Биоматериалы – металлы и неметаллы, сплавы

Следует отметить еще один недостаток, присущий керамическим материалам. Речь идет об их повышенной хрупкости, то есть неспособности выдерживать заметные деформации без разрушения. Нагрузка, приложенная к хрупкой керамике, приводит к очень быстрому - катастрофическому, росту микротрещин, имеющихся практически в любом материале, и как следствие - к разрушению. Это явление особенно заметно при динамической нагрузке: ударах, толчках и т.д. Таким образом, не только зона контакта керамика кость, но и сам керамический имплантат при определенных условиях может являться областью вероятного перелома.

Несмотря на перечисленные недостатки, существуют области травматологии и ортопедии, где керамическим имплантатам нет альтернативы. В первую очередь это относится к протезированию тазобедренного сустава. Наиболее широко используют здесь керамику из оксида алюминия (А12О3) с добавкой очень малых количеств MgO (менее 0,5%) с целью получения мелкозернистого поликристаллического материала. Низкой трещиностойкости, присущей керамике на основе Al2O3, лишен керамический материал, изготовленный из оксида циркония (ZrO2) с добавками оксидов магния или иттрия. За свои великолепные механические характеристики подобный материал получил название “керамической стали”.

 

4.Стеклокерамические биоматериалы

 

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. 2) 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.

Рис. 2. “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.

 

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 - 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.

 

5.Материалы на основе фосфатов кальция

 

При температуре человеческого тела в контакте с водной средой устойчивы только четыре индивидуальных фосфата кальция. Водная среда при 370С и pH > 5 разлагает фосфаты кальция с образованием гидроксиапатита - наиболее устойчивого фосфата кальция в условиях организма. В присутствии паров воды ГЛП устойчив к нагреванию вплоть до температуры 13600С! Следует отметить, что плазма крови (равно как и другие межтканевые жидкости) пересыщена относительно ГАП. Это означает, что из межтканевых жидкостей могут самопроизвольно выпадать кристаллы ГАП, и если этого не происходит, то лишь благодаря сложным биохимическим процессам локального связывания и высвобождения ионов кальция и фосфат-ионов с участием биополимеров и ферментов. При нарушениях нормального обмена веществ в организме происходит кристаллизация ГАП в любых (необязательно костных) тканях - процесс патологической кальцификации тканей. Это явление сопровождает образование фосфатных камней, обызвествление сосудов, рост атеросклеротических бляшек. В действительности ГАП является соединением переменного состава, и его формула может быть представлена как Ca10-x(HP04)x(P04)6-x(0H)2-x, где 0<х<1 (то есть отношение Са/Р может меняться от 1,5 при х = 1 до 1,67 при х = 0). В кристаллической структуре апатита возможна частичная замена (замещение) катионов кальция на другие ионы, например на Sr2+, Ba2+, Be2+, Pb2+. Фосфат-ионы могут быть замещены на Si044 - или C032 - а вместо ОН-групп - Cl-, Br- , F-. Значительное количество фтора входит в состав ГАП, содержащегося в зубах. Характерной чертой ГАП, составляющего костные ткани организма, является присутствие в его структуре. Карбонат-ион является одним из основных источников деформации решетки апатита, создающей локальные механические напряжения и дефекты в кристаллах ГАП, и определяющей биологическую активность костного апатита, часто называемого в этой связи карбонат-апатитом. С определенной долей условности формулу минерального компонента костных тканей можно записать в виде Ca9(C0з)x(HP04)y(P04)5(0H)(где x+y= 1; интересно, что с возрастом содержание карбонат-иона в костном ГАП возрастает и наряду с другими причинами вызывает понижение механической прочности костей у пожилых людей). Как следствие весьма желательно, чтобы синтетический ГАП, выдвигаемый на роль заменителя биоапатита, был бы похожим на своего природного “собрата”: состоял из пластинчатых кристаллов малого размера (50 нм) и имел в своем составе карбонат-ион.

 

6.Цементы на основе фосфатов кальция

 

Разработка цементов на основе фосфатов кальция - перспективная область материаловедения, привлекающая повышенное внимание исследователей.

Цементная масса получается при перемешивании порошков фосфатов кальция и водных растворов. При этом происходит частичное растворение фосфатов кальция и образование наименее растворимого продукта.

К настоящему времени предложено множество композиций, основанных на смесях различных фосфатов кальция: СаНРО42Н2О, Са4(РО4)2О, СаНРО4, Са8Н2(РО4)65Н2О,

Са(Н2РО4)2Н2О, а, P-Ca3(PO4)2, аморфный фосфат кальция (АФК), см. таблицу 2. Несмотря на большое число всевозможных исходных составов, в системе возможно образование только двух конечных продуктов - ГАП и СаНРО42Н2О (ДКФД).

Таблица.2 Основные кальций фосфатные цементы, представленные на рынке биоматериалов.

Название цемента	Фирма-производитель	Состав	Конечный продукт
а-BSM Norian SRC Fracture Grout Bonesource Cementec Mimix Biocement D Biopex chronOS Inject	ETEX Norian (Synthes-Stratec) Norian Leibinger Teknimed Lorenz Surgical Merck Gmbh Mitsubishi Materials Mathys Medical	АФК, ДКФД а-ТКФ, СаСО3, МКФМ ТетКФ, СаСО3, Н3РО4 ТетКФ, ДКФ а-ТКФ, ТетКФ, Са(ОН)2, Н3РО4 а-ТКФ, ТетКФ, лимонная к-та а-ТКФ, ДКФ, СаСО3, нГАП а-ТКФ, ТетКФ, ДКФД С-ТКФ, МКФМ	ГАП КГАП ГАП ГАП ГАП ГАП КГАП ГАП ДКФД

АФК - аморфный фосфат кальция, ТКФ - Са3(РО4)2, ДКФ - СаНРО4, МКФМ - Са(Н2РО4)2-Н2О, ТетКФ - Са4Р2О9, ГАП - Са5(РО4)3ОН, КГ АП - карбонатгидроксилапатит.

 

Классификацию кальций фосфатных смесей проводят в зависимости от продуктов, образующихся в цементом камне: (а) апатитовые КФЦ и (б) брушитовые КФЦ (см. уравнение 1,2). Брушитовые (гидравлические) цементы имеют ряд интересных особенностей, основной из которых является высокая скорость резорбции в организме. Подавляющее число работ посвящено получению и исследованию апатитовых цементов. Основными аспектами, которым уделяется пристальное внимание при изучении цементных масс, являются: химическая эволюция, процедура замешивания, реологические свойства, механические параметры, разогрев (как результат экзотермических реакций), усадка (изменение объема цементной массы при отверждении), биорезорбируемость (скорость растворения).

Можно отметить два основных типа цементных реакций. К первому типу относятся кислотно-основные взаимодействия, в ходе которых относительно «кислый» фосфат кальция (т.е. Са/Р < 1.5) реагирует с основным (Са/P > 1.67) с образованием «нейтрального» продукта - ГАП:

2CaHPO4 + 2Ca4P2O9 ^ Саш(Р04)5(ОН)2 (1)

Са3(Р04)2 + Ca(H2PO4)2-H2O + 7H2O ^ 4 CaHPO4'2H2O (2)

К реакциям второго типа относят те, в которых исходный фосфат кальция и продукт имеют одинаковую стехиометрию (см. уравнение 3):

3 Ca3(P04)2-nH20 (АФК) ^ Ca9HP04(P04)50H + (3n-1)H20 (3)

Образование цементного камня связано с образованием и ростом кристаллов ГАП и их взаимным перекрыванием. Фосфаты кальция являются хрупкими материалами, их прочность на сжатие (10 - 100 МПа) сильно превосходит прочность на изгиб (1-10 МПа). Для сравнения, прочность традиционно используемых метилметакрилатных цементов - 30 МПа. Механическая прочность цементов зависит от состава смеси. Главным определяющим фактором является количественное соотношение между порошком и растворной компонентой (Тв/Ж). При увеличении соотношения Тв/Ж уменьшается пористость материала: 10% уменьшение

пористости приводит к двукратному увеличению прочности на сжатие. Типичные значения пористости СРС материалов - 30-60%, размер пор близок к 1 мкм.

Измерения прочности цементов, как правило, не документируются производителями, поэтому сложно сравнивать параметры, приводимые в литературе по разным источникам. Предпринимались попытки сопоставить различные материалы. Так, например, прочность на сжатие цементов Norian SRS, Cementec, Biocement D и a-BSM составила 33+5, 8+2, 83+4 и 4+1 МПа соответственно. То, что Biocement D имеет наибольшую прочность на сжатие, однако, не означает его наименьшую ломкость. Необходимо учитывать, что начальная прочность цементных материалов существенно меняется после имплантации.

КФЦ имеют открытую пористость, но малые размеры пор не позволяют костной ткани прорастать внутрь материала. Поверхностная биорезорбция цементов протекает медленно послойно на поверхности материала (рис. 3).

Рис.3 Формирование новой костной ткани на границе с цементным имплантатом состава 75% Са3(РО4)2,

20% Са4Р2О9 и 5% СаНРО4.

 

Цемент Norian SRS теряет 30% по массе после 24 месяцев имплантации. В общем случае, скорость резорбции меньше при большем размере кристаллов в цементной массе и меньшей пористости.

Низкотемпературная «керамика» - цементы - обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционной керамикой. В цементных системах формируется легкорезорбируемый нанокристаллический апатит, цементную массу легко адаптировать к костным дефектам сложной формы. Кальций фосфатные цементы биоактивны и остеоиндуктивны (способствуют активному росту новой костной ткани).

 

7.Создание зуба

 

Взрослая ткань зуба практически не способна к самостоятельной регенерации, и дефект эмали, в результате действия повреждающих факторов, постепенно приводит к потере зуба. Без сомнения, современные технологии протезирования позволяют произвести реконструкцию даже при полном отсутствии зубов. Однако, прогресс современной медицины подвигает исследователей к поиску технологий замещения зубов естественными трансплантатами.

Ткань зуба закладывается на 6-7 неделе внутриутробного развития. На эпителиальной зубной пластинке появляются мелкие выпячивания, называемые зубными зачатками, из которых будет развиваться молочный зуб.

Дифференцировка зубных зачатков начинается с 3 мес. внутриутробного развития, а к началу 5 мес. эмалевый орган утрачивает непосредственную связь с эпителием ротовой полости, хотя остатки зубной пластинки могут длительно сохраняться. Незадолго до этого клетки зубной пластинки формируют второй эпителиальный зачаток, из которого будет развиваться постоянный зуб (Рис. 4)

 

Рис.4. Картина нормальной закладки зуба человека

 

В настоящее время технологии создания артифициального зуба (дентогенез) методами тканевой инженерии развиваются двумя основными путями. Первый путь - так называемый прямой дентогенез. У эмбриона производится забор закладки зуба (зубная пластинка, эмалевый орган, зубной сосочек). Клеточная масса суспензируется и совместно культивируется. В качестве матрицы используют биодеградируемые полимеры на основе органических кислот (полигликолевой и сополимера гликолевой и молочной кислот), которым придают трехмерную форму зуба. Культура клеток наносится на матрицу, и препарат пересаживается в зубную альвеолу (лунку, в которой находится корень зуба), где под воздействием факторов клеточного и тканевого микроокружения происходит дентогенез.

Второй путь - непрямой дентогенез, при котором развитие происходит внеальвеолярно. После выделения, кокультивирования и нанесения на матрицу клеток закладки зуба тканеинженерная конструкция пересаживается в мягкие ткани, не относящиеся к ротовой полости (сальник, околопочечная клетчатка, подкожная жировая клетчатка) на срок от 20 до 35 недель. По истечении указанного времени происходит образование ткани зуба за счет ближайших межклеточных взаимодействий.

Создание тканеинженерных конструкций для дентиногенеза - реальная перспектива сегодняшнего дня. Основной проблемой можно считать обеспечение кровоснабжения искусственного зуба, так как технология прямого дентогенеза в клинической практике может вызвать ряд неудобств в течение как минимум 30-35 недель, связанных с созданием определенных условий микроокружения для развивающегося зуба. Нельзя не отметить, что создание зуба как органа можно считать прорывом в реконструктивной стоматологии.

 

8.Искусственная кожа

 

Заживление взрослой раны кожи сложно и вовлекает широкий диапазон клеточных, молекулярных, физиологических, и биологических процессов. Для острых, хронических и обширных ран применяются как синтетические, так и естественные материалы. Главный эффект большинства заменителей кожи заключается в том, чтобы способствовать залечиванию раны, препятствовать обезвоживанию, попаданию инфекций в рану.