی نیز پیشرو دارند. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها، جلوگیری از ایجاد واکنش‌های منفی در بدن است که می‌تواند عملکرد بیومتریال‌ها را تحت‌تأثیر قرار دهد. همچنین، تحقیق و توسعه بیومتریال‌های هوشمند که قادر به تغییر خواص خود در واکنش به شرایط محیطی بدن باشند، یکی از زمینه‌های نوآورانه در این رشته به شمار می‌رود.
بیومتریال‌ها در چندین حوزه پزشکی و درمانی کاربرد دارند:
• ایمپلنت‌ها و پروتزها: بیومتریال‌ها در طراحی و ساخت پروتزهای اندام و ایمپلنت‌های پزشکی مانند مفاصل مصنوعی و دندان‌های ایمپلنتی استفاده می‌شوند.
• ترمیم بافت‌ها: این مواد می‌توانند به‌عنوان داربست‌های زیستی برای ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده مانند استخوان، غضروف و بافت‌های نرم عمل کنند.
• سیستم‌های رهایش دارو: بیومتریال‌ها در طراحی سیستم‌های رهایش هدفمند دارو کاربرد دارند که به طور دقیق داروها را به نواحی خاص بدن می‌رسانند.
• مهندسی بافت: بیومتریال‌ها در بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده مانند قلب، کلیه یا کبد کاربرد دارند و می‌توانند به ترمیم یا بازسازی اندام‌های آسیب‌دیده کمک کنند.
• هوش مصنوعی: مهندسی پزشکی بیومتریال و هوش مصنوعی به طور فزاینده‌ای در کنار یکدیگر برای بهبود تشخیص، درمان و ترمیم آسیب‌های بدن انسان به کار گرفته می‌شوند. این دو حوزه می‌توانند به طور هم‌زمان از مزایای یکدیگر بهره‌برداری کنند و پیشرفت‌های چشمگیری در پزشکی و مهندسی بیومتریال ایجاد کنند. در ادامه چندین مورد از ارتباطات بین این دو حوزه آورده شده است:
1) طراحی و بهینه‌سازی بیومتریال با استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی
هوش مصنوعی می‌تواند در طراحی بیومتریال‌های جدید نقش حیاتی ایفا کند. الگوریتم‌های یادگیری ماشین و مدل‌سازی‌های مبتنی بر هوش مصنوعی می‌توانند ویژگی‌های بیومتریال را شبیه‌سازی کرده و ترکیبات بهینه را برای کاربردهای خاص در پزشکی پیش‌بینی کنند. برای مثال، در طراحی ایمپلنت‌ها یا داربست‌های مهندسی بافت، هوش مصنوعی می‌تواند به شبیه‌سازی و تحلیل خواص بیومتریال در شرایط مختلف بدن پرداخته و بهترین ترکیب مواد برای افزایش زیست‌سازگاری و عملکرد مواد را تعیین کند.
2) تشخیص سریع و دقیق با استفاده از بیومتریال‌های هوشمند
بیومتریال‌های هوشمند که به مواد قادر به تغییر ویژگی‌های خود در واکنش به شرایط محیطی بدن گفته می‌شود، می‌توانند با کمک هوش مصنوعی توسعه یابند. برای مثال، مواد قابل ‌تغییر که در پاسخ به تغییرات pH ، دما یا دیگر سیگنال‌های زیستی بدن رفتار خود را تغییر می‌دهند، با استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی می‌توانند عملکرد بهینه‌تری در درمان‌های پزشکی داشته باشند. هوش مصنوعی می‌تواند به این بیومتریال‌ها کمک کند تا واکنش‌های دقیق‌تری به شرایط محیطی بدن نشان دهند و فرایندهای درمانی را کارآمدتر سازند.
3) داده‌کاوی و تحلیل‌های پیچیده در مهندسی پزشکی
در حوزه بیومتریال، حجم زیادی از داده‌ها در طول آزمایش‌ها و مطالعات مختلف جمع‌آوری می‌شود. هوش مصنوعی می‌تواند برای پردازش و تجزیه‌وتحلیل این داده‌ها استفاده شود تا الگوهای پنهان یا ویژگی‌های خاصی که به انتخاب مواد یا طراحی‌های بهتر کمک می‌کند، شناسایی شوند. به‌ عنوان‌ مثال، هوش مصنوعی می‌تواند پیش‌بینی‌هایی در مورد نحوه تعامل مواد با بافت‌های انسانی یا روند بازسازی بافت‌ها پس از آسیب ارائه دهد.
4) پیشرفت در مهندسی بافت و رهایش هدفمند دارو
یکی از کاربردهای برجسته هوش مصنوعی در مهندسی پزشکی بیومتریال، توسعه سیستم‌های رهایش هدفمند دارو است. هوش مصنوعی می‌تواند به طراحی سیستم‌های رهایش دارو که دقیقاً داروها را به نواحی آسیب‌دیده یا سلول‌های خاص هدایت کنند، کمک کند. این فرایند می‌تواند شامل شبیه‌سازی‌های پیشرفته برای پیش‌بینی نحوه واکنش بیومتریال در بدن و بهبود عملکرد سیستم‌های دارورسانی باشد.
5) شبیه‌سازی و مدل‌سازی رفتار بیومتریال

هوش مصنوعی می‌تواند به شبیه‌سازی رفتار و تعاملات بیومتریال با محیط زیستی بدن کمک کند. به طور خاص، از آن در مدل‌سازی‌های پیچیده استفاده می‌شود که برای پیش‌بینی عملکرد بیومتریال‌ها در شرایط واقعی بدن ضروری است. این شبیه‌سازی‌ها می‌توانند نتایج آزمایش‌های واقعی را پیش‌بینی کرده و از انجام آزمایش‌های پرهزینه و زمان‌بر جلوگیری کنند.

اعضای محترم هیأت ‌علمی متخصص در این گرایش عبارتند از:
• دکتر مهدی ابراهیمیان (دانشیار)
• دکتر محسن صراف (دانشیار)
• دکتر مهدی مهدیخانی (دانشیار)

تاریخ به روز رسانی:

1403/10/04

تعداد بازدید:

پیوندهای کاربردی

انجمن مهندسي پزشكي ايران

آدرس: اصفهان، میدان آزادی، دانشگاه اصفهان،میدان خوارزمی، ابتدای بلوار سلامت، ساختمان انصاری
کدپستی: 8174673441
تلفن: 37932685 تلفکس: 36682887
راهنمای جامع تلفن های دانشگاه اصفهان