Материалы, использующиеся в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Материалы, использующиеся в медицине



Содержание

Введение

1. История использования материалов в медицине

2. Современные биоматериалы

2.1 Классификация биоматериалов

2.2 Применение биоматериалов

3. Особенности структуры костной ткани

4. Биоматериалы, используемые в ортопедии

4.1 Неорганические биоматериалы

4.2 Органические биоматериалы

4.3 Обобщение

5. Биоматериалы в ТПУ

6. Из ТП соз. НМ

Заключение

Список литературы



Введение

Заболевания и травмы, связанные с нарушением целостности кожных покровов и потерей больших фрагментов мягких тканей, костной, хрящевой и других тканей, являются одной из ключевых проблем регенеративной медицины. В случае больших по объему повреждений наряду с применением клеточной терапии и введением биологически активных веществ актуально использование биоматериалов. Согласно рекомендациям оргкомитетов V и VI всемирных конгрессов по биоматериалам, прошедшим в 1998 и 2000 годах, а также международной организации по стандартизации ISO(ISO/TR 9966), ГОСТом Р 51148-98 под биоматериалами подразумевают нежизнеспособный материал, предназначенный для контакта с живой тканью для выполнения функций медицинского назначения. Свойства биоматериалов позволяют замещать клетки, утратившие свои природные функции, тем самым восстановить функционирование поврежденного органа.



1. История использования материалов в медицине

Первые биоматериалы упоминаются еще в древнем мире: около 2000 тысяч лет назад люди стали применять драгоценные металлы - золото, серебро, а в последствии платину в качестве различных имплантатов.

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 волокона, костную ткань.

Остановимся подробнее на истории костных материалов.

1.1 История развития костных материалов

В качестве первых имплантатов с глубокой древности вплоть до XVIII века применялись драгоценные металлы, в основном золото и серебро, позднее также платина. В XIX веке в клиническую практику вошло использование высококачественных нержавеющих сталей. На смену им в начале XX века пришли высокопластичные танталовые, легкие титановые и высокопрочные кобальтовые и молибденовые сплавы. Большинство имплантатов на сегодняшний день металлические, широкое применение которых обусловлено их прочностью, жесткостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Первой процедурой костной пересадки традиционно считается выполненная св. Дамианом и св. Козьмой в III в. пересадка кадаверного аллотрансплантата нижней конечности пациенту с опухолью ноги [Finkemeier C.G.Bone-grafting and bone-graft substitutes // J. Bone Joint Surg. Am. 2002. Vol. 84. P. 454-464]. Понятно, что эта попытка осталась на страницах описаний как историческое событие, не имевшее какого-либо целебного успеха. Но это говорит о стремлении медицины к подбору «запасных» биологических частей для человека [Имамалиев А.С.Биологическая оценка трансплантируемых тканей. М., 1975].

В 1965 профессор Ингвар Бранемарк возглавлял группу исследователей в Университете Гетеборга (Швеция) проводивших исследования, которые, в конечном счете, привели к открытию явления остеоинтеграции (приживления титана в костной ткани). Исследования Бранемарка были направлены на изучение аспектов восстановления и регенерации кости после травмы. На основании этого явления был сделан вывод о биоинертности титана, а последующие исследования привели к созданию наиболее прогрессивной системы протезирования за всю мировую историю стоматологии и ортопедии.

Титановые имплантаты широко применяются и сегодня. Основной проблемой в применении титана для медицинского назначения является возможная цитотоксичная реакция организма на биоинертный материал. Во избежание подобной реакции на титановые имплантаты принято наносить биосовместимые покрытия, как правило, включающие в свой состав ионы кальция, фосфора и кислорода, стимулирующие рост костной ткани.

В начале 60-х годов в «Naval Ordnance Laboratory» (США) были обнаружены эффект памяти формы и сверхэластичные свойства в сплавах никеля и титана равного состава. В зарубежной литературе этот сплав был назван нитинолом по химической формуле TiNi и аббревиатуре названия лаборатории. Позже это название было вытеснено химическим -- никелид титана. Изначально сплав использовался в военной и авиационной промышленности.

В СССР в начале 70-х годов в Сибири были развернуты широкомасштабные исследования по внедрению в медицину нового поколения материалов. В основе этого лежало открытие явления гистерезисного запаздывания биологических тканей, сделанное Г.Э. Гюнтером. «Живая ткань» в ответ на любое воздействие, включая механическое, в начальный момент «думает», как ей поступить, т.е. ее реакция не мгновенна, а проявляется с некоторым запаздыванием. При снятии воздействия внешних факторов реакция «живой ткани» также запаздывает, и это проявляется в том, что она некоторое время сопротивляется снятию самих внешних факторов, например, сопротивляется снятию напряжения, оставаясь в напряженном состоянии. Величина гистерезиса тканей является их конкретной характеристикой. Это означает, что оптимальный имплантат должен обладать биомеханической совместимостью с тканями организма, т.е. быть по поведению подобным живой ткани. Этому требованию удовлетворяли изделия из сплавов никеля и титана [ Гюнтер В.Э., Ходоренко В.Н., Ясенчук Ю.Ф. и др. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения. Томск: МИЦ 2006; 296.

Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Кузнецова Н.Н. Материаловедческие и биомеханические особенности применения фиксаторов с саморегулирующимся уровнем компрессии из сплава ТН1 для остеосинтеза. Научные труды МАТИ 2007; 13: 85: 273 - 277.

Лихачев В.А. Эффект памяти формы. Соровский образовательный журнал 1997; 3: 107 - 114.]. Однако широкое применение этих сплавов сдерживается сложностью металлургического производства никелида титана, очень сложной технологией переработки полуфабриката в изделие с гарантированными температурами срабатывания и силовыми характеристиками и, как следствие -- высокой стоимостью [ Пурецкий М.В., Иванов А.С., Тараян М.В. Опыт использования системы Amplatzer septal occlude для закрытия дефектов межпредсердной перегородки. Хирургия 2008; 2: 10 - 14.

Коллеров М.Ю., Ильин А.А., Полькин И.С. и др. Структурные аспекты технологии производства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана. Металлы 2007; 5: 77 - 85.].

В середине 90-х годов ХХ века технология производства изделий из никелида титана значительно изменилась. Использование новой технологии позволяет управлять структурой никелида титана на наноуровне и создавать изделия с заранее заданными температурными и силовыми характеристиками [Федоров А.В., Коллеров М.Ю., Рудаков С.С., Королев П.А. Применение нанотехнологически структурированного никелида титана в медицине// Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова, 2009; 2; 71]. В последние годы в Томском НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы разработаны пористые имплантаты из сплава ТН-1П на основе никелида титана. Отличием их от монолитного никелида титана является взаимодействие с тканями в виде прорастания ткани в поры имплантата [атент Российской Федерации RU 2127613 Дилататор желчных протоков. Авторы: Прокошкин С.Д.; Рыклина Е.П.; Хмелевская И.Ю.; Добродеев С.А.; Белый Ю.Н.].

Началом применения полимерных материалов в медицине следует считать 1788 год, когда во время операции А. Шумлянский прибег к каучуку. Затем в 1895 году был использован целлулоид для закрытия костных дефектов после операций на черепе. В 1939 году совместные усилия стоматологов и химиков (И. Ревзина, Г. Петрова, И. Езриелева и др.) привели к созданию полимера АКР-7 для изготовления челюстных и зубных протезов. Вскоре появился ряд пластмасс из акриловых смол, оказавшихся пригодными для глазных протезов и восстановительных операций в челюстно-лицевой хирургии. В 1943 году С. Федоровым из полиметилметакрилата впервые сделана заплата для закрытия дефекта черепа. В настоящее время этот материал широко применяется у нас в стране и за рубежом. Из него изготовляют трубки для дренирования слезного мешка, гайморовой полости, протезы кровеносных сосудов, клапанов сердца, пищевода, желудка, мочевого пузыря, желчных протоков, уретры, хрусталика глаза; штифты и пластинки для фиксации костей при переломах, полимерные сетчатые «каркасы» для соединения кишок, сухожилий, трахеи.



2. Современные биоматериалы для медицины

Полимеры в медицине

Полимеры - высокомолекулярные соединения (ВМС), вещества с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи, а также пространственные трехмерные структуры. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число ВМС получают синтетическим путем на основе простейших соединений и элементов нефтяного, углехимического, лесохимического и минерального происхождения в результате реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений одних полимеров (природных и синтетических) в другие.

В настоящее время из полимеров изготавливается более трех тысяч различных видов медицинских изделий. Вполне понятно, что дальнейшие успехи в этой области зависят от кооперирования и творческого содружества между химиками и медиками. Химическая промышленность выпускает различные полимеры с точным соблюдением тех требований, которые к ним предъявляют. Однако специальных полимеров для применения в медицине выпускается пока еще мало. Первостепенной задачей является разработка технических условий на «медицински чистые» полимеры, которые не оказывали бы вредного действия на организм человека.

Инертные полимеры в живом организме оставались, к большому сожалению, инородным телом, они меняли свои физические свойства, поддерживали хроническую воспалительную реакцию; длительность функционирования протезов из полимеров приносила вред живому организму, в научной медицинской литературе появились сведения о канцерогенной опасности полимеров. Поэтому стали уделять больше внимания рассасывающимся материалам, которые в процессе регенерации постепенно замещались собственными тканями живого организма.

Весьма перспективен в этом отношении природный коллаген гидробионтов и наземных животных, сочетающий только положительные качества синтетических полимеров и тканевых трансплантатов.

В современной медицине нашли широкое применение пластмассовые полимеры в реконструктивно-восстановительной хирургии, травматологии, ортопедии, урологии, стоматологии, офтальмологиии др.

Керамика в медицине

Керамика - изделия из неорганических, неметаллических материалов (например, глины) и их смесей с минеральными добавками, изготовляемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением. [Сафронова Т.В., Шехирев М.А., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д., Корундовая керамика // Неорганические материалы, 2007, №8.].

В настоящее время развиваются новые направления использования перспективных керамических материалов, в том числе высокотемпературные сверхпроводники, композиционные керамические материалы специальные пористые материалы, а также биокерамические материалы для использования в медицине.

Керамические материалы в медицине применяются все ещё не достаточно широко, хотя известны их преимущества по сравнению с металлами и пластмассами: биосовместимость и химическая инертность. Проблема состоит в том, что этот более стойкий к воздействию среды и практически не стареющий материал более хрупок и чувствителен к ударно-вибрационным нагрузкам, чем пластические массы и металлы. Однако по сравнению с металлами керамика имеет малую прочность при растяжении, повышенную хрупкость и чувствительность к механическим и термическим ударным нагрузкам. Поэтому в настоящее время все большее применение находят комбинации металла и керамики, композиционные полимерно-керамические материалы, а также новые керамические материалы, позволяющие существенно расширить область применения керамики в медицине.

Сплавы с эффектом памяти формы в медицине

Появление сплавов с эффектом памяти формы привело к созданию щадящих имплантатов. Они обладают способностью создавать постоянное по величине напряжение и поддерживать его в течение длительного времени. Разработаны сплавы с памятью формы, что позволило создавать имплантаты с принципиально новыми функциональными свойствами, которые не разрушаются при многократном механическом воздействии, проявляют эластичные свойства и оказывают силовое сопротивление в течении длительного времени. Эти материалы применяют в различных областях медицины, таких как травматология, общая хирургия, стоматология, урология, сосудистая хирургия и т.д.

2.1 Классификация биоматериалов

медицина биоматериал полимер сплав

По способу происхождения биоматериалы делятся на материалы природного и синтетического происхождения, предназначенные для контакта со средой живого организма и используемые для изготовления медицинских изделий и устройств. Из биоматериалов могут быть сформированы пленки, губки, гели, микросферы и другие формы, которые удобны для использования в конкретном случае их клинического применения.

Также биоматериалы можно классифицировать по способу использования, которых достигается тот или иной эффект на трансплантаты и имплантаты.

Трансплантаты - природный биоматериал, используется при пересадке органов. Если натуральный трансплантат приживается, то поврежденный орган, нуждающийся в помощи, полностью восстанавливает свои жизненные функции. При этом типе биоматериалов возникает проблема не совместимости и вследствие этого, отторжение трансплантируемого органа. Так же не маловажной проблемой является нехватка биоматериала необходимого для трансплантации.

Имплантаты - искусственно созданные полимерные, керамические и многие другие биоматериалы. Данный тип материала может быть произведен в любых необходимых количествах. К тому же не стоит бояться отторжения или несовместимости на генном уровне. Другой вопрос, что имплантаты того или иного рода могут выделять вредные для организма вещества и насколько хорошо они приживутся в тканях, вызывает много вопросов.

Биоматериал должен быть биосовместимым и может быть биодеградируемым.

Биосовместимым является материал, который обладает способностью вырабатывать соответствующий отклик хозяина при специфическом его использовании. Это определение сформулировано на совещании рабочей группы, прошедшем в Амстердаме (Williams, 1987). Авторы делают акцент на том, что биосовместимость - это не полное отсутствие токсичности или иных отрицательных свойств, а требование того, чтобы материал при имплантации вел себя адекватным образом, позволяющим выполнить поставленную задачу. В.И. Севастьянов (1999), анализируя имеющуюся информацию, выделяет следующие основные свойства биосовместимых материалов:

· Биоматериалы не должны вызывать местной воспалительной реакции;

· Биоматериалы не должны оказывать токсического и аллергического действия на организм;

· Биоматериалы не должны обладать канцерогенным действием;

· Биоматериалы не должны провоцировать развитие инфекции;

· Биоматериалы должны сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации.

Биосовместимые материалы и устройства действуют или функционируют гармонично и согласованно при нахождении в организме или контакте с биологическими жидкостями, не вызывая заболевания или болезненных реакций. Следует подчеркнуть, что никакой биоматериал, вероятно, за исключением того, который будет получен с помощью генной инженерии и клонирования, не может быть абсолютно биосовместимым.

Следовательно, реально существующая практика позволяет говорить лишь о существовании относительно биосовместимых и безопасных биоматериалов. Они могут находиться в организме в течение длительного периода времени, достаточного для выполнения своей функции, не вызывая в нем развития негативных реакций.

Процесс разложения нежизнеспособных материалов при контакте с живыми тканями, клетками и биологическими (телесными) жидкостями получил название биодеградация (БД). Механизм биодеградации может быть самый разнообразный - от коррозии металлов, фагоцитоза кальциофосфатов и коллагена, до Химического замещения кораллов на гидроксиапатит.

Биодеградируемые материалы и устройства могут частично или полностью растворяться, поглощаться макрофагами, включаться в метаболические и биохимические процессы и/или заменяться живой тканью.

Классификация биоматериалов, имплантируемых в костную ткань: биотолерантные, биоинертные и биоактивные.

Биотолерантные материалы включаются в кость через механизмы дистантного остеогенеза. При этом они отделяются от костной ткани прорастающим массивным фиброзным слоем. В качестве примера таких веществ могут быть метакрилаты или виталиум, ПМА, витамины (Osborn, Hewesely, 1980; Bruijn, 1993).

Биоинертные материалы практически не взаимодействуют с окружающими тканями, не вызывают образования выраженного фиброзного слоя и стимуляцию остеогенеза. При этом кость может формироваться в непосредственной близости от поверхности имплантата. Примером таких соединений может быть металлокерамика из оксида титана, ванадия, циркония и алюминия. Биоинертные материалы, как правило, имеют на своей поверхности защитный слой, который препятствует выходу из имплантата ионов и проникновению в него агрессивных молекул из окружающей биологической жидкости (Hench, Wilson, 1993; Nevelos, 2000; Murakami et al., 2000; Mu et al., 2000; Villermaux, 2000).

Под биоактивными материалами (БАМ) подразумевают биоматериалы, предназначенные для связывания их с биологическими системами с целью повышения эффективности лечения, образования или замещения любой ткани, органа при выполнения тех или иных функции организма (Williams et al., 1992). В настоящее время среди семейства БАМ выделяют 5 основных категорий:

1. Кальциофосфатная керамика.

2. Стекло и стеклокерамика.

3. Биоактивные полимеры.

4. Биоактивные гели.

5. Композиты.

В травматологии и ортопедии некоторые авторы выделяют еще одну группу, получившую название костеосвязывающие имплантаты (КСИ). Они могут рассматриваться как подгруппа биоактивных и биотолерантных материалов, обладающих способностью к установлению связи между биоматериалом и костным матриксом (Williams, 1992; Hench, Wilson, 1993). При этом костная ткань может проникать в имплантат механическим путем (механическое связывание), за счет, например, врастания в поры материала. Такой процесс наблюдается при использовании пористых материалов, в частности кораллов, металлов, полученных с помощью порошковой металлургии, кальциофосфатов, полимеров и др. Другой механизм лежит через образование химических связей между имплантатом и костью - химическое связывание, наблюдаемое, например, при использовании некоторых полимеров и биостекол. Третий путь взаимодействия имплантата и костной ткани реализуется за счет включения биоматериала в структуру костной ткани через механизмы биодеградации, ремоделирования и остеоинтеграции (биологическое связывание). С точки зрения биомеханики, наиболее прочную и функциональную связь дают только имплантаты третьего типа, к которым относятся кальциофосфатные (КФ) биоматериалы (Groot, 1981; LeGeros, 1991).

По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом (L.L.Hench Bioceramics. J.Am.Ceram.Soc., 1998, 81(7), p.1705-28):

1)токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте) - большинство металлов;

2)биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные) - керамика на основе Al2O3, ZrO2;

3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью) - композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция, керамика на основе фосфатов кальция, биостекла.



3. Особенности структуры костной ткани

Состав и строение естественной костной ткани - биологические аспекты. В состав костей входят как органические, так и неорганические вещества; количество первых тем больше, чем моложе организм; в связи с этим кости молодых животных отличаются гибкостью и мягкостью, а кости старых - твёрдостью и хрупкостью.

Минеральная составляющая кости - это кальций дефицитный, изоморфно-замещенный гидроксиапатит Са9(HPO4)(PO4)5(OH)2 с изоморфными замещениями c Na, Mg ® Ca; CO3 ® PO4, OH. Кристаллы гидроксиапатита присутствуют в кости в форме пластин с размерами 50Ч20Ч5 нм, ориентированных определенным образом по отношению к оси коллагеновых волокон. У взрослого человека количество минеральной части составляет около 60 - 70 % веса кости, а органическое вещество (главным образом коллаген) - 30 - 40 %. Выделяют до семи уровней организации костной ткани - кости, остеон, ламели, волокно, фибрилла, гидроксиапатит и коллаген, а также различные характеры укладки коллагеновых молекул. Органический костный матрикс и неорганическая составляющая образуют своеобразный композиционный материал.

В костях различают плотное и губчатое костное вещество. Первое отличается однородностью, твёрдостью и составляет наружный слой кости; оно особенно развито в средней части трубчатых костях и утончается к концам; в широких костях оно составляет 2 пластинки, разделённые слоем губчатого вещества; в коротких оно в виде тонкой плёнки одевает кость снаружи. Губчатое вещество состоит из пластинок, пересекающихся в различных направлениях, образуя систему полостей и отверстий, которые в середине длинных костей сливаются в большую полость.

Костная ткань состоит из взаимодействующих структур (рис. 1):

- клеток кости,

- межклеточного органического матрикса кости (органического скелета кости),

- основного минерализованного межклеточного вещества.

Рисунок 1. - Клетки костной ткани

Клетки занимают всего лишь 1-5% общего объёма костной ткани скелета взрослого человека. Различают четыре типа клеток костной ткани.

Остеобласты - ростковые клетки, выполняющие функцию создания кости. Они расположены в зонах костеобразования на внешних и внутренних поверхностях кости.

Остеокласты - клетки, выполняющие функцию рассасывания, разрушения кости. Совместная функция остеобластов и остеокластов лежит в основе непрерывного управляемого процесса разрушения и воссоздания кости. Этот процесс перестройки костной ткани лежит в основе адаптации организма к многообразным физическим нагрузкам за счет выбора наилучших сочетаний жесткости, упругости и эластичности костей и скелета.

Остеоциты - клетки, происходящие из остеобластов. Они полностью замурованы в межклеточном веществе и контактируют отростками друг с другом. Остеоциты обеспечивают метаболизм (белков, углеводов, жиров, воды, минеральных веществ) костной ткани. Недифференцированные мезенхимальные клетки кости (остеогенные клетки, контурные клетки). Они находятся главным образом на наружной поверхности кости (у надкостницы) и на поверхностях внутренних пространств кости. Из них образуются новые остеобласты и остеокласты.

Межклеточное вещество представлено органическим межклеточным матриксом, построенным из коллагеновых (оссеиновых) волокон (?90-95%) и основным минерализованным веществом (?5-10%).

Коллаген внеклеточного матрикса костной ткани отличается от коллагена других тканей большим содержанием специфических полиполипептидов. Коллагеновые волокна в основном расположены параллельно направлению уровня наиболее вероятных механических нагрузок на кость и обеспечивают упругость и эластичность кости.

Основное вещество состоит главным образом из экстрацеллюлярной жидкости, гликопротеидов и протеогликанов (хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота). Функция этих веществ пока не вполне ясна, но несомненно то, что они участвуют в управлении минерализацией основного вещества - перемещением минеральных компонентов кости.

Минеральные вещества, размещенные в составе основного вещества в органическом матриксе кости представлены кристаллами, построенными главным образом из кальция и фосфора. Отношение кальций/фосфор в норме составляет ?1,3-2,0. Кроме того, в кости обнаружены ионы магния, натрия, калия, сульфата, карбоната, гидроксильные и другие ионы, которые могут принимать участие в образовании кристаллов. Каждое коллагеновое волокно компактной кости построено из периодически повторяющихся сегментов. Длина сегмента волокна составляет ?64 нм (64*10-10 м). К каждому сегменту волокна примыкают кристаллы гидроксиапатита, плотно его опоясывая.

Помимо того, сегменты примыкающих коллагеновых волокон перекрывают друг друга. Соответственно, как кирпичи при кладке стены, перекрывают друг друга и кристаллы гидроксиапатита. Такое тесное прилегание коллагеновых волокон и кристаллов гидроксиапатита, а также их перекрытия, предотвращают «разрушение сдвига» кости при механических нагрузках. Коллагеновые волокна обеспечивают эластичность, упругость кости, ее сопротивление растяжению, в то время как кристаллы обеспечивают её прочность, жесткость, ее сопротивление сжатию. Минерализация кости связана с особенностями гликопротеидов костной ткани и с активностью остеобластов.



4. Биоматериалы, используемые в ортопедии

Высокие показатели реконструктивно-восстановительных операций на костной системе в немалой степени связаны с достижениями в материаловедении по сознанию новых имплантационных материалов. Биоматериалы - это вещества, натуральные или искусственные, находящиеся во временном или постоянном контакте с любыми тканями человеческого организма. К искусственным биоматериалам относятся:

· Металлы и их сплавы

· Деградируемые биополимеры

· Корундовая керамика

· Кальций-фосфатная керамика (КФК)

· Стеклокерамика

· Волокнистый углерод

· Искусственные сапфиры

· Композиты различного состава

4.1 Керамические биоматериалы в травматологии и ортопедии

Корундовая керамика

В результате экспериментов было доказано, что корундовая керамика соответствует основным требованиям, предъявляемым к биоматериалам, а именно - отсутствие токсичности и биологическая совместимость. Данный материал является биоинертным, то есть, способен в течении длительного времени сохранять постоянство своего состава и структуры благодаря отсутствию локального взаимодействия с тканями и системного влияния на организм, либо минимально выраженному химическому, электрохимическому и каталитическому проявлению на поверхности материала. 
На основании данных литературы и экспериментальных исследований, установлено, что специфика корундовой керамики связана с её свойствами, обусловленными химическим составом и структурой. Вокруг данного биоматериала не наблюдается некроза окружающих тканей. Для корундовой керамики характерна нерастворимость, способность переносить высокие механические нагрузки и биоинертность. Также, корундовая керамика обладает таким важным свойством, как остеотропизм (наличие прямого контакта с костной тканью без образования соединительнотканной прослойки). В случае применения корундовой керамики с шероховатой поверхностью или пористых образцов, появляется важное свойство - остеокондуктивность. Это означает - врастание кровеносных сосудов в поры керамического материала, что способствует образованию грубоволокнистой или пластинчатой костной ткани (в зависимости от диаметра пор). За счет образования костной ткани в порах корундовой керамики формируется прочное костно-керамическое соединение, что позволяет использовать данный вид керамики в участках скелета, подвергающимся постоянным нагрузкам.

Кальций-фосфатная керамика (КФК)

В последние годы интенсивно изучается и применяется биоактивная керамика на основе кальция и фосфора. Отличительной особенностью кальций-фосфатной керамики от корундовой является близость КФК по свойствам к природному гидроксилапатиту. Таким образом кальций-фосфатной керамике присущи следующие свойства:

· Биоактивность

· Биодеградируемость

· Изоморфность

Биоактивность КФК подразумевает высокое сходство по структуре с костной тканью. Способность имплантата к растворению и клеточно-опосредованной резорбции характеризует биодеградируемость материала. Под изоморфностью следует понимать способность кальций-фосфатной керамики заменять ионы Са ионами Mg, Na, Al, Ag а также гидроксильных групп на ионы F и Cl, что придает материалу новые качества и свойства.

Материалы, обладающие биоактивными свойствами, способны к кинетической модификации поверхности и участии в образовании поверхностного реактивного слоя и химической связью с костной тканью. Таким образом на поверхности кальций фосфатной керамики формируется связывающий слой из микрокристаллов гидроксилкарбонатапатита, структурно и химически идентичному минеральному компоненту кости.
Важными свойствами КФК является остеокондуктивность (способность костной ткани расти на поверхности имплантата) и остеоинтеграция (взаимодействие макромолекул кости и керамики).
В костном дефекте в послеоперационном периоде наблюдается снижение уровня pH, что также обеспечивает химическое растворение и уровень биодеградации имплантата. При проведении реконструктивно-восстановительных операций необходимо учитывать скорость биодеградации материала.

«Гибридные» биоматериалы

Данные материалы обладают выраженными остеоиндуктивными свойствами, обеспечивающими стимуляцию собственных репаративных возможностей организма пациента. Это достигается посредством насыщения керамик биостимуляторами, к которым относятся костные морфогенетические белки или факторы роста, а также, сочетание керамики с культивируемыми стромальными клетками, повышающими регенерацию костной ткани. Достоинством керамических материалов с мезенхимальными клетками является способность последних секретировать специфические факторы роста.

Из всего вышесказанного можно сделать следующий вывод: синтетические биоматериалы на основе керамик широко используют при проведении реконструктивно-восстановительных операций на костной ткани. К преимуществам данных материалов относятся:

· Высокая тропность к костной ткани

· Способность формировать плотное костно-керамическое соединение

В будущем планируется создание композитных материалов с управляемыми качествами, а введение в состав корундовой керамики и КФК медикаментозных препаратов расширяет возможности их использования в костной онкологии.

4.2 Кальций фосфатные костные цементы

Гидроксилапатит может быть синтезирован в водной среде из смеси различных фосфатов, таких, как: СаНРО4?2Н2О, Са4(РО4)2О, СаНРО4, Са8Н2 (РО4) 6?5Н2О, СаНРО4?Н2О, б-ТСР.

Такая процедура может приводить к формированию гидроксилапатита при 37 в течении нескольких минут. Кальций фосфатные костные цементы представляют собой смесь порошков различного состава: СаНРО4?2Н2О, Са4(РО4)2О, СаНРО4, Са8Н2(РО4)6?5Н2О, Са(Н2РО4)2?Н2О, ТСР и воды (или растворов Н3РО4, Na2HPO4). Эта смесь превращается в даже при 37 в ходе "схватывания" (затвердения) цемента, формируя пористую массу. Время "схватывания" может быть уменьшено до нескольких минут. Рассасывание цементной после контакта с кровью может быть предотвращено добавками альгината натрия. К достоинствам фосфатных цементов следует отнести их высокую биоактивность, биосовместимость. Главные же их недостаток - низкие прочностные характеристики. Цемент легко формуется, что, в отличие от использования гранул или блоков гидроксиапатита, создает дополнительные удобства а его использовании при заполнении костных дефектов. В случае улучшения их механических характеристик, фосфатные цементы могут заменить собой цементы на основе PMMA (полиметилметакрилат), которые используются для фиксации костей и имплантатов.

Фосфатные цементы могут использоваться для пломбировки зубных каналов, в системах переноса лекарственных средств. Кристаллы апатита, образующиеся со временем после твердения цементной смеси, имеют небольшие размеры (50 нм шириной и 1000 нм длиной). Малые размеры кристаллитов, их неупорядоченность, наличие пор - все это приводит к лучшей резорбции цементных материалов.



Заключение

Ученые продолжают трудиться над разработкой новых видов биоматериалов. Ширится также и спектр их применения. В будущем ученые надеются разработать такой биоматериал, который будет восстанавливать все ткани, которые утратили способность выполнять свои функции. При этом они полагаются на функцию самообновления нашего организма. Но каким бы головокружительным не был технологический прогресс, все-таки биоматериалы не в состоянии заменить или выполнять все функции заменяемого ими органа или ткани.

Размещено на Allbest.ru

...