Биоматериалы – металлы и неметаллы, сплавы

 

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національна металургійна академія України

 

 

 

 

 

 

 

 

(Модульна контрольна  робота №1)

РЕФЕРАТ

з дисципліни: «Новые материалы»

на тему : «Биоматериалы – металлы и неметаллы, сплавы»                                                                               

 

 

 

 

 

 

Виконав:

студент гр. МЕ-01-11                                                       В.В.Яременко

 

Перевірив (ла):                                                                 Н.Н.Федоркова

 

 

 

м.Дніпропетровськ

2015

Оглавление

1. Трансплантология. Краткий исторический очерк…………………..3
2. Заменители костной ткани…………………………………………….6

3. Биоинертная керамика………………………………………………...9

4. Стеклокерамические биоматериалы. ………………………………..11

5. Материалы на основе фосфатов кальция. …………………………..13

6. Цементы на основе фосфатов кальция……………………………….14

7. Создание зуба …………………………………………………………17

8. Искусственная кожа …………………………………………………..20

9. Тканевая инженерия тонкой кишки………………………………….23

10. Биоматериалы для хирургии - нити………………………………..29

11. Искусственные хрусталики глаза. Раздражители ………………..33

    Заключение……………………………………………………...34

   Список литературы……………………………………………..36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Трансплантология. Краткий исторический очерк

 

Трансплантационная хирургия в мире развивается настолько быстро, что число различных пересадок органов и тканей достигло 40 тысяч в год, и в ближайшие десятилетия будет составлять 50% всех операций.

В странах, которые у нас принято называть „развитыми“, на 1 млн. — 500 человек имеют возможность находиться на гемодиализе, т.е. лечить острую и хроническую почечную недостаточность с помощью аппарата "искусственная почка", 40 — получают донорскую почку, 12-ти пересаживаются другие жизненно важные органы. Во всех странах мира существует нехватка донорских органов. Камнем преткновения в таком случае становится беседа с живым здоровым человеком о заборе органов после смерти. Нет такой области в медицине, где настолько ярко были бы сфокусированы проблемы этического порядка, как в трансплантологии. Презумпция согласия состоит в том, что подразумевается прижизненное согласие большинства членов общества на забор органов после смерти, но в случае категорического неприятия человек имеет право написать письменный отказ. Презумпция несогласия — наоборот, прижизненное несогласие на забор органов. Презумпция согласия существует в Финляндии, Португалии, Австрии, Швеции, Испании, Италии, Греции, Бельгии, Франции. Презумпция несогласия — в США, Латинской Америке, Великобритании, Ирландии, Дании.

Первая экспериментальная пересадка органа была выполнена Э. Ульманом в Вене (Австрия). Ученый-хирург работал над изобретением сосудистого шва и в январе 1902 года представил на совет Королевского общества хирургов козу с пересаженной ей на шею почкой собаки. Операция прошла успешно, но через три недели произошло отторжение органа по неизвестным еще тогда причинам. А. Каррель в 1910-1912 годах в Нью-Йорке во время независимого научного исследования по применению сосудистых швов провел на животных серию блестящих операций по пересадке почек и доказал возможность сшивания сосудов и полного восстановления кровообращения в пришитом органе; он был удостоен Нобелевской премии. Техническая проблема пересадки почки была решена, однако наука была бессильна перед реакцией отторжения трансплантата. Неоднократно предпринимались попытки пересадки органов животных человеку, но все они заканчивались отторжением в течение недели. Отсутствие знаний иммунологии затормозило развитие трансплантологии на тридцать лет.

Первую успешную пересадку почки в клинических условиях от близнеца к его брату в 1954 году провел Д. Мюррей (США). Реципиент прожил после операции двадцать лет, сохраняя социальную активность. Было доказано, что приживаемость органа от однояйцевого близнеца очень высокая, но родственная пересадка не могла решить проблемы донорства, поэтому чрезвычайно важное значение имели фундаментальные исследования в области изучения иммунокомпетентных клеток. Иммуносупрессия (угнетение иммунитета с развитием инфекций) первоначально заключалась в облучении и применении больших доз 6- меркаптопурина и кортизона (противовоспалительных средств). В 1963 году на первом конгрессе трансплантологов был представлен азатиоприн, менее токсичный, чем 6- меркаптопурин. В последующие 10 лет больным назначали комбинацию азатиоприна с преднизолоном.

В 1972 году Ж. Ф. Боррель в Базеле (Швейцария) открыл селективный иммунодепрессант циклоспорин А, позволивший проводить эффективную и относительно безопасную профилактику отторжения трансплантатов.

Вторым по частоте пересаживания жизненно важным органом является печень. История трансплантации печени охватывает более 50 лет. Возникающая впоследствии атрофия пересаженной печени не позволяла широко внедрить операции. В начале 60-х годов стало известно, что причиной атрофии является отсутствие портального кровотока в донорском органе. Первая попытка клинической пересадки была предпринята 1 марта 1963 года группой американских хирургов во главе с Томасом Старлзом. Эта операция, так же как и серия последующих, была не слишком удачной. К концу 1967 года было проведено несколько десятков операций по пересадке печени, 14 из них — Томасом Старлзом, и ни один из реципиентов не прожил более 12 месяцев.

Однако с появлением новых протоколов иммунодепрессивной терапии, таких как азатиоприн плюс преднизолон плюс антитимоцитарный глобулин, были получены первые положительные результаты. На конгрессе американских хирургов в 1968 году были представлены трое детей с прижившейся функционирующей печенью. Томас Старлз, который по праву считается основоположником мировой трансплантологии, до 1980 года произвел 170 операций по пересадке печени. С начала восьмидесятых годов пересадка печени стала рутинной операцией при многих заболеваниях.

Удаление части печени для пересадки больным безопасно для донора. Американские ученые установили, что в течение двух недель после этой процедуры происходит регенерация и полное восстановление функции печени.

Проблема пересадки сердца как метода лечения больных с конечными стадиями сердечных заболеваний в мировой практике уже давно не нова. Эксперименты по ортотопической трансплантации сердца начались в середине 50-х годов. Потребовалось более 10 лет, чтобы разработать технологию аналогичной операции у людей. 3 декабря 1967 года в госпитале Грут Шут, Кейптаун, ЮАР, прошла первая в мире удачная операция по трансплантации сердца человека. Профессор медицины, кардиолог Кристиан Барнард провел пересадку сердца 55-летнему реципиенту от 25-летней женщины-донора. Иммунодепрессивную терапию проводили облучением грудной клетки дозой в 150 Рад, в комплексе с имураном (азатиотрином) и преднизолоном. Вследствие развития двусторонней застойной пневмонии на фоне иммунодепрессии, больной умер на 18 сутки, без признаков отторжения. Уже через 5 лет после операции Барнарда вероятность выживания больных с трансплантированным сердцем возросла на 50%. Люди могли рассчитывать минимум на пять дополнительных лет жизни. Это стало возможным благодаря непрерывному совершенствованию подбора пары донор-реципиент и методов иммунодепрессии.

Для мировой трансплантологии ближайшей перспективой развития пересадки органов является ксенотрансплантация и дальнейшая разработка искусственных органов. Это позволит решить острую проблему нехватки донорских органов и этическую проблему донорства.

 

2.Заменители костной ткани

 

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. Исследования, разработка и производство биокерамических материалов для восстановления утраченной костной ткани составляют существенный сегмент современного рынка наукоемких технологий. Можно дать следующую осторожную оценку параметров рынка биокерамики: емкость < 2,3 млрд долл., 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.

Кость имеет довольно сложное строение и разнообразный тканевый состав. Выдающиеся механические характеристики компактного вещества обеспечиваются особым пространственным расположением образующих его структурных компонентов - костных пластинок толщиной 3-10 мкм.

Три основные группы веществ составляют кость: коллаген (25 мас. % - органическая составляющая костной ткани, или костный матрикс), фосфаты кальция (65 мас. % - неорганическая составляющая) и вода (10 мас. %). Кроме указанных веществ в костной ткани присутствуют в малых количествах другие органические соединения (отличные от коллагена белки, полисахариды, липиды). Состав костной ткани представлен следующими ионами (см. таблицу 1):

 

Компонент	Костная ткань	Ткань зуба (дентин)
Са	34.8	35.1
Р в виде Р043+	15.2	16.9
Na	0.9	0.6
Mg	0.72	1.23
K	0.03	0.05
C в виде CO32-	7.4	5.6
F	0.03	0.06
Cl	0.13	0.01
Неорганическая составляющая	65	70
Органическая составляющая	25	20
Вода	10	10
Отношение Са/Р (мольное)	1.71	1.61

 

 

Коллаген придает тканям организма необходимую механическую прочность при деформациях типа растяжения и изгиба. Молекулы коллагена, состоящие из трех скрученных спирально полипептидных нитей, способны собираться в волокна диаметром 100-2000 нм. Прочность костной ткани на сжатие обусловлена минеральной составляющей - фосфатами кальция (преимущественно в форме гидроксиапатита Са10(Р04)б(0И)2(ГЛП)). Кристаллы гидроксиапатита присутствуют в кости в форме пластин с размерами 50х20х5 нм, ориентированных определенным образом по отношению к оси коллагеновых волокон. Выделяют до семи уровней организации (архитектуры) костной ткани (рис. 1).

 

 

Органический костный матрикс и неорганическая составляющая образуют своеобразный композиционный материал. Воспроизвести досконально морфологию костной ткани in vitro (и, следовательно, достичь такого же, как у кости, сочетания биологических и механических свойств) не представляется возможным в ближайшее время. Биоматериалы, претендующие на роль имплантатов, должны удовлетворять требованиям, диктуемым описанной выше структурой, составом и свойствами костной ткани:

1. химические свойства - отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями, отсутствие коррозии;
2. механические характеристики биокерамики должны быть близкими к костным (например, различие в упругости может привести к утрате имплантата вследствие резорбции находящегося с ним в контакте костного вещества);
3. биологические свойства - отсутствие реакций со стороны иммунной системы организма, срастание с костной тканью, стимулирование процесса образования костной ткани (остеосинтеза);
4. для быстрого прорастания костной ткани в имплантат необходимо наличие в последнем сквозных пор размером 100-150 мкм.

Используемые в настоящее время материалы можно разделить на три большие группы, применяя в качестве критерия отклик организма на введенный в него имплантат:

1. токсичные (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.Биоинертная керамика

 

Два свойства делают керамику привлекательной в качестве материала для изготовления имплантатов. Во-первых, ее исключительная химическая инертность, во-вторых, высокая прочность. Но возникают проблемы с тем, что кость не может врасти в имплантат, и место контакта заполняется волокнистой соединительной тканью, которая механически охватывает инородное тело. Ясно, что такой контакт не может быть прочным. Похвальные прочностныехарактеристики керамики оборачиваются ее повышенной жесткостью. Представим себе модель керамического имплантата в кости в виде двух состыкованных разнородных материалов: один из них -мягкий (кость), другой - жесткий (керамика). Если приложить к такой системе механическую нагрузку, то она распределится неравномерно: большую часть возьмет на себя жесткий керамический элемент. При отсутствии привычной нагрузки клетки костной ткани запускают процесс растворения кости, которая приводит к развитию остеопороза - болезни, заключающейся в уменьшении массы костей за счет развития их пористости. Остеопороз в сочетании с изначально непрочным контактом керамика-кость означает, что в приконтактной области кости вероятность перелома особенно велика. Из 100 тыс. операций по трансплантации костной ткани, проводимых ежегодно в Великобритании, 18% составляют повторные операции по замене имплантата, утраченного в силу описанных выше причин.