Что такое биоматериалы в технологии

Биоматериал в лаборатории

Содержание

Один из важнейших объектов изучения — это биологический материал. Многие лаборатории, особенно медицинского профиля, ориентированы на исследования различного рода биоматериалов, источником которых является как живой организм, так и объекты окружающей среды. Помимо получения точных результатов бактериологических, вирусологических и других исследований, чрезвычайно важно соблюдение правил безопасности для защиты медицинских работников. Сбор, транспортировка и хранение биоматериалов в лаборатории строго контролируются.

Разновидности биоматериалов

Источники и виды биоматериалов можно представить в следующем виде:

Правила сбора и доставки

Существуют требования, которые необходимы для:

Во время сбора и транспорта биоматериалов в лаборатории необходимо:

Во избежание неточностей и ложных результатов, забор биоматериала проводят:

Перед сбором должны учитываться все риски и польза для больного, а также необходимость получения биоматериала.

Используемые приспособления

Для сбора и доставки проб используются соответствующие для каждого вида материала среды, емкости, наборы инструментов и реактивов, которые разрешены в РФ. Это необходимо из-за того, что разные микроорганизмы сохраняют жизнеспособность при определенных условиях, особенно, анаэробы. Большинство микробов, толерантных к кислороду, могут хорошо храниться в биотканях. Например, фузобактерии чувствительны к кислороду, но, если материал высеять за 2 — 3 ч после забора, то способ транспортировки не важен.

Примеры посуды для забора и доставления в лаборатории в зависимости от типа биоматериала:

Правила хранения

После сбора пробы немедленно или в кратчайшее время отправляются в специализированные лаборатории. Хранить материал необходимо строго при установленных температурах, в основном, в холодильниках (от 2 — 8 °C). Помимо этого, некоторые биоматериалы хранятся в емкостях с определенными средами при комнатных температурах (от 18 до 20 С). Среды, содержащие активированный уголь, около 2—3 суток сохраняют некоторые микроорганизмы. Для анаэробов нужно создать анабиотическую атмосферу, чтобы снизить их метаболизм и рост, не допустив высыхания и скопления продуктов жизнедеятельности. При вирусологических исследованиях нужны термостаты (с температурой 35 — 37 °C).

Применение

Изучение разных материалов используются в терапевтических, противоэпидемических и научно-исследовательских целях:

Четкий надзор за соблюдением всех этапов работы с разными биоматериалами исследования позволяет получать точные и надежные результаты с соблюдением безопасных условий труда.

Источник

Биоматериал

Резюме

Определение

Понятие биоматериалов многозначно, есть разные определения. В области биологии и медицины часто принимается следующее определение:

« Любой материал, природный или нет, составляющий всю или часть живой структуры или биомедицинского устройства, который выполняет или заменяет естественную функцию. «

В 1987 году Уильямс определил биоматериал как:

«Нежизнеспособный материал, используемый в медицинском устройстве, предназначенный для взаимодействия с биологическими системами». «

Приложения

Биоматериалы имеют несколько медицинских или парамедицинских применений, в том числе:

Несмотря на успехи в исследованиях, часто возникают проблемы с биосовместимостью, которые необходимо решить, прежде чем эти продукты можно будет продавать и использовать в клинических условиях. Вот почему к биоматериалам часто предъявляются те же требования, что и к новым лекарственным препаратам. Все компании, работающие в этой области, также должны соблюдать требования по отслеживанию всей своей продукции. Если будет обнаружено неисправное оборудование, будут проверены и другие устройства в том же диапазоне.

Выбор материалов для биоматериалов

Металлы и металлические сплавы

Керамика

Полимеры

В биоматериалах используется много полимерных материалов. Два основных направления использования этих материалов касаются:

Существует несколько проблем, связанных с применением полимеров в биомедицинском секторе, и не только из-за совместимости с организмом:

Полимеры, по природе своей молекулярной конструкции на основе повторов, являются кандидатами для разработки сложных постоянных или временных протезов или для замены существующих в настоящее время материалов в природе.

Материалы натурального происхождения

Исследователи также используют материалы природного происхождения для изготовления биоматериалов. Среди всех этих материалов наиболее распространены:

Заключение

В настоящее время на территории Франции работают несколько лабораторий, среди которых можно выделить:

Источник

История создания и развития биоматериалов

Структура биологической костной ткани. Классификация имплантируемых веществ, испытания на биосовместимость. Свойства костных цементов на основе фосфатов кальция. Методы получения биокерамических материалов, определение их прочностных характеристик.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

им. А.А. Байкова РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

История создания и развития биоматериалов

Выполнил: Хайрутдинова Динара Рустамовна

и тугоплавких неметаллических материалов

д.ф.н., профессор Баксанский О.Е.

1.1 Этапы развития биоматериалов

1.2 Свойства биоматериалов

1.3 Биоматериалы для замещения костной ткани

1.3.1 Структура и свойства биологической костной ткани

1.3.2 Классификация имплантируемых веществ

1.3.3 Биокерамические материалы

1.3.3.1 Биокерамические материалы на основе фосфатов кальция

1.3.3.2 Костные цементы на основе фосфатов кальция

1.3.3.3 Материалы на основе сульфатов кальция

2. Методы получения и исследования материалов

2.1 Получение биокерамических материалов

2.2 Методы исследования образцов

2.2.1 Ретнгенофазовый анализ

2.2.2. Сканирующая электронная микроскопия

2.2.3. Определение прочностных характеристик

2.2.4 Испытания на биосовместимость

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. 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.

Для сокращения времени восстановления дееспособности человека после резекции костной ткани необходимы материалы с высокой скоростью биорезорбции, способствующие быстрой регенерации новой костной ткани. К таким материалам, можно отнести брушитовые и гипсовые костные цементы. Однако данные цементы имеют существенные недостатки. Брушитовые цементы имеют очень низкую прочность, а ДСК большую скорость биорезорбции, что ограничивает их применение, в частности, при заполнении крупных (критических) дефектов костной ткани.

Можно ожидать, что создание композиционных материалов на основе ДСК и ДКФД позволит получить цементные материалы с большей резорбируемостью. Так же ожидается, что новые материалы будут способствовать более быстрому восстановлению костной такни по сравнению с традиционными цементами. Кроме того, за счет введения второго компонента можно управлять кинетикой биорезорбции и механическими свойствами. Это является важным при выборе материала для восстановления участка костной ткани в зависимости от размера дефекта и возраста пациента.

Будут приведены оригинальные исследования по выявлению влияния условий старения в процессе синтеза, а так же их термического старения на процессы схватывания, твердения, микроструктуры и фазового состава биоцементов.

Будет исследовано влияние различных цементных жидкостей в зависимости от их состава, концентрации и др. на процессы схватывания, фазового состава и микроструктуры синтезируемых цементов.

Практическая значимость. Предлагается использовать в области регенеративной медицины в качестве биоматериалов для восстановления поврежденной костной ткани в результате костных заболеваний (онкологии, остеопорозе и др.) и травм.

1.1 Этапы становления биоматериалов

По мере развития технологий и науки, происходило развитие и биоматериалов, и способы их использования. Биоматериалами называют материалы, функционирующие в контакте и во взаимодействии с живыми тканями, органами и организмами.

Швы накладывали с помощью кусающихся муравьев.

Древние египтяне использовали для этих целей льняную ткань, в то время как европейцы предпочитали волокна из кишок животных. Примерно тогда же, в Южной Африке и Индии муравьёв использовали для лечения ран. Удерживая края раны вместе, они подносили к ним муравьев, клещи которых укусив и будут удерживать рану закрытой.

Рис. 1 Голубая перламутровая ракушка.

биокерамический костный кальций

В 1829 доктор Генри Леверт начал эксперименты, целью которых было выяснить, могут ли металлы быть использованы в медицинских имплантатах без вреда для здоровья. Согласно «Истории Хирургии в США» (The History of Surgery in the United States), в 21 эксперименте на собаках он протестировал различные металлические крепления, выяснив, что платиновые приживались лучше, чем серебряные, золотые или свинцовые. В течение нескольких последующих десятилетий, хирурги всё больше интересовались возможностью использования металлических винтов и пластинок для закрепления кости, вместо шин и корсетов(Рис. 2). Согласно данным медицинской технической компании Zimmer, в 1886 немецкий хирург Х.Хансманн стал первым врачом, которому это удалось.

Рис 2. Металлические винты и пластинки для закрепления кости.

Сейчас, благодаря теориям предыдущего поколения философов и врачей, у современных учёных есть довольно ясное представление о том, что принцип работы сердца напоминает насос. И за этим последовал шквал экспериментов.

В 1924 году, доктор наук Артур Цирольд Миннеапольский продолжил эксперименты Леверта над собаками и обнаружил, что железо и сталь слишком быстро ржавеют в теле; медь, алюминий и цинк вызывают обесцвечивание тканей; золото, серебро и алюминий также не годятся для использования. В 1926, эксперименты с особым видом нержавеющей стали, проба “18-8”, оказались многообещающими.

Открытие технологии её изготовления позволило начать использование металлов в теле регулярно и по разумной цене. 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.

В качестве корпуса оптической камеры Бранемарк решил использовать титан. Этот металл был обнаружен в 1791, но его чистая форма была получена более чем через 100 лет. Его коммерческое производство требовало развития новых методов механической обработки, чтобы достигнуть той структуры поверхности, которая воспринимается живыми тканями.

Титан обладает высокой стойкостью к химическому воздействию, и является более стойким к коррозии, чем безупречная нержавеющая сталь. Благодаря этим свойствам, чистый титан стал идеальным металлом для экспериментов Бранемарка.

Кроме того, этот металл был рекомендован хирургом-ортопедом Хансом Эмневсом из Лунда, который исследовал различные металлы, используемые в качестве бедренных протезов. Бранемарк получил образец металла, изготовленного Avesta Jernverk, и начал использовать чистый титан для изготовления камер.

Титановые имплантаты широко применяются и сегодня, спустя 50 лет. 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 стимулирует рост костной ткани (Рис 3).

Рис. 3 Протезы из титановых сплавов.

В годы после окончания Второй Мировой Войны, ассортимент биоматериалов и количество способов их применения необыкновенно возросло. Эта заслуга приписывается двум факторам. Во-первых, большинству военных хирургов были даны неограниченные полномочия на использование новых материалов для спасения жизни пациентов, и многие проявили большую креативность. Во-вторых, пластик стал широко доступным.

Когда война закончилась, врачи заметили несколько очевидных причин для продолжения его использования. Ему гораздо легче придать нужную форму, чем металлу. Он лёгок и обладает очень низкой реакционной способностью.

До 1960-х годов контактные линзы изготавливали только из органического стекла (PMMA). Жесткие PMMA линзы были некомфортны при ношении, вызывали ощущение инородного тела в глазу и не пропускали к роговице глаза необходимый для ее нормального функционирования кислород.

По окончанию второй мировой войны осталось много материала для изготовления парашютов. Хирург Артур Вурхиз стал инициатором их использования для создания первых искусственных сосудов (Рис. 4).

Рис.4 Сосудистая система человека.

Согласно «Науке о Биоматериалах», первая попытка в области протезирования тазобедренных суставов в состоялась в 1891 и была неудачной, а впоследствии, с 1920-х по 1950-е подобные эксперименты и вовсе не проводились (Рис.5).

Хирургу Джону Чарнли, работавшему в бывшем туберкулёзном санатории в Англии, удалось усовершенствовать не только материалы, но и саму процедуру в 1961. В то время, как его современники пытались уменьшить трение в суставе с помощью жидкости, Чарнли решил использовать вместе этого скользкие твёрдые материалы.

Рис. 5 Тазобедренный протез.

В 1957 доктор Виллем Йохан Колфф (до этого он сконструировал первую модель искусственных почек из банок от апельсинового сока и пакетиков из-под сосисок) вживил в собаку искусственное сердце. После операции она прожила всего лишь 90 минут.

Двенадцать лет спустя, хирурги Доминго Лиотта и Дентон Кули использовали искусственное сердце для поддержания жизни человека на время, пока не найдётся донор (Рис.6).

Рис. 6 Искуственное сердце.

Рис.7 Получение овечки Долли.

Количество исследований в области выращивания различных тканей стремительно растёт.

Хирурги в Университете Дьюка успешно имплантировали пациенту созданный биоинженерами кровяной сосуд. А в Австрийской Академии Наук команда учёных сумела вырастить в лаборатории миниатюрный мозг. За 20-30 дней развития в нём сформировались чёткие регионы, в том числе, и кора больших полушарий.

1.2 Свойства биоматериалов

По своим свойствам биоматериалы должны обладать совместимостью с тканями организма и не причинять им вред. Наш организм наделен особым механизмом самозащиты: посторонние предметы или живые тела, попавшие в тело, воспринимаются как угроза, и организм сразу старается нейтрализовать их или избавиться от них с разными способами.

Иными словами, биосовместимость предполагает беспрепятственную работу биоматериала. Если в тело помещается биоматериал, со временем может возникнуть множество разных реакций: взаимодействие биоматериала и белков в тканях, реакция иммунной системы, рост числа лейкоцитов, склеивание друг с другом кровяных пластинок и возникновение опухоли. Такие реакции серьезно влияют на работу биоматериалов в теле человека.

Высокая степень устойчивости к коррозии является одним из требований к биоматериалу: отсутствие коррозии означает отсутствие нежелательных химических реакций материала с тканями и межтканевыми жидкостями.

В результате этих реакций он делится на оксиды, гидроксиды и другие химические соединения. Тканевая жидкость в теле человека с содержащимися в ней водой, растворенным кислородом, белками и многими ионами являет собой благоприятную среду для коррозии. Поэтому коррозионная стойкость биоматериала очень важна.

В наши дни особенно популярно использование биоматериалов, замещающих костную ткань. Эту область современного материаловедения именуют биокерамикой, она охватывает материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочные материалы в стоматологии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, медико-косметические средства.

1.3 Биоматериалы для замещения костной ткани

1.3.1 Структура и свойства биологической костной ткани

Знание физических, химических, и механических свойств твёрдых тканей весьма важно, так как определяет необходимые количественные параметры для изготовления имплантатов искусственной кости. Биологические твёрдые ткани (кость и зубы) являются керамико-органическими композитами со сложной микроструктурой.

Структура кости. Кость, как ткань, имеет многоуровневую композиционную структуру (Рис. 8). Главными составляющими кости являются коллаген (

20 масс. %), фосфат кальция (

Рис. 8 Строение трубчатой кости.

Кроме этого имеются и другие органические составляющие: протеины, полисахариды, а также в малых количествах липиды. Коллаген, который может рассматриваться как матрица, существует в виде микроволокон.

Отдельные коллагеновые волокна трудно наблюдать из-за их сетеподобного расположения. Диаметр коллагенового микроволокна изменяется от 100 до 2000 нм.

Разрушение кости происходит при деформациях свыше 3 %. Жёсткость кости, увеличивается с увеличением содержания минеральной составляющей. Повышенная прочность и трещиностойкость кости объясняется, главным образом, её иерархической структурой, которая останавливает трещины уже после небольшого их продвижения. Главными механизмами упрочнения, по всей видимости, являются отклонение трещины границами раздела, и вытягивание волокон.

Механические свойства плотной кости человека приведены в табл. 1. В случае губчатой кости, модуль Юнга (измеренный при сжатии) и прочность при сжатии находятся в диапазонах 1-2 ГПа и 1-100 МПа, соответственно. С увеличивающейся плотностью кости, и модуль Юнга и прочность при сжатии значительно увеличиваются. Механические свойства кости в значительной степени зависят от влажности, направления приложения нагрузки, и вида кости. С увеличивающимся уровнем минерализации кости прочность увеличивается. Кроме того, прочность и другие механические свойства кости зависят от ориентации коллагенового волокна, плотности кости, пористости, молекулярной структуры и расположения составляющих её кристаллов апатита в пределах коллагеновой матрицы. Прочность кости значительно уменьшается с возрастом.

Механические свойства плотной человеческой кости.

Направление испытаний относительно оси кости

Прочность при растяжении, МПа

Прочность при сжатии, МПа

Прочность при изгибе, МПа

Прочность при сдвиге, МПа

Работа образования трещины, Дж/м 2

6000 (низкая скорость деформации)

98 (высокая скорость деформации)

Трещиностойкость, МПаМм 1/2

Химический состав неорганической фазы костных тканей. Очень важным моментом для синтеза биоматериалов на основе ГА является химический состав минеральных элементов твердых тканей (кости или зуба).

Применение в соответствующих количествах этих элементов будет хорошо восприниматься в составе имплантата окружающими тканями.

Сравнение состава и физических свойств неорганической фазы эмали, дентина и кости у взрослого человека.

Карбонат, как СО₃ 2- с

Всего неорганики (минералов)

b Образец в виде золы.

с Образец не сжигался.

1.3.2 Классификация имплантируемых веществ

Имплантируемые вещества могут иметь органическое или неорганическое происхождение.

К имплантируемым веществам неорганического происхождения относятся различные виды биокерамики, композитные материалы по типу биополимер/фосфат кальция, костные цементы на основе кальцийфосфатов.

По мнению L.L. Hench, имплантаты должны обладать следующими свойствами:

1. Химические свойства:

· отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями;

· отсутствие коррозии и нежелательного снижения биодеструкции;

· соответствие костной ткани по минеральному составу;

· химические свойства материала, его архитектоника и топография

поверхности в перспективе не должны исключать возможности его

использования в качестве депо (контейнера) для лекарственных

препаратов с контролируемой кинетикой их выхода в зону интереса.

2. Механические свойства:

· устойчивость к образованию трещин,

· сопротивление замедленному разрушению (усталости),

3. Биологические свойства:

· достаточные матриксные свойства для остеокластов, о

· существляющих резорбцию, и остеобластов, формирующих внеклеточный матрикс, обеспечивая жизнедеятельность и пролиферацию клеток и неоваскуляризацию

· кинетика биодеградации (растворения), совместимая с кинетикой образования костной ткани de novo;

По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом:

1.3.3.1 Биокерамические материалы на основе фосфатов кальция

В качестве альтернативы ауто и аллотранспантатам для замещения дефектов костной ткани в настоящее время широко применяется биокерамика.

Биокерамикой называют биоматериалы, имеющие керамическую природу и отвечающие всем требованиям к современным имплантатам.

Первая попытка использовать биокерамику из ортофосфатов кальция (это был тетракальцийфосфат) в качестве материала для лечения искусственно созданных дефектов костей у кроликов была предпринята в 1920 г. Научное обоснование применения современной керамики было дано в 50-е годы прошлого столетия и заключалось в том, что некоторые виды керамики могут обладать способностью остоеоинтеграции с подлежащей костью во время функциональной нагрузки.

Дополнительный интерес вызывала возможность использования керамических материалов для изготовления имплантатов в качестве протеза кости, причем пористые керамические материалы обладали определенными преимуществами перед другими материалами.

Изначально было признано, что биокерамика может быть изготовлена в

широком диапазоне композитных субстанций и форм, и в зависимости от необходимости может использоваться как биотолерантный, биоактивный или биодеградирующий материал. На сегодняшний день эта концепция реализована на практике, благодаря чему из биокерамики изготавливают материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, материалы для замещения костных дефектов, пматериалы в стоматологии, которые нашли широкое применение в клинической практике. Биокерамика может содержать в себе такие вещества как фосфат или сульфат кальция, углерод, кремний и другие вещества.

Современная биокерамика включает в себя вещества естественного

происхождения, преимущественно в композитном составе, которые могут использоваться как наполнители, средства депонирования лекарственных препаратов, дополнения к костным трансплантатам, а так же остеозамещающие материалы, обеспечивающие управляемое воздействие на репаративный остеогенез.

Биокерамические материалы можно разделить по типу биохимического взаимодействия с организмом.

границе с живыми тканями типа гидроксиапатита.

Биоинертная биокерамика заняла свою нишу в эндопротезировании.

Материалы в этой области должны обладать определенными химическими свойствами (отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями, отсутствие коррозии) и механическими характеристиками.

Биоинертные керамические материалы, такие как Al₂O₃ и ZrO₂, являются наиболее распространенными материалами для изготовленият эндопротезов крупных суставов, фиксация которых в кости осуществляется путёмцементирования или впрессовывания (механическая фиксация). Такие имплантаты могут иметь поры с диаметром более 100 мкм, может происходить врастание кости, что обеспечиваете её крепление к материалу (биологическая фиксация).

Однако идеальные в теории, эти устройства оказались малоустойчивы к переломам на фоне изменяющихся нагрузок. Производители отказались от изготовления полностью керамических имплантатов.

Большинство биокерамических материалов для производства эндопротезов имеют модуль упругости больше, чем у натуральной кости. К ним относят оксид алюминия и оксид циркония.

Высокую твердость и износостойкость демонстрируют оксид алюминия и оксид циркония, при этом обладая относительно низкой плотностью по сравнению с металлами. Эти материалы так же химически и биохимически инертны. По цвету биокерамические материалы близки к кости, за исключением материалов на основе углерода и композитных субстанций, содержащих оксид хрома.

Новым направлением в производстве биокерамики для эндопротезирования в настоящее время является использование так называемого укрепленного цирконием алюминия.

Комбинация этих двух материалов обеспечивает достижение высокой прочности двуокиси циркония и теромостабильности двуокиси алюминия, за счет чего удалось увеличить твердость и прочность на разрыв. Таким образом, современная керамика в эндопротезировании представляет собой композитный материал, содержащий примеси других оксидов, главным образом оксида циркония, что позволяет еще более улучшить прочностные и трибологические свойства материала.

Однако исследования по использованию имплантатов из керамики позволили сделать вывод об их излишней твердости, отсутствии обратной деформации, низкой механической прочности, склонности к образованию трещин, что может приводить к резорбции подлежащей костной ткани.

При использовании биоинертной керамики вкачестве заместителя костной ткани стабилизирующий эффект сохраняется в течение 3-4 месяцев, в дальнейшем из-за резорбции костной ткани может сформироваться неоартроз. Если площадь имплантата составляет более 25% от общей площади окружающей его костной ткани, то в ней развиваются дистрофические и деструктивные процессы, приводящие к образованию костных полостей.

Биоинертные керамические имплантаты не могут быть сформированы во время операции, то есть они могут быть разработаны в различных формах в ограниченном объеме. Данные обстоятельства не позволяют использовать биоинертные керамические материалы повсеместно при замещении дефектов костной ткани. Тем не менее, подобные материалы, по-видимому, не имеют пока альтернативы в качестве материала для производства компонентов эндопротезов крупных суставов.

В настоящее время существенная часть исследований посвящена оптимизации использования биоинертной и биологически активной керамики для замещения дефектов или в качестве опорных блоков при различной костной патологии. Несомненно, большой интерес вызывает возможность остеоинтеграции биокерамических материалов в макроструктурированную или пористую поверхность за счет врастания кости.

Такие изделия хорошо известны, хорошо изучены их остеокондуктивные свойства, однако их прочностные свойства в условиях разнонаправленной динамической нагрузки вызывают сомнения. Тем не менее, биологически активная биокерамика заняла свою нишу в качестве заместительного материала при пластике костных дефектов в виде монолитных блоков, а так же в виде гранулированной массы или смеси с костными трансплантатами.

Важнейшим свойством биокерамики является частичный остеоиндуктивный эффект, который реализуется за счёт способности адсорбировать морфогенетический белок кости. При этом наблюдается отложение остеоида вокруг биокерамических гранул на первом этапе остеорегенерации.

Скорость образования остеоида прямо пропорциональна скорости резорбции биокерамики. Для придания заданных терапевтических свойств, например, депонирования лекарственных препаратов, наиболее часто используется биокерамика на основе сульфатов и фосфатов кальция, реже используется алюминат кальция.

Биоактивные керамические материалы различаются по скорости резорбции и последующему ремоделированию. К настоящему времени установлено, что увеличение удельной поверхности и пористости биокерамики положительно влияет на кинетику образования кости и, следовательно, улучшает биоактивность материала, позволяющий создавать прочный непосредственный контакт с живой костью.

Для понимания взаимосвязи между структурой и биоактивностью, а также с целью конструирования более качественных имплантатов очень важным является точный контроль общей пористости, размера пор, а также внутреннего пористого строения биокерамики.

Некоторые формы биокерамики, такие как костные цементы, обладают опорной функцией, однако прочностные показатели не позволяют их использовать в качестве фиксации компонентов эндопротезов. Во всем мире проводится множество исследований, направленных на изучение возможности придания биокерамическим материалам остеоиндуктивных свойств.

Наиболее часто в этом направлении изучаются материалы на основе сульфата кальция, трикальцийфосфата кальция и гидроксиапатита. С этими материалами составляют композиты посредством добавления аутокости, коллагена или костного морфологического белка (BMP).

Биологически активные кальцийфосфатные материалы (КФМ) на основегидроксиапатита (ГАП) и трикальцийфосфата (ТКФ) являются структурными аналогами минерального компонента костного вещества в силу сходства их химического состава с составом костной ткани. Эти материалы разрабатывались для того, чтобы уменьшить потребность в аутотрансплантатах или в последующем даже заменить их. Основные виды фосфатов кальция приведены в таблице 3.

Основные виды фосфатов кальция.

Отделенные чертой в нижней части таблицы фосфаты кальция не существуют в водных растворах. Вместе с тем, чистые ГАП и ТКФ не имеют выраженных остеоиндуктивных свойств, низкая рентгеноконтрастность материалов не позволяет проследить процесс их перестройки. Установлено, что кристаллы синтетического ГАП и ТКФ в иологической системе поддаются влиянию метаболизма клеток организма и распадаются на ионы кальция и фосфора, которые в дальнейшем входят в структуру регенерирующей костной ткани.

Гидроксиапатит (ГАП) (Рис. 9) часто используется материалом в изготовлении биокомпозитных материалов для костной пластики в силу своей высокой биосовместимости.

Однако, к сожалению, не удается получить керамику с необходимой прочностью на основе чистого ГАП, что существенно ограничивает область ее применения. Керамика на основе ГАП характеризуется довольно низкой стойкостью к распространению трещин и большим разбросом экспериментальных значений прочности от образца к образцу. Низкая растворимость синтетического ГАП оборачивается его невысокой биоактивностью: костные клетки медленно “переваривают” предложенный им источник кальция и фосфора; как следствие кость медленно врастает в керамический имплантат. По этой причине ведется интенсивный поиск новых композиционных материалов с улучшенными механическими характеристиками.

Рис. 9 Координационное окружение ионов кальция в структуре гидроксиапатита.

Для повышения биоактивности ГАП разбавляют более растворимыми фосфатами кальция, например трехзамещенным ортофосфатом, или же изготавливают пористую ГАП-керамику. Пористая поверхность биокерамики обеспечивает большую поверхность соприкосновения между биоматериалом и растущей костью, что приводит к образованию большего количества химических связей. Установлено, что пористый ГАП может заселяться костной тканью. Поэтому биокерамику стараются делать макропористой (размер пор более 100 мкм) путем добавления порообразователей, являющихся либо летучими, либо легко растворимыми соединениями (например, нафталин, сахароза, NaHCO₃, NaCl, желатин, микрошарики из полиметилметакрилата). Поскольку увеличение размера макропор биокерамики (были исследованы образцы с порами 150, 260, 510 и 1220 мкм) не привело к улучшению приживаемости имплантатов, нет особой необходимости производить биокерамику с очень большими порами.

Кроме макропор, в любой керамике имеются и микропоры (размер пор менее 10 мкм), которые образуются при спекании порошков. Костная ткань прорастает в поры имплантата, однако наличие крупных пор заметно ухудшает его прочность.

Прежде всего, эти свойства зависят от структуры фосфата кальция, которая в оптимальном виде должна сочетать себе пористость на макро- и микроуровнях, в результате такого строения пористой системы обеспечивается образование лакун с остеоцитами без признаков патологической кальцификации. При анализе формирования прямых связей костной ткани, окружающей гидроксиапатитовый блок, было установлено проявление активности остеобластов вне реципиентного ложа, приводящей к образованию частично минерализованной остеоидной ткани. Благодаря этому в последнее время в эндопротезировании стали применять имплантаты с ГАП- покрытием, способными индуцировать остеогенез в зонах отсутствия контакта с эндоостом бедренной кости.

После перемешивания в виде порошка кальцийфосфатные материалы могут быть применены непосредственно в виде пасты, которая затем помещается непосредственно в дефект костной ткани. В поисках биодрезорбируемых материалов кальцийфосфатные материалы занимают одно из лидирующих мест и становятся все более популярными. В дополнение к биорезорбируемым свойствам этих материалов посредством остеокластической резорбции, а так же высокой биосовместимости, кальцийфосфатные материалы более специфичны для кости, составляя, таким образом, альтернативу керамическим имплантатам, используемых до настоящего времени.

При проведении реконструктивных операций важно учитывать скорость биодеградации материала имплантата. Очень быстрая резорбция может опередить процессы остеогенеза. В таком случае в области имплантата наблюдаются обширные участки фиброзной ткани. Керамика на основе ГАП подвергается биорезорбции медленнее, чем ТКФ. Существуют комбинированные биорезорбируемые материалы, в состав которых входит ГАП и ТКФ. Преимуществом данного вида материала является совмещение твёрдости ГАП и возможности формирования депо кальция (за счёт биодеградации ТКФ).

Благодаря изменению соотношения ТКФ и ГАП в материале можно регулировать скорость биорезорбции имплантационного материала. Важной особенностью кальцийфосфатных материалов является возможность использования их в виде гранул. Это позволяет увеличить площадь поверхности материала, давая возможность использовать их в качестве депо лекарственных средств, что, в свою очередь, вызывает больший интерес к данному виду остеозамещающих материалов. В зарубежной литературе опубликовано мало данных о использовании КФМ в виде гранул для замещения обширных дефектов, и еще меньше данных о использовании таких материалов для замещения костного дефекта с асептически склерозированной стенкой. В естественных условиях скорость резорбции пористых гранул может быть гораздо больше, чем в плотных или призматических блоках, изготовленных из того же материала.

Таким образом, некоторые экспериментальные и клинические исследования показали, что кальцийфосфатные костнопластические материалы в виде гранул для замещения сложных по форме костных дефектов более предпочтительны.

Одним из перспективных направлений является создание композитных материалов на основе бифазной керамики с использованием разных связующих компонентов, таких как белки коллагена с многоуровневой структурной организацией компонентов, биологически активных веществ, стволовых клеток. Исследования показали, что использование таких многокомпонентных имплантатов позволяет приблизиться к структуре и свойствам тех или иных видов костной ткани.

В одном из исследований по изучению репаративных свойств кальцийфосфатных материалов, обогащенных низкомолекулярными неколлагеновыми белками, был проведен сравнительный анализ морфологической картины и элементного состава новообразованной костной ткани, формирующейся в искусственно созданных дефектах в проксимальных эпифизах большеберцовой кости кроликов. Дефекты костной ткани заполняли кальцийфосфатным соединением, содержащим низкомолекулярные неколлогеновые костные белки, имеющие различное сродство к ионообменникам.

Установлено, что формирование регенерата в дефекте происходило отпериферии к центру, а его элементный состав зависел от степени зрелости новообразованной костной ткани. Применение имплантационного материала, содержащего неколлагеновые костные белки, имеющие различное сродство к ионообменникам, показало отсутствие существенных изменений в содержании анализируемых элементов в костной ткани, окружающий дефект. Однако на начальных сроках эксперимента биорезорбция кальцийфосфатных материалов, содержащих низкомолекулярные неколлогеновые костные белки, имеющие сродство к катионообменникам, с последующим замещением дефекта костной ткани происходило быстрее по сравнению с группой, в которой костнопластический материал не имел сродство к ионообменникам.

Таким образом, на основе результатов экспериментальных и клинических исследований можно сделать вывод, что остеотропные материалы на основе ГАП и ТКФ по многим характеристикам превалируют над свойствами алло и ксеноматериалов, что позволяет достичь позитивных результатов при остеопластике костных дефектов. Вместе с тем, ГАП и ТКФ не полностью отвечают требованиям клиницистов из-за отсутствия выраженных остеоиндуктивных свойств, а низкая рентгеноконтрастность материала не позволяет чётко проследить процесс его ремоделирования. Для направленной регенерации костной ткани необходимо создать исходные условия для упорядоченной пролиферации остеогенных клеток и капилляров в заданном пространстве.

Обязательными условиями при этом является присутствие биологически активных веществ, которые обеспечивали бы остеоиндукцию остеопластического материала для образования матрицы, на которой будет формироваться костная ткань. Кальцийфосфатные материалы имеют хорошие биосовместимые свойства по тестам проверки биоматериалов на токсичность, гиперчувствительность и канцерогенность. В значительной степени это обусловлено тем, что элементный состав КФМ является естественным для организма. Совокупность свойств делает КФМ перспективным классом материалов для использования в травматологии и ортопедии, а также реконструктивной хирургии.

1.3.3.2 Костные цементы на основе фосфатов кальция

В дальнейшем были разработаны инъекционные брушитовые цементы. КФЦ, нашли широкое применение в костно-пластической хирургии и имплантологии, травматологии и в других областях медицины.

Разработаны цементы, способные замещать сложные по форме дефекты в нейрохирургии. Такие материалы разработаны специально для краниопластики и вертебропластики. Костные цементы на основе фосфатов кальция активно используются хирургами в травматологии при лечении переломов различных локализаций в комбинации с остеосинтезом. Несомненным преимуществом КФЦ является способность переноса лекарственных веществ. Данное направление пользуется все большей популярностью.

КФЦ обладают следующими преимуществами перед керамическимиматериалами:

· текучесть способствует введению цемента при помощи малоинвазивных хирургических техник, менее агрессивных, чем традиционные оперативные методы;

· поскольку реакция затвердевания, которая протекает в естественныхусловиях, представляет собой растворение и выделение вещества в виде твердого осадка, в большинстве случаев продуктом реакции является ГАП с высокой микропористостью и по структуре сходный с природными апатитами, благодаря чему КФЦ обладают большей реакционной способностью, чем кальцийфосфатная биокерамика;

Однако наряду с преимуществами, КФЦ имеют ряд недостатков, к которым можно отнести слабую механическую прочность, особенно у брушитовых цементов; обязательное давление при перемешивании, что, в свою очередь, вносит ряд ограничений по применению данных цементов. Несмотря на это, данный вид биорезорбируемых материалов представляет, несомненно, большой интерес исследователей.

1.3.3.3 Материалы на основе сульфата кальция

Источник