Исследования по разработке новых биоматериалов — это междисциплинарная работа, часто включающая сотрудничество материаловедов и инженеров, биомедицинских инженеров, патологоанатомов и клиницистов для решения клинических проблем. Разработка или выбор конкретного биоматериала зависит от относительной важности различных свойств, которые требуются для предполагаемого медицинского применения. Физические свойства, которые обычно учитываются, включают твердость, прочность на разрыв, модуль упругости и удлинение; усталостную прочность, которая определяется реакцией материала на циклические нагрузки или деформации; ударные свойства; устойчивость к истиранию и износу; долгосрочную стабильность размеров, которая описывается вязкоупругими свойствами материала; набухание в водной среде; проницаемость для газов, воды и малых биомолекул. Кроме того, биоматериалы подвергаются воздействию человеческих тканей и жидкостей, поэтому прогнозирование результатов возможных взаимодействий между хозяином и материалом является важным и уникальным моментом при использовании синтетических материалов в медицине. Две особенно важные проблемы биосовместимости — это тромбоз, связанный со свертыванием крови и прилипанием тромбоцитов к поверхности биоматериалов, и фиброзно-тканевая инкапсуляция биоматериалов, имплантируемых в мягкие ткани.
Неправильный выбор материалов может привести к клиническим проблемам. Одним из примеров такой ситуации является выбор силиконового каучука в качестве прокладки в ранней конструкции сердечного клапана. Силикон впитал липиды из плазмы крови и достаточно разбух, чтобы оказаться зажатым между металлическими стойками клапана. Еще одним неудачным выбором в качестве биоматериала стал тефлон (торговая марка), который отличается низким коэффициентом трения и химической инертностью, но имеет относительно низкую стойкость к истиранию. Так, в качестве окклюдера в сердечном клапане или ацетабулярной чашки в протезе тазобедренного сустава тефлон может со временем износиться настолько, что устройство выйдет из строя. Кроме того, от использования деградирующей полиэфируретановой пены в качестве фиксирующего пластыря для протезов молочной железы отказались, поскольку при ее деградации существует явная вероятность выделения канцерогенных побочных продуктов.
Помимо составляющих полимерных молекул, синтетические биоматериалы могут содержать несколько добавок, таких как непрореагировавшие мономеры и катализаторы, неорганические наполнители или органические пластификаторы, антиоксиданты и стабилизаторы, а также технологические смазки или средства для удаления плесени на поверхности материала. Кроме того, в результате обработки, стерилизации, хранения и, в конечном счете, имплантации устройства может образоваться несколько продуктов деградации. Многие добавки полезны — например, кремнеземный наполнитель, необходимый в силиконовом каучуке для обеспечения хороших механических характеристик, или антиоксиданты и стабилизаторы, предотвращающие преждевременную окислительную деградацию полиэфируретанов. Другие добавки, такие как пигменты, могут быть исключены из биомедицинских продуктов. Действительно, биоматериал «медицинского класса» — это такой биоматериал, в котором из полимера исключены или исключены несущественные добавки и потенциальные загрязнители. Для достижения такого класса полимер может потребоваться экстрагировать растворителем перед использованием, тем самым удаляя низкомолекулярные материалы. Как правило, к добавкам в полимерах относятся с большим подозрением, поскольку зачастую именно добавки, а не составляющие молекулы полимера, являются источником неблагоприятной биосовместимости.
