Керамические и стеклокристаллические материалы для медицины

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Основная черта нового тысячелетия - гуманизация различных сфер нашего бытия. Гуманистическое мировоззрение диктует 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 прошлого века 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 одного из патриархов направления - профессора Лондонского университета Ларри 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”.

Исследования, разработка и производство биокерамических материалов составляют существенный сегмент современного рынка наукоемких технологий. Можно дать следующую осторожную оценку параметров рынка биокерамики: емкость - 2,3 млрд долларов, 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.



1. БИОСТЕКЛО

К современным материалам последнего поколения следует отнести биоактивные стеклокристаллические материалы, состоящие из стекловидной матрицы и микрокристаллов размером около 4 мкм.

Как известно, обычное стекло представляет собой достаточно быстро охлажденный расплав, содержащий оксиды Na₂O, CaO, SiO₂, а также другие оксидные добавки. Биоактивные стекла, история использования которых насчитывает уже более 30 лет, содержат в своем составе оксиды Na₂O, CaO, SiO₂, P₂O₅. При создании большинства биостекол используется состав 45S5: 24,5% Na₂O, 24,5% CaO, 45% SiO₂, 6% P₂O₅. Изменяя состав, можно в широких пределах менять биоактивность таких материалов. Медленное охлаждение расплава указанных оксидов по специальным температурным режимам позволяет частично закристаллизовать стекло (при этом чаще всего образуется метасиликат кальция - волластонит CaSiO₃) и получить смешанные, стеклокристаллические материалы - биоситаллы, которые имеют более высокие по сравнению со стеклами механические характеристики.

Биостекла и материалы на их основе не воспринимаются организмом как что-то чужое, напротив, серия биохимических реакций (рис. 1) на границе биостекло - кость приводит к интенсивному образованию костной ткани в области контакта и в конечном счете к врастанию имплантата в костную ткань. Следует отметить, что переходный слой между биостеклом и костью может иметь толщину до 1 мм (ср. со слоем волокнистой соединительной ткани, имеющим толщину порядка 1 мкм, в случае имплантирования биоинертной керамики) и быть настолько прочным, что перелом произойдет в любом другом месте, но не в зоне срастания.

Считается, что ключевым элементом, который обеспечивает высокую биоактивность указанных материалов, является кремний. Гидролиз биостекла в межтканевой жидкости приводит к образованию тонкого желеобразного слоя (геля) кремниевой кислоты - SiO₂?xH₂O на поверхности имплантата. Отрицательно заряженные гидроксильные группы поверхности слоя кремневой кислоты притягивают из окружающего раствора межтканевой жидкости ионы Ca²⁺, заряд поверхности становится положительным, затем на поверхность осаждаются фосфат-ионы - происходит рост слоя гидроксиапатита.

Механические характеристики биостекол не столь обнадеживающие, как их биосовместимость и активность. В силу этого биостекла находят применение в качестве малых или слабонагружаемых имплантатов в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

Рис. 1. “События” на границе биостекла и костной ткани

1- формирование Si-OH-групп на поверхности стекла в результате ионного обмена, 2 - образование аморфного фосфата кальция на поверхности гидратированного стекла и его кристаллизация в ГАП, 3 - адсорбция биологически активных веществ апатитовым слоем, 4 - “включение” иммунной системы; направленный выброс и адсорбция специфических костных белков, 5 - прикрепление недифференцированных клеток и их превращение в костные клетки, 6 - рост костного матрикса и его минерализация, 7 - перестройка костной ткани и “зарастание” промежутка между стеклом и костью. Условно говоря, граница между “неживым” и “живым” проходит по стадиям 4 -5. Биостекло не является новым материалом для медицинского применения. До недавних пор его получали из соединений кремния и использовали для восстановления повреждённой костной ткани. Исследователи из Университета науки и технологии в Миссури (Missouri University of Science and Technology) Стив Юнг (Steve Jung) и Делберт Дэй (Delbert Day) создали биостекло, которое можно эффективно применять для заживления повреждений мягких тканей.

В своих опытах Юнг и Дэй испытывали действие биоактивного стекла различного состава на биологические жидкости (в частности, кровь). Их заинтересовал один из образцов стекла, названный 13-93B3, содержащий кальций. В его состав в массовом эквиваленте входили следующие компоненты: 53% - B₂O₃, 20% - CaO, 12% - K₂O, 6% - Na₂O, 5%- MgO, 4% - P₂O₅.

Почему в состав биостекла учёные добавили кальций? Юнг и Дэй думали о том, какую пользу может принести этот новый материал, если его использовать для лечения ран. Учёные рассуждали так: известно, что кальций является важным фактором в регенерации кожи и необходим для формирования эпидермиса. Кроме того, кальций делает сам процесс заживления более эффективным.

Не секрет, что организм «чинит» раны поэтапно. На начальном этапе, когда рана кровоточит, в ней образуются волокна особого белка - фибрина, в котором «застревают» тромбоциты (форменные элементы крови), закупоривая рану и образуя тромб. На следующем этапе тромб выделяет вещества-регуляторы, которые «привлекают» к ране клетки иммунной системы - лимфоциты-макрофаги. Организм «мобилизует» последние для борьбы с возможной инфекцией. И на заключительном этапе макрофаги выделяют в кровь специальные вещества, сигнализирующие о том, что пора заживлять рану, образуя новый эпидермис (кожу).

У Юнга и Дэя возникла мысль, что можно попытаться создать биостекло, имитирующее микроструктуру фибринового сгустка. Из образца стекла 13-93B3 учёные изготовили нановолокна размером от 300 нм до 5 мкм, на ощупь и внешне похожие на хлопковую вату и вместе с тем обладающие высокой пластичностью. Назвали такой материал DermaFuse.

Кроме того, оказалось, что если в пробирку с бактериями, такими как кишечная палочка, сальмонеллы и стафилококки, поместить DermaFuse, то бактерии погибают. Одной из причин данного явления может быть то, что борат лития, входящий в состав этого материала, локально, в месте контакта с бактериями, создаёт щелочную среду, в которой они просто не выживают.

Первые испытания провели на лабораторных животных. Позже учёные получили разрешение на проведение клинических испытаний на пациентах с неминуемой угрозой ампутации конечностей из-за инфицирования ран.

Следует сказать, что трофические, долго не заживающие раны - очень серьёзная проблема для больных диабетом. Самый обычный ушиб грозит диабетику гематомой и дальнейшим развитием трофической язвы из-за нарушения кровоснабжения повреждённых участков. Затем в рану проникают бактерии и усугубляют процесс. Обычный ушиб может привести к ампутации конечности в лучшем случае, а в худшем - микробы проникнут в кровь и возникнет системная инфекция, приводящая к смертельному исходу.

Двенадцать пациентов, больных диабетом и имеющих показания к ампутации, участвовали в эксперименте, который проводил Phelps County Regional Medical Center (PCRMC) в Миссури. У всех отмечались значительные улучшения и заживления ран практически без образования рубцов.

Компания Mo-Sci, которую основал Делберт Дэй, уже начала производство нового материала DermaFuse.



1.1 Виды биостекол

Для использования в качестве заменителя кости выпускают несколько видов биостекол (табл. 1).

Таблица 1. Биоактивные стеклокристаллические материалы

Название, производитель	Состав	Назначение, свойства	Сроки резорбции
Biogran (Biomet, США)	Биостекло; CaO, Na2O, SiO2, P2O5	Выраженные гемостатические и остеокондуктивные свойства	6 мес.; Определенные частицы - 1-2 года
БиоситСр-Элкор (ЭЛКОР, Россия)	Биоситалл М-31, состоящий из стекловидной матрицы и микрокристаллов, содержит аналог биоминерала кости карбоксигидроксиапатитата	Остеопротектор и остеокондуктор; заполнение костных полостей во время операций от 2/3 до полного костного дефекта, заполнение костных карманов при пародонтите, устранение костных дефектов после удаления дентальных имплантатов, при периимплантитах и альвеолитах	8-12 мес.
Nova Bone (USBiomaterials, США)	Биоактивное стекло	Выраженные гемостатические и остеокондуктивные свойства	1-3 года
Perio Glas (Block Drug Company, США)	CaO, Na2O, SiO2, P2O5	Выраженные гемостатические и остеокондуктивные свойства, является барьером для роста эпителия	Частично резорбируемый



1.2 Биостекло Biogran

Биоактивное стекло. Резорбируемый синтетический материал. Biogran является остеокондуктивным материалом и представляет собой смесь биоактивных стеклянных частиц Si, Ca, Na и Р. Размер биоактивных гранул находится в пределах 300-355 мкм. Установлено, что частицы диаметром менее 300 мкм быстро разрушаются и способны вызвать воспалительные реакции. Частицы более 355 мкм не всегда полностью резорбируются. В медицинской практике биостекло используется с 1984 г. и хорошо зарекомендовало себя в ортопедической, пластической хирургии, отоларингологии.

Эффективная стимуляция роста кости. Полное замещение новой костью в течение 9-12 месяцев (при добавлении аутокости время регенерации сокращается до 5-6 месяцев).

Стимулирует кость. Тканевые жидкости взаимодействуют с биоактивной поверхностью стеклянных частиц Biogran и вызывают их медленную эрозию. В результате этого появляются полости, которые служат защитными нишами для мезенхимных клеток, в которых происходит их дифференцирование в остеобласты. Уже через 3 месяца обнаруживается выраженный остеоиндуктивный рост костной ткани как с краев, так и в центре. Таким образом, костная ткань прорастает от гранулы к грануле, быстро заполняя дефект костной тканью. Гранулы Biogran полностью рассасываются в организме и распадаются в результате цикла Кребса.

Замещается костью. Гранулы Biogran полностью рассасываются в организме и распадаются в результате цикла Кребса. Нет необходимости в повторном хирургическом вмешательстве для удаления материала.

Стабилизирует кровяной сгусток. Biogran, смешанный с кровью либо со стерильным соляным раствором, представляет собой пастообразную однородную массу, обладающую гемостатическими свойствами и препятствующую появлению эффекта сухой лунки.

Удобство и легкость в использовании. Biogran является гидрофильным материалом. При смешивании с кровью или стерильным соляным раствором он прочно удерживается на инструменте, что позволяет легко вносить материал в полость. Ахорошая адгезия к рецепиентному полю позволяет материалу не мигрировать из зоны дефекта и оставаться на месте даже при работе отсоса.

Biogran идеально подходит для заполнения лунок после экстракции.

Материал быстро и удобно вносится в область дефекта. После процедуры экстракции альвеолярный отросток подвержен ремодулировке и резорбции, что выражается в потере объема костной ткани и образованию узкого гребня. Поскольку лечение с помощью дентальных имплантатов набирает все большую популярность при замене зуба, то сохранение костного гребя становится даже более важной задачей нежели сама процедура удаления зуба. Biogran быстро замешивается и удобен в применении, сводя к минимуму потерю времени и процедуры экстракции. Даже если не планируется установка имплантатов и ортопедической конструкции с опорой на них, сохранение костного гребня остается важным моментом для пациента, поскольку это способствует:

· сохранению контуров мягких и твердых тканей

· предупреждению рецессии в области корней соседних зубов

· избежать дорогостоящих последующих операций по наращиванию кости

· снижению риска появления сухой лунки, стабилизируя кровяной сгусток

Biogran - правильный выбор для небольших и средних костных дефектов.

Действие биоактивного стекла Biogran направлено на эффективную и безопасную регенерацию кости в случаях, как устранение пародонтальных дефектов, малых и средних костных дефектов, аугментация и сохранение гребня после удаления.

Biogran - это уникальное инновационное решение.

Biogran является остеокондуктивным материалом и представляет собой смесь биоактивных стеклянных частиц Si, Ca, Na и Р. Размер биоактивных гранул находится в пределах 300(355 мкм. Установлено, что частицы диаметром менее 300 мкм быстро разрушаются и способны вызвать воспалительные реакции. Частицы более 355 мкм не всегда полностью резорбируются.

Положительные результаты, доказанные клиническими испытаниями.

Клиническое исследование на 87 пациентах с 106 дефектами, включая пародонтальные дефекты и постэкстракционные лунки, показало, что Biogran является эффективным материалом для восполнения костных дефектов. Полученная костная ткань сохранялась на протяжении всего трехлетнего периода мультицентрового исследования. Различные другие клинические исследования с использованием биостекла также показали превосходные результаты.

Показания к применению:

· Заполнение постэкстракционных лунок

· Закрытие пародонтальных внутрикостных дефектов

· Восстановление небольших и средних дефектов костного гребня

· Лечение пародонтальных дефектов с неконтролируемым кровотечением Материал Biogran часто используют в сочетании с аутокостью

1.3 Примеры применения биостекол

В стоматологии

· Для заполнения пародонтальных дефектов с средним и высоким остеогенным потенциалом.

· При горизонтальной и комбинированной атрофии альвеолярного отростка для проведении имплатанционной реконструкции.

· Для заполнения лунок удаленных зубов для предотвращения атрофии контура альвеолярного гребня.

· Для заполнения дефектов кости после цистэктомии.

· Синус лифтинг.

· При глубоком пломбировании корня зуба, в том числе с выходом за эпиакальное отверстие.

В ортопедии

· Для заполнения костных полостей после удаления кист, костных опухолей, локальном остеопорозе.

· Замещение элементов удаленной либо поврежденной кости при операциях, травмах.

· Замещение элементов позвонков при травмах, остеопорозе.

В нейрохирургии

· Для замещения элементов утраченной либо поврежденной кости черепа после операций, травм.

В челюстно-лицевой хирургии

· Для замещения элементов челюстно-лицевых костей и суставов.

· Для заполнения костных полостей после цистотомии и цистэктомии, остеомиелита.

· При костной пластике.



2. СИТАЛЛЫ

Стеклокристаллические материалы, полученные объемной кристаллизацией стекол, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе. Вещества, инициирующие кристаллизацию стекла, называются катализаторами. В качестве катализаторов применяют металлы (Cu, Ag, Au, Si, Pt), оксиды (TiO₂, P₂O₅, Cr₂O₃, ZrO₂, SnO₂, WO₃, MoO₃). Существуют различные представления о механизме действия катализаторов. Катализатор-металл растворяется в расплаве, а при охлаждении выделяется в виде атомарных (кластерных) группировок, которые по мере укрупнения образуют центры, инициирующие кристаллизацию. Оксидные катализаторы способствуют ликвации, т.е. разделению первоначально однородного расплава при понижении температуры на две несмешивающиеся жидкости стекол, на границах которых формируются центры кристаллизации. Количество кристаллических фаз в ситаллах может составлять 20-95% (по объему). Изменяя состав стекла, тип инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термической обработки, получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами. Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг. 20 в. Материалы, подобные ситаллам, за рубежом называются пирокерамом, девитрокерамом, стеклокерамом. Ситаллы обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, малым термическим расширением, химической и термической устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью.

Основным недостатком ситаллов является одноцветность массы и возможность коррекции цвета только нанесением на поверхность протеза эмалевого красителя.



2.1 Получение ситаллов

Для производства ситаллов используют технологию стекольного производства, несколько видоизмененную и дополненную в своей заключительной стадии, т.к. полученное из соответствующего стекла изделие затем должно быть превращено в ситалл путем кристаллизации. Технологическая схема производства ситаллов имеет следующий вид:

Получение шихты > варка стекла > формование изделий > отжиг изделий > кристаллизация изделий (может следовать сразу за формованием, минуя отжиг).

В некоторых случаях применяется керамическая технология (порошковый метод) получения ситаллов:

Получение шихты > варка стекла > гранулирование> измельчение стекла в порошок > получение пластичной композиции-шликера (стекло+связка) > формование изделий > спекание и кристаллизация.

Этот технологический прием является менее совершенным, т.к. получаемые изделия всегда имеют небольшую пористость. Однако, в особых случаях и при получении деталей очень сложной конфигурации порошковый метод может оказаться незаменимым.

Спеченный ситалл получают двумя методами:

· спеканием порошков стекла (размер зерен около 10 мк) с добавкой кристаллообразователя

· спеканием порошка стекла, в которой кристаллообразователь введен на стадии его варки

2.2 Применение ситаллов в стоматологии

Стоматология занимает важное значение в жизни людей. Среди актуальных проблем современной стоматологии является вопрос применения и совершенствования методов лечения патологии твердых тканей зубов. Многочисленные исследования в области протезирования зубов занимают одно из ведущих мест в стоматологии.

Ситаллы обладают повышенной механической прочностью, износостойкостью и химической стойкостью, составом и совершенной структурой, что позволяет получать характеристики материалов с учётом биологической совмести и делает их незаменимым материалом. Это даёт возможность полнее использовать их кристаллическое строение по сравнению с применявшимися фарфорами.

Структура ситаллов, как правило, изотропная, мелкокристаллическая. Кристаллы имеют размеры 0,1-1,0 мкм, и не позволяют распространению трещин в материале, что очень важно при протезировании. Керамика же состоит в основном из кристаллической фазы с большим размером зерён 50-200 мкм.

Различие структур ситаллов и керамики объясняется технологиями их получения. Например, керамические материалы получают методом твердофазового спекания, а ситаллы -- из стекол методом направленной кристаллизации. Также кроме указанных достоинств ситаллов, ценным является возможность регулирования степени светопрозрачности материалов при помощи выбора нужного соотношения кристаллической и стекловидной фаз.

Разработаны и применяются 4 ситалла:

· Ситалл "СИКОР" для индивидуальных коронок;

· Ситалл "СИМЕТ" для металлокерамических протезов;

· "Биоситалл" для восполнения дефектов костных тканей;

· Ситалл для литья протезов.

Ситалл "Сикор" для зубных коронок получен методом направленной кристаллизации в системе альбит-диопсид. В сравнении с фарфоровыми массами для зубных коронок "Сикор" обладает технологическими преимуществами: композиционным опаковым слоем, гарантирующим его спекание без трещин и не требующим корректировочного обжига; более низкой температуры спекания, широким диапазоном рабочей температуры. Ситалловое покрытие "Симет" предназначено для облицовки каркасов цельнолитых зубных протезов, изготовленных из стоматологических сплавов металлов с температурным коэффициентом линейного расширения a_t=(13?15)Е10^?6ЕK^?1 с использованием метода послойного нанесения масс разной цветности и прозрачности и их спекания в вакуумной электропечи. Материал для ситаллового покрытия синтезирован из стекла лейцит-альбитового состава.

Ситалловое покрытие, обладая высокой адгезией к металлическим каркасам зубных протезов, низкой температурой спекания (до 800°C) при достаточной прочности, а также регулируемые коэффициент теплового расширения и степень светопрозрачности обеспечивают высокий технологический и эстетический эффект при использовании ситалла "Симет". Из материала "Симет" также можно изготавливать индивидуальные ситалловые коронки типа жакетных и вкладки. Покрытие "Симет" химически и биологически нейтрально, устойчиво к ротовой жидкости и пищевым продуктам, биологически совместимо со всеми тканями полости рта и организма пациента, не вызывает аллергию.

2.3 Биоситаллы

Высокая механическая прочность, биологическая совместимость с тканями организма находит применение биоситаллов в медицине для изготовления зубных протезов. Биоситаллы получают на основе стекол системы СаО - MgO - SiO₂ - Р₂О₅ (апатито - волластонитовые составы).

Свойство	Биоситалл СаО - MgO - SiO2 - Р2О5
Главные кристаллические фазы	Апатит, волластонит
Плотность, кг/м3	2600-2700
Прочность при изгибе, МПа	140-220
Модуль Юнга, ГПа	76-104
Микротвердость, МПа	6400-6500
Хим. стойкость, мг/см2 (кипячение в 5% р-ре HCl)	30-35

2.3.1 Биоситалл «Биосит»

Во всем мире специалисты отмечают все возрастающую необходимость хирургических вмешательств для замещения костных дефектов при различных заболеваниях человека.

Получение аутотрансплантата для костной пластики усугубляет состояние пациента, удлиняет срок оперативного вмешательства, увеличивает кровопотери и является дополнительным потенциальным источником возникновения инфекции.

Еще в 70-х годах ХХ века Л. Хенчем ( США) была сформирована абсолютно новая область медицины - биоматериаловедение на основе стеклокристаллического материала ситалла. Синтезированные составы непосредственно вступающие в реакцию с костной тканью, образующие прочное соединение с нею, обеспечивающие совместимость на клеточном и тканном уровне, получили название «биоситаллы».

В начале 90-х годов научно-производственная фирма «Элкор» совместно с Военно-медицинской Академией, Всероссийским институтом травматологии и ортопедии им. Вредена Р.Р., Медицинской Академией им. Павлова И.П. приступила к разработке синтетических имплантатов для замещения костной ткани на основе биоситалла. Разработанные биоситаллы состоят из таких остеотрофных элементов как Ca, K, Mg, Zn, P₂O₅, Al₂О₃ и синтетического аналога биоминерала костной ткани - даллита. Различное соотношение перечисленных элементов, позволяют варьировать прочностные характеристики и скорость остеозамещения в различных участках скелета. Применение изделий синтетического происхождения, полностью исключает возможность заражения СПИДом, сифилисом, гепатитом, туберкулезом и т.д. Отсутствие терратогенных свойств позволяет применять изделия из биоситалла для беременных и детей.

Сотрудниками фирмы «Элкор», единственными в России, были разработаны и синтезированы составы биоситаллов, которые прошли клинические испытания в ведущих медицинских учреждениях России (Военно-медицинская Академия, Медицинская Академия им. Павлова И.П.,Институт ортопедии и травматологии им. Вредена Р.Р.).

К 1998 году были проведены экспериментальные и клинические исследования по применению пористых имплантатов из биоситалла в стоматологии, получившие название «БиоситСр-Элкор».

В Институте Цитологии Российской Академии Наук были проведены исследования цитотоксичности и остеосовместимости изделий из биоситалла, а результаты были доложены на Международном симпозиуме «Стволовые клетки, регенерация, клеточная терапия», проходившем в Санкт-Петербурге 25-27 октября 2004 года. Результаты исследований подтвердили способность клеток прикрепляться и расти на поверхности гранул, образуя монослой фибробластов.

Клинические испытания показали возможности применения изделий в любых формах, гранулированных и обьемных в следующих операциях:

· все операции связанные с остеозамещением в стоматологии

· операции спондилодеза при травмах шейного отдела позвоночника

· операции травм грудного и поясничного отделов позвоночника

· операции гнойной остеологии при лечении дегенеративно-дистрофических заболеваний и восполнении костных дефектов в условиях раневой инфекции

· при лечении инфицированных полостей при туберкулезе;

· реэндопротезирование

В 1998 году изделия получили разрешение Минздрава России на применение под торговой маркой «БИОСИТ» и зарегистрированы в реестре медицинских изделий РФ. Отличительными особенностями изделий из разработанных ситаллов, являются следующие:

· пористость гранул находится в пределах от 15 до 40 %;

· фракции гранул, от 0,1мм до 5,0 мм, имеют высокую химическую и механическую прочность, что позволяет их использовать при нагружаемом протезировании;

· химическая и механическая прочность гранул позволяет подвергать их стерилизации в режимах принятых в клиниках вместе с хирургическим инструментом, повторно использовать вскрытый флакон;

· открытый флакон с материалом не подвергается гидролитическому разложению;

· материал не оказывает отрицательного воздействия на применяемые антибиотики, белковые полипептиды, биополимеры мембран;

· синтетическое происхождение материала полностью исключает проявление аллергических и токсических реакций при имплантации;

· полностью исключена возможность заражения СПИДом, гепатитом, сифилисом, туберкулезом и т.д.;

· может применяться в смеси с костной стружкой и фрагментами аутокости;

· способность материала к механической обработке позволяет

· хирургу подгонять имплантат точно по месту операции;

· РН материала в зоне введения не превышает 7,4 ед.

· сроки резорбции и остеозамещения в зависимости от размера и обьема заполнения составляют 4-6-12 месяцев, что соответствует нормальным срокам протекания фаз остеогенетического процесса.

Ни в одном случае применения изделий «БиоситСр-Элкор» не было отмечено воспалительных осложнений.

2.3.2 Биоситалл КФ

Область применения и назначение: биоактивный кальцийфосфатный стеклокристаллический материал - биоситалл КФ является представителем нового класса неорганических материалов медицинского назначения. Основные области применения: костное эндопротезирование в травматологии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии в качестве биоактивных эндопротезов, имплантатов, лечебных препаратов для заполнения костных дефектов различного происхождения, коррекции деформаций кости и нарушений опорно - двигательного аппарата, замещение и восстановление утраченных участков кости.

Краткое описание и основные технические характеристики: биоактивный машинообрабатываемый кальцийфосфатный стеклокристаллический материал может быть использован для изготовления пористых (общая пористость - до 50%, размер пор - до 100 мкм) и беспористых эндопротезов и имплантатов, а также остеопластичных композиций с коллагеном и в виде покрытий на титановые эндопротезы и имплантаты. Обладает механическими характеристиками близкими к свойствам естественной кости:

· прочность на изгиб, МПа - 130;

· модуль упругости, МПа - 75 - 80;

· плотность, кг/м³- 2200 - 2700;

· коэффициент трения - 0,59-0,73;

· износостойкость, % - 0,098;

Материал рентгеноконтрастен на фоне естественной кости и допускает различные виды стерилизации.

Преимущества:

· химический и минералогический состав материала подобен составу естественной кости, что обуславливает его специфическое поведение в среде организма по сравнению с металлами, пластмассами и корундовой керамикой.

· изделия из биоситалла КФ не капсулируются, образуют единый костный фрагмент с живой костью, дают положительный лечебный эффект



3. СТЕКЛОКЕРАМИКА

Слово «керамика» произошло от греческого keramos, что означает «обожженная земля». Более современное определение представляют материалы, которые содержат металлические и неметаллические элементы (обычно кислород). Они имеют ряд общих свойств, обусловленных природой их атомарных связей (ионной и ковалентной): твердость, неэластичность и хрупкость. Эти характеристики противоположны металлам, которые являются нехрупкими (проявляют эластическую природу) и пластичными, что обусловлено металлической связью атомов. Кроме того, керамика имеет широкий диапазон светопропускания (от прозрачной до опаковой) в зависимости от микроструктуры, различные размер и твердость частиц, индекс преломления, пористость и т.д. По микроструктуре стоматологическая керамика бывает в стеклянной форме (аморфный состав), не имеющей кристаллической фазы, в виде стекла с небольшим количеством веществ в кристаллической фазе, в виде материала с кристаллической структурой и небольшим добавлением стекла, а также в виде поликристаллической структуры (с полным отсутствием стекла). В зависимости от техники изготовления выделяют следующие виды керамики: порошок-жидкость для нанесения, прессуемая и механически обрабатываемая или машинная керамика.

Впервые стеклокерамика была разработана на предприятии Corning Glass Works в конце 50-х годов прошлого века. В принципе, изделие формируют, пока стеклянная масса находится в расплавленном состоянии, однако в результате ее охлаждения образуется метастабильное стекло. При последующей тепловой обработке метастабильного стекла происходит кристаллизация, которая возникает за счет образования центров (зародышей) кристаллизации и последующего увеличения размеров кристаллов, находящихся внутри материала. Процесс превращения стекла в частично закристаллизованное стекло называется ситаллизацией. Таким образом, стеклокерамика представляет собой многофазное твердое вещество, содержащее остатки стеклофазы, в которой распределена тонкодисперсная кристаллическая фаза. Управление процессом кристаллизации стекла позволяет получить тончайшие кристаллы, которые равномерно распределены по всей стеклянной матрице. Число кристаллов, скорость их роста и, следовательно, их размеры, можно регулировать путем изменения температуры тепловой обработки материала и времени выдержки при заданной температуре.

Для того, чтобы получить гарантированно высокую прочность стеклокерамического материала, необходимо, чтобы число кристаллов было как можно большим, и чтобы все они были равномерно распределены внутри стеклофазы.

3.1 Клиническое значение

Одной из особенностей стеклокерамики является то, что размеры кристаллов и количество кристаллической фазы в материале можно точно регулировать в ходе проведения ситаллизации.

Большинство стеклокерамических материалов являются непрозрачными или мутными и непригодными для стоматологического использования. Впервые стеклокерамика была применена в стоматологии МасCulloch в 1968 году для изготовления искусственных зубов для съемных протезов. За основу этого материала была взята трехкомпонентная система Li₂O·ZnO·Si0₂. Позднее более широко стали применять искусственные акриловые зубы, и идея использовать стеклокерамику в съемном протезировании в дальнейшем была забыта. В настоящее время существует широкий круг стеклокерамических материалов и методов изготовления цельнокерамических реставраций, фиксируемых полимерными адгезивами.



3.2 Классификация керамики по микроструктуре

биоактивный стеклокристаллический ситалл керамика

Данная классификация разделяет керамику по уровню содержания в ней кристаллических компонентов и стекла (некристаллической структуры), которые можно объединить в 4 основных категории с несколькими подгруппами.

1. Стеклокерамика

2. Наполненная стеклокерамика

3. Наполненная оксидная керамика

4. Оксидная керамика

Стеклокерамика состоит из оксида кремния, также известного как кварц (SiO₂) c небольшим содержанием алюминия. В природе алюминосиликаты, которые также содержат примеси калия и натрия, известны под названием полевой шпат. В стоматологии искусственно синтезированный полевой шпат представлял первые керамические массы для изготовления фарфоровых ортопедических конструкций. Впервые применение полевого шпата упоминается в 1903 году в работах Чарльза Лэнда, описавшего процесс изготовления фарфоровых коронок в медицинском издании «Стоматологический космос», однако доктор столкнулся с проблемой большой хрупкости фарфора. Подобным образом в 1938 году в своей статье «Журнала калифорнийской стоматологической ассоциации» Пинкус предложил концепцию керамического винира, однако задумка также оказалась неудачной, прочность на изгиб такого фарфора составляла 20-30 MPa. Позднее, в связи с изобретением вакуумных печей для обжига фарфора, прочностные характеристики были улучшены. Прочность на изгиб варьировала от 50 до 60 MPa и достигалась в результате полученной меньшей пористости материала. Керамика применялась для облицовки металлических каркасов, а также в виде цельной конструкции для фарфоровых виниров, изготовленных с применением огнеупорных штампов или платиновой фольги. Однако компрессионные нагрузки, полученные во время жевания, по-прежнему вызывали многочисленные сколы на подобных реставрациях.

Наполненная стеклокерамика была разработана компанией Corning Glass Works в конце 1950-х. Основным принципом получения твердого материала является его формовка в результате остывания расплавленного стекла. Во время последовательного нагревания стекла происходит процесс контролируемой кристаллизации, в результате чего зарождаются и растут кристаллы. Эти трансформации из чистого стекла в частично кристаллическое стекло также называются керамизацией. Таким образом, стеклокерамика - мультифазный состав, содержащий остаточную стеклянную фазу с мелкодисперсной кристаллической фазой. Количество, характер роста и размер кристаллов регулируются временем и температурой обжига керамики. Есть два важных аспекта в формировании кристаллической фазы - зарождение кристаллов и их рост. Уровень этих двух процессов максимален при разных температурах. Именно поэтому первый обжиг происходит при условиях, оптимальных для максимального зарождения кристаллов, после чего температура повышается и происходит кристаллический рост.

Залог прочности любой стеклокерамики - упорядоченное расположение кристаллов в большом количестве в стеклянной фазе. Во время керамизации кристаллическая фаза растет и может занимать от 50 до почти 100 процентов от материала.

Выделяют 3 подгруппы, классифицируемые по кристаллическим наполнителям. Состав стекла почти такой же, как и у чистого стекла (категория 1). Среди наполнителей же выделяют лейцит, дисиликат лития или фторапатит. Лейцит в стоматологическом фарфоре получается путем увеличения содержания оксида калия в алюмосиликатном стекле. Кристаллы дисиликата лития таким же образом внедряют в состав алюмосиликатную матрицу.

Полевошпатная стеклокерамика с небольшим содержанием лейцита

В 1980-х годах Horn активно применял в своих экспериментах керамику с небольшим содержанием лейцита (KАlSi₂O₆) для конструкций металлокерамических реставраций. В современной стоматологии такая керамика называется полевой шпат. Лейцит добавлялся для увеличения коэффициента температурного расширения, в результате чего материал можно было наносить в качестве облицовочного слоя. Изначально прочность на изгиб полевошпатной керамики составляла 30-40 MPa.

Последние разработки в стоматологии позволили синтезировать полевошпатную керамику, имеющую меньшие размеры частиц и более равномерное их распределение в стеклянной матрице, в результате чего повышаются их прочностные характеристики (прочность на изгиб до 150 MPa). Изменились и методы ее изготовления. Так, выпущены составы порошок-жидкость для облицовывания каркасов из керамики на основе алюминия In-Ceram (Vita Zahnfabric) и Nobel Procera (Nobel Biocare). Эти материалы имеют низкий коэффициент температурного расширения (8·10^-6/К). Наиболее известный представитель VitaVM13 (Vita Zahnfabrik).

Также полевой шпат c небольшим содержанием лейцита применяется для мелкозернистых машинных блоков. Выпущенные в 1991 году блоки Vita Mark 2 (Vita) для Cad-Сam системы Сerec (Sirona Dental) - наиболее известный продукт, который используется и по сей день в стоматологии под тем же названием.

Исследования, выполненные от компании Vita доказывают выживаемость вкладок инлей и онлей, заготовленных из материала Vita Mark2, более 99% в течение года.

В структуре такой полевошпатной керамики частицы расположены хаотично и имеют различные размеры кристаллов лейцита (со средним размером частиц 20 мкм), в результате чего ей присуща относительно низкая устойчивость к сколам и абразивные свойства, сходные с эмалью. Тем не менее, полевошпатная керамика имеет высокую прозрачность и, следовательно, самые высокие эстетические показатели.

Стеклокерамика с высоким содержанием лейцита (до 50%)

Увеличение содержания лейцита привело появлению нового вида керамики. Лейцитная керамика относительно полевошпатной имеет улучшенные прочностные характеристики (большую сопротивляемость к термальному шоку и химической эрозии, прочность на изгиб более 200 MPa), кристаллы лейцита способны противостоять развитию сколов в готовых керамических конструкциях, частично поглощая энергию трещин. Однако, в связи с потерей прозрачности, эстетичность данной керамики несколько ниже, чем у полевошпатной.

Материалы выпускаются в виде порошка-жидкости, блоков для машинной обработки, а также в виде прессуемой керамики. Наиболее широко распространена прессуемая керамика IPS Empress (Ivoclar Vivadent) (прочность на изгиб 220 MPa), которая также выпускается в виде машинных блоков для Cad-Cam системы Cerec 3.

Empress - это безметалловая стеклокерамика, полученная путем прессования. Empress имеет повышенное содержание кристаллов лейцита, что увеличивает ее прочность. Она обладает прочностью и точностью прилегания. Кроме того, прессованная керамика изготавливается из такого прочного материала, который является сходным по своей структуре со структурой эмали естественных зубов. Обладает хорошей цвето- и светопроводимостью. Керамика подбирается по цвету окружающих естественных зубов.

Керамический винир - тонкая облицовка, толщиной 0,5-0,7 мм, покрывающая переднюю поверхность зуба. Используются для улучшения внешнего вида из-за изменения цвета (дефекты эмали зуба: флюороз, тетрациклиновые зубы; потемневшие в результате травмы), стираемости, сколов или они имеют неправильное положение и форму (наличие между зубами диастемы). Виниры обладают рядом преимуществ перед пломбами:

*Отличная светопроводимость, сходная с эмалью зуба (виниры прозрачные);

*Стойкий цвет (устойчивы к окрашиванию);

*Обладают биосовместимостью с тканями десны;

*Прочные;

*Обладают большей стойкостью, нежели пломбировочный материал, к истиранию и износу.

Виниры устанавливаются на композит соответствующего цвета, который позволяет связать конструкцию с культей зуба.

При максимальном разрушении зуба технология позволяет его сохранить и восстановить вкладкой, подходящей по форме и цвету. По сути дела, это те же пломбы, но изготовляют их в зуботехнической лаборатории по слепкам.

Преимущества вкладок:

*Имеют превосходную эстетику;

*Более прочны и стабильны;

*Стойкий цвет (устойчивы к окрашиванию);

*Точная имитация формы зуба;

*Обладают биосовместимостью с тканями десны;

*Обладают большей стойкостью, нежели пломбировочный материал, к истиранию и износу.

Коронки по технологии прессования не имеют металлического каркаса, они только из керамики. Они обладают хорошей цвето- и светопроводимостью, прозрачностью, точным прилеганием. Используются в основном для восстановления передних групп зубов, т.к. по прочности все же уступают металлокерамическим коронкам.

И так, показания к безметалловой керамике, полученной путем прессования:

*Виниры;

*Накладки на жевательные зубы;

*Вкладки на жевательные зубы;

*Одиночные коронки на передние зубы.

Схожими свойствами обладает следующая прессуемая лейцитная керамика: Finesse (Dentsply), Authentic (Jensen), OPC (Pentron), PM9 (Vita), машинная керамика Paradigm C (3M ESPE).

Следует отметить, что прочность машинных и прессуемых систем, как лейцитной, так и полевошпатной керамики, выше, чем у систем жидкость-порошок. Это связано с сведением к минимуму образования микропор, образованных попавшими пузырьками воздуха в процессе изготовления (что часто происходит в процессе нанесения порошка-жидкости).

Стеклокерамика, упрочненная дисиликатом лития

Полевошпатная и лейцитная керамика имеют хорошую адаптацию в качестве одиночных ортопедических конструкций, однако их прочностные характеристики не позволяют применять их для мостовидных конструкций. В связи с чем компанией Ivoclar Vivadent была выпущена стеклокерамика, наполненная SiO₂-Li₂O-SiO₂ - дисиликатом лития под торговым названием Empress 2.

Кристаллы дисиликата лития (Li₂Si₂O₅) занимают 70% объема в составе стеклокерамики. Кристаллы лития дисиликата имеют вытянутую «подобную вермишели» форму (рис. 2), что приводит к отражению и разветвлению образующихся трещин.

Рис. 2. Микроструктура E.max Pressпо материалам IvoclarVivadent



Таким образом, энергия трещины гасится микроструктурой, позволяя увеличить прочность материала на изгиб до 450 MPa и твердость на сжатие приблизительно в 3 раза выше, чем у лейцитной керамики.

Современное название Empress 2 фирмы Ivoclar Vivadent изменилось на E.max. Материал выпускается в прессуемой и машинной форме. Ввиду низкого индекса преломления света кристаллами дисиликата лития, керамика достаточно прозрачна и может использоваться для цельных реставраций или для большей эстетики покрываться облицовочным слоем. Кроме одиночных коронок, виниров и вкладок, возможно применение керамикив качестве материала для изготовления мостовидных протезов до второго премоляра.



Список литературы

1. Путляев, В.И. Современные биокерамические материалы / В.И. Путляев // Соросовский образовательный журнал. - 2004. - Т. 8, №1.

2. Peter Wray «Cotton candy» that heals? Borate glass nanofibers look promising. - American Ceramic Society Bulletin. - May, 2011. - Vol. 90. - No. 4.

3. Кирилова, И.А. Сравнительная характеристика материалов для костной пластики: состав и свойства / И.А. Кирилова, М.А. Садовой, В.Т. Подорожная // Хирургия позвоночника. - 2012. - №3. - С.72-83.

4. Жолудев, Д.С. Керамические материалы в ортопедической стоматологии. Керамика на основе оксида алюминия / Д.С. Жолудев // Проблемы стоматологии. - 2012. - №6. - С.8-14.

5. Макмиллан, П.У. Стеклокерамика : пер. с англ. / П.У. Макмиллан. М. : Мир, 1967. - 264 с.

6. Верещагин, В.И. Керамические и стеклокристаллические материалы для медицины: учебник / В.И. Верещагин, Т.А. Хабас, Е.А. Кулинич, В.П. Игнатов. - Томск: Издательство ТПУ, 2008. - 151 с.

7. http://www.aurdent.ru/news/biosteklo-biogran/

8. http://kiev.all.biz/biosteklo-granuly-150-300-mkm-g2414572

9. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4086.html

10. http://www.spektr46.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=17&Itemid=60

Размещено на Allbest.ru

...