Главная страница
Навигация по странице:

  • Биоматериалом является любое вещество, отличное от лекарств, или комбинация веществ, синтетических или естественных по происхождению

  • Медицинское материаловедение

  • Первое поколение биоматериалов

  • Второе поколение биоматериалов

  • Фосфаткальциевая керамика.

  • Биоматериалы третьего поколения Поверхность раздела материала и живой ткани.

  • Лекция Место и роль неорганических биоматериалов в медицинском материаловедении


    Скачать 2.51 Mb.
    НазваниеЛекция Место и роль неорганических биоматериалов в медицинском материаловедении
    АнкорNeorganicheskie_biomaterialy.pdf
    Дата27.04.2017
    Размер2.51 Mb.
    Формат файлаpdf
    Имя файлаNeorganicheskie_biomaterialy.pdf
    ТипЛекция
    #167
    страница1 из 15
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

    Неорганические биоматериалы
    Лекция 1. Место и роль неорганических биоматериалов в медицинском
    материаловедении
    Основная черта нового тысячелетия – возрастающий интерес к увеличению качества и продолжительности человеческой жизни. Достижение подобной цели предполагает, в частности, создание материалов для искусственных органов и тканей. За последние 30 лет использовано более 40 различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для лечения, восстановления и замены более 40 различных частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокна, костную ткань. Разработка заменителей костной ткани знаменует, по словам проф. Л. Хенча, революционный этап в развитии человечества: «Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни в области использования керамики в медицинских целях. Это инновационное применение специально спроектированных керамических материалов для замены и лечения больных или поврежденных частей тела». Эту область современного материаловедения именуют (не вполне, впрочем, справедливо) биокерамикой, она охватывает материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочные материалы в стоматологии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, медико-косметические средства. В настоящее время рынок биокерамики имеет емкость ∼ 2,3 млрд. $, прогнозируемый годовой прирост составляет 7-12 %, объемы требуемых материалов оцениваются на уровне десятков тонн. Число больных, нуждающихся в операциях по восстановлению целостности кости, довольно велико: для США эта цифра составляет 1 млн. человек и более ежегодно (из них свыше 300 тыс. – протезирование тазобедренного и коленного суставов, такой же порядок имеют зубные имплантаты). Динамика продвижения идеи на рынок биоматериалов имеет ряд особенностей, связанных с прохождением длительных тестов и сертификаций, в силу этого обстоятельства лишь немногие из рассматриваемых материалов могут считаться рекомендованными к применению. Текущее состояние рынка имплантатов может рассматриваться как ожидание массированного вторжения новых идей и материалов.
    Под биоматериалом будем понимать любой материал, который используется для замены органа человека или работает в непосредственном контакте с ним. Существует и более формальное определение биоматериала. Биоматериалом является любое вещество, отличное от
    лекарств, или комбинация веществ, синтетических или естественных по происхождению,
    которые могут использоваться в течение некоторого периода времени как целый орган
    или его часть для улучшения функционирования или замены какой-либо ткани, органа
    или жизненной функции тела. При этом следует различать понятия биоматериала и
    биологического материала, который имеет естественное происхождение, например, коллаген, целлюлоза и т.д.
    Все существующие биоматериалы в каком-то смысле могут считаться «интеллектуальными», поскольку они учитывают индивидуальные особенности пациента. Однако действительно интеллектуальные биоматериалы, которые реагируют на поведение организма, появились лишь в последнее время. Приведем хорошо известный пример из стоматологии. Для лечения зубов с
    1968 года используют стеклоиономерный цемент. Этот материал можно считать интеллектуальным, поскольку по цвету он близок к естественным натуральным зубам. Он также является источником фтора, который предупреждает дальнейшее развитие кариеса.
    Однако он все же не вполне «интеллектуален» по сравнению с естественной эмалью зубов, которая анизотропна по механическим свойствам и способна к регенерации. Другой пример интеллектуального биоматериала из хирургии — растворимые нити из полилактидной кислоты.
    Что может быть более интеллектуальным, чем нить, которая исчезла, когда потребность в ней отпала.
    При создании нового материала важно помнить, что биоматериал должен быть биосовместимым и не вызывать отторжения организмом. Что же такое биосовместимость?
    Определим биосовместимость как способность сосуществовать с живым организмом для исполнения определенной функции. На конференции, состоявшейся в 1994 г. в
    Великобритании, было предложено под биосовместимостью «понимать способность
    материала, изделия или устройства выполнять свои функции и не вызывать
    отрицательных реакций в организме «хозяина». Реакция организма не должна противоречить безопасной и эффективной работе биоматериала. Кроме того, биоматериал должен быть неядовитым и не вызывать нежелательной реакции на продукты частичного износа вследствие трения. Большое значение имеют также механические, химические и физические свойства материала. Пожалуй, одной из самых важных проблем, встающих при применении новых медицинских материалов, является их безопасность. Введение биоматериала в организм иногда приводит к большим проблемам. Часто это обусловлено неправильным выбором материала. В настоящее время разработаны требования, предъявляемые к биоматериалу. Все материалы медицинского назначения должны проходить строгую проверку на безопасность, и только после этого их можно использовать. Тем не менее, несмотря на множество испытаний, никогда нельзя быть уверенным, что биоматериал абсолютно безопасен, и поэтому большое значение имеет послепродажное наблюдение за материалом. Это позволяет понять его недостатки, так и оценить достоинства. Успешность применения нового материала определяется его свойствами и степенью биосовместимости. Поэтому разработка новых материалов должна быть основана на междисциплинарном взаимодействии материаловедов, инженеров, биологов и медиков.

    Медицинское материаловедение включает разработку и исследование материалов, которые применяются в медицине, создаются с целью компенсации утраты органов или тканей.
    Предметом неорганического медицинского материаловедения являются металлы или металлические сплавы в виде несущих конструкций или диагностических препаратов; оксидные материалы, в том числе и кальцийфосфатные, предназначенные для лечения дефектов костной ткани или культивирования клеточных культур.
    Первое поколение биоматериалов
    Идея использования искусственных материалов с целью замены органов и тканей человека известна давно. Однако реальное развитие биоматериалов стало возможным лишь в конце XIX столетия после появления анестезии, понятий асептики и антисептики и открытия рентгена. До тех пор попытки использовать биоматериалы не были успешными. Нерешенными проблемами оставались также растворение инородной костной ткани и отторжение имплантатов. Проблема инфицирования остро стоит и в наше время, так как переносимые кровью бактерии могут внедриться в имплантат и сформировать биологическую пленку, защищающую их, например, от антибиотиков.
    Костные пластины для фиксации переломов конечностей используют более ста лет. Давно известно, что инородные тела типа пуль могут существовать в организме человека многие годы.
    Это навело на мысль о возможности использовать внутренние протезы. Однако первые попытки были неудачными, главным образом, из-за неправильного выбора материала имплантата. Приведем пример. В организме человека ванадиевая сталь корродирует. Появление нержавеющих сталей и хромокобальтовых сплавов позволило достичь хороших результатов при фиксации переломов.
    Вспомним некоторые любопытные факты из истории медицины. Первая попытка замены головки бедра была предпринята еще в 1938 году, положительных результатов удалось достичь только после 1958 года, когда Чарнли разработал клеющий материал для фиксации протеза.
    Этим материалом был синтетический ПММА, называемый также оргстеклом. Ранее ПММА применяли в стоматологии с целью протезирования, а использовать его для фиксации протеза головки бедра предложил Д. Смит, дантист из Манчестерского университета.
    Со времен Второй мировой войны было известно, что летчики, получившие проникающие ранения осколками стекол из ПММА, после заживления ран не страдали от отравления этим материалом. На основе этого наблюдения в 1940-х годах ПММА начали применять для замены роговицы глаза. ПММА оказался очень эффективным материалом для фиксации имплантатов из нержавеющей стали, и с этой целью его используют до сих пор.
    Несколькими годами позже хирург-ортопед Брэйнмарк случайно открыл необычную реакцию организма на титан. Он исследовал на кролике течение крови через периферийные кровеносные сосуды при помощи стеклянного окошка, помещенного в титановое кольцо. Когда исследователь попытался удалить это окошко, то оказалось, что сплав прирос к хрящу.

    Дальнейшие эксперименты показали, что реакция организма на титан отличается от реакции на нержавеющую сталь или хром-кобальтовые сплавы. В случае нержавеющей стали вокруг имплантата образуется герметизирующий волокнистый материал. Такая защитная реакция организма на внедрение инородного тела характерна и для многих синтетических полимерных материалов, в том числе и ПММА. Вокруг титана волокнистая ткань не образуется, и металл контактирует непосредственно с костью, в результате роста которой он оказывается как бы вросшим в нее. Брэйнмарк назвал такую реакцию организма оссеинтеграцией, характеризуемой связью кости непосредственно с имплантатом, без образования защитной волокнистой капсулы.
    Это открытие привело к созданию бесклеевой фиксации искусственных суставов из сплава
    Ti6Al4V и зубных протезов из чистого титана.
    В сердечно-сосудистой хирургии было замечено, что некоторые материалы работают в контакте с кровью лучше, чем другие. При порезе защитное поведение организма состоит в местном сворачивании крови и формировании уплотнения, останавливающего кровотечение.
    Так как вставка имплантата без местного повреждения ткани пока невозможна, то, когда кровь входит в контакт с инородным телом, происходит ее частичное сворачивание. Это осложняет разработку устройств, непосредственно контактирующих с кровью, например искусственных кровеносных сосудов, искусственного сердца, оксигенаторов и аппаратов диализа почки.
    Постепенно стало понятно, что разные материалы вызывают принципиально различную реакцию живого организма. Для преодоления проблем, связанных с использованием синтетических материалов, необходимо было разработать интеллектуальные биоматериалы —
    «материалы, активно взаимодействующие с биологическим окружением для достижения желаемого результата».
    Второе поколение биоматериалов
    В процессе разработки биоматериалов первого поколения стало очевидно, что они имеют множество недостатков, особенно при длительных сроках использования. Если имплантат несет значительную механическую нагрузку, важно, чтобы механические напряжения передавались от него к кости. Кость является исключительно интеллектуальным материалом. Если она не испытывает нагрузки, то уменьшает свою прочность. От этой проблемы страдают космонавты, проводящие долгое время в невесомости. Напротив, в местах, где кость испытывает высокие нагрузки, она пытается их компенсировать, образуя дополнительные костные слои. Примером является костная мозоль, появляющаяся при заживлении перелома. Если нагрузка слишком высока, кость нарастает, чтобы снизить уровень напряжения и избежать разрушения. При лечении зубов интеллектуальное поведение кости используют, чтобы сдвинуть их положение по эстетическим или функциональным причинам. Такое поведение зубной ткани является основанием ортодонтии.
    Форма и жесткость протеза тазобедренного сустава сильно отличаются от характеристик натуральной кости. Успех использования первых протезов был частично обусловлен возрастом
    пациентов, которые в большинстве своем были старше 65 лет. Такие люди не слишком активны, и напряжения, которые испытывают имплантат и окружающая кость, не так высоки, как у молодых и активных пациентов. Однако существует спрос и на замену сустава физически активным людям. Это накладывает серьезные требования к имплантату.
    Большая нагрузка может привести к разрушению имплантата или окружающего его волокнистого материала. Кроме того, микросдвиги в области контакта кости с ПММА- цементом могут привести к разрушению соединения или потере герметичности волокнистого материала вокруг имплантата.
    Работа с титаном показала, что некоторые материалы могут стимулировать чрезвычайно интересную реакцию кости. Возможность бесклеевой фиксации сплавов титана инициировала разработки имплантатов, испытывающих в процессе эксплуатации более низкие нагрузки, что увеличивает их долговечность. Титан и его сплавы являются оссеинтегрируемыми, и после заживления возможен их прямой контакт с костью без образования мягкой волокнистой оболочки.
    Некоторые исследователи объясняли оссеинтеграцию титана появлением поверхностной окисной пленки ТiO
    2
    , однако это, видимо, только одна из причин наблюдаемого явления.
    Сейчас признано, что второй причиной является осторожное хирургическое вмешательство, позволяющее избежать омертвения костной ткани.
    Внедрение некоторых биоматериалов в костную ткань стимулирует появление на их поверхности новой кости и заживление области хирургического вмешательства. Примером таких материалов являются синтетический гидроксиапатит, биоактивные стекла (например, так называемое биостекло) и некоторые стеклокерамики. Хотя механизм их действия достоверно не известен, существуют две теории, подтверждаемые экспериментальными данными. Согласно первой, на поверхность такого материала из биологического окружения адсорбируются определенные белки, которые стимулируют рост костных клеток и процесс заживления. В некоторых биоматериалах типа биостекла этому предшествуют ионообменные реакции на поверхности внедрения и появление слоя фосфата кальция. Считается, что эта реакция способствует формированию прямых химических связей между биостеклом и минеральной фазой новообразованной костной ткани.
    Фосфаткальциевая керамика. Поскольку минеральная микрофаза кости и ткани зубов состоит из солей фосфата кальция, исследователи начали изучать возможность использования этого материала в качестве потенциального заменителя кости. Минеральная фаза кости подобна гидроксиапатиту Са
    10
    (РО
    4
    )
    6
    (ОН)
    2
    , но имеет меньшую степень кристалличности и содержит целый набор фосфатных микровключений, в том числе трикальцийфосфат, углеродапатит и различные ионные примеси типа фтора, магния и натрия. Фторапатит Ca
    10
    (PO
    4
    )
    6
    F
    2
    имеет химическую структуру, похожую на гидроксиапатит. Единственное отличие состоит в замене гидроксильных групп ионами фтора. Фторапатит устойчивее гидроксиапатита при повышенных
    температурах и более стоек к действию кислот. Трикальцийфосфат Са
    3
    (РО
    4
    )
    2
    существует в двух формах. Обе формы имеют высокую стойкость к растворению. Эти материалы могут образовывать непосредственную связь с живой костью без формирования защитной волокнистой ткани. Образование химической связи фосфаткальциевой керамики с костью состоит в частичном растворении приповерхностного слоя керамики и формировании кристаллов СО
    3
    -апатита с включенными биомолекулами окружающей жидкости.
    Разработка синтетических фосфатов кальция привела к появлению целого набора материалов, которые должны исследоваться на предмет использования в качестве искусственной кости.
    Недостатком этих материалов является невысокая прочность. Поэтому гидроксиапатит может применяться лишь в имплантатах, не несущих значительной механической нагрузки, например, при лечении зубных лунок.
    Один из способов преодоления этого недостатка состоит в нанесении на металлическую подложку слоя покрытия из керамического фосфата кальция. Одним из методов ее исполнения является плазменное напыление. В этом случае биологическая реакция определяется главным образом поверхностным покрытием, а не подложкой. Подложка обеспечивает прочность, а покрытие — биологическую реакцию организма на имплантат. Такой подход к разработке интеллектуальных биоматериалов основан на эмпирических наблюдениях. Чтобы прогнозировать реакцию организма на биоматериал, необходимо понимать механизм его взаимодействия с живой тканью. К счастью, одновременно с разработкой новых материалов быстро развивалась и биологическая наука.
    Биоактивные стекла. Состав биоактивных стекол разработан так, чтобы их поверхность вступила в химическую реакцию с определенными компонентами окружающей физиологической среды и образовалась химическая связь ткани с внедрением. Покрытие защищает внедрение от постепенной коррозии. Первыми искусственными материалами, которые срастались с живой костью, были стекла с составом Na
    2
    O-CaO-SiO
    2
    -P
    2
    O
    5
    . Их открыли в начале 1970-х годов и назвали биостеклами. Биостекло ускоряет сращивание внедрения и кости. Когда биостекло находится в водной среде, ионы кальция и фосфатов выщелачиваются из внедрения и формируют обогащенный фосфатом кальция поверхностный слой, который обеспечивает срастание биостекла с костью. Взаимное срастание путем образования коллагеновых пальцеобразных выростов было описано Хенчем с соавторами. Сейчас известно, что с живой костью срастаются различные виды стекол и стеклокерамик. Некоторые из них используются в хирургии, например, для создания искусственных косточек среднего уха и зубных лунок (челюстных альвеол). Биоактивные стекла используют также для создания искусственных позвонков, подвздошных костей и гранул для заполнения дефектов костей.
    Отметим, что применение фосфаткальциевой керамики ограничено ее низкой прочностью.

    Биоматериалы третьего поколения
    Поверхность раздела материала и живой ткани. После внедрения биоматериала в тело вокруг него собираются макрофаги. Если внедрение мелкое и фаги способны его охватить, они пытаются разрушить внедрение. Это явление было названо фагоцитозом. Если же инородный объект слишком велик, макрофаги прикрепляются к его поверхности, в результате чего образуется коллагеновая защитная ткань. Образование соединительной ткани является макропроцессом, но регулируется оно процессами наномасштаба, и реакция организма на биоматериал определяется свойствами поверхности.
    Атаки макрофагов и последующего образования соединительной ткани можно избежать выбором биоматериала (например, Ti) или нанесением покрытия на его поверхность.
    Применимость первого способа ограничена малым количеством материалов, вызывающих желательную биореакцию организма. Создание покрытия является способом «перехитрить» механизм естественной защиты организма. Внедрение герметизируется тонким слоем материала, вызывающего положительную реакцию организма.
    Поведение клеток зависит от их взаимодействия с поверхностью внедрения, другими клетками, субстратом и межклеточной матрицей. Следовательно, успех использования устройства зависит от сложного взаимодействия клеток и материала. Реакция клеток на синтетический материал имеет большое значение при заживлении раны. Взаимодействие клетки с поверхностью внедрения определяет характер ее поведения, например, силу взаимодействия с соседями, рост, скорость перемещения и размножения и т.д. После внедрения биоматериала в ткань из межклеточной матрицы на поверхность высаживаются белки типа фибронектина, проламина, витронектина и молекулы, способствующие фиксации клеток. Микробиологи установили, что поверхность клеток покрыта множеством рецепторов, которые обеспечивают их взаимную фиксацию. Эти рецепторы включают иммуноглобулины, селектины и интегрины. Протеины взаимодействуют с рецепторами и связывают клетку с межклеточной матрицей, которая аналогична супу с разнообразными питательными компонентами типа цитокинов и компонентов роста.
    Важно, чтобы на поверхность внедрения адсорбировались нужные белки, обеспечивающие положительную биореакцию организма и в конечном счете успешное использование внедрения.
    Если при контакте материала с кровью происходит ее сворачивание, из него нельзя делать устройства гемодиализа, искусственные кровеносные сосуды или сердечные клапаны.
    Контактная линза должна легко смачиваться слезой, поскольку в противном случае она повредит оболочку роговицы глаза. Аналогично, недостаточная связь протеза зуба со слизистой оболочкой приводит к инфицированию из-за проникновения бактерий в промежуток между протезом и живой тканью.
    Маловероятно, что существующие сейчас материалы смогут удовлетворить многочисленным требованиям к взаимодействию различных клеток с поверхностью имплантата. Следовательно,
    для принятия организмом биоматериала его поверхность нужно обработать для получения желательного взаимодействия с биосредой. Характер этого взаимодействия определяется особенностью применения биоматериала. Если материал имеет высокую прочность, но не вызывает требуемой биореакции организма, на него можно нанести покрытие, стимулирующее эту реакцию.
    Установив факторы, определяющие взаимодействие поверхности внедрения и клетки, можно осознанно модифицировать поверхность биоматериала для изменения биореакции организма.
    Один из таких методов состоит в химической модификации поверхности биоматериала для адсорбции определенных белков, а другой — в прививке биоактивных молекул на его поверхность. Особенности поверхностной модификации определяются характером требуемой реакции организма. Если имплантат подвергается воздействию бактерий, как, например, искусственные голосовые связки, адгезия клеток нежелательна. Напротив, для ортопедических имплантатов адгезия необходима.
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15
    написать администратору сайта