Біоматеріали

Інший перспективний «кандидат» на роль повного замінника суглоба – вуглецевий композит, армований вуглецевими волокнами. Його механічні властивості близькі до характеристик кістки. Залежно від мікроструктури матеріалу, яку легко можна змінювати в широких межах, одержують наступні значення енергії руйнування, модулів пружності, міцності на стикання: 400-2900 Дж/м2, 10-72 ГПа, 100-450 МПа відповідно. Ці механічні параметри відповідають матеріалам з розмірами дефектів у кілька сотень мкм (наприклад, пор діаметром до 120 мкм). Вуглецеві матеріали біосумісні, більш того, можна легко контролювати їх розчинність. На сьогоднішній день вуглецеві композити - найбільш імовірні матеріали, які прийдуть на заміну титановим протезам.

Дуже цікавим і перспективним є так званий «регенераційний підхід», коли використовуються різні матеріали (полімери, що біодеградують, біоактивне скло, композити гідроксидапатит/CaSO4, кісткові клітини та протеїни на носіях з гідроксидапатитом, CaSO4 і ін.) для стимуляції й прискорення кісткової регенерації. Правда, даний підхід можна застосовувати лише для лікування малих дефектів.

Якою повинна бути біокераміка? Кістка має досить складну будову й різноманітний тканинний склад. Значні механічні характеристики компактної речовини забезпечуються особливим просторовим розташуванням утворюючих його структурних компонентів – кісткових пластинок товщиною 3-10 мкм.

Три основні групи речовин утворюють кістку: колаген (приблизно 25 % мас. – органічна складова кісткової тканини, або кістковий матрикс), фосфати кальцію (приблизно 65 %мас. – неорганічна складова) і вода (10 % мас.). Крім зазначених речовин, у кістковій тканині присутні в малих кількостях і інші органічні сполуки (відмінні від колагену білки, полісахариди, ліпіди). Крім Ca2+ і PO43- до складу кісткової тканини входять, також, і інші неорганічні йони (табл. 4.1).

Колаген надає тканинам організму необхідну механічну міцність при деформаціях типу розтягу і стискання. Молекули колагену, що складаються з трьох скручених спірально поліпептидних ниток, здатні збиратися у волокна діаметром 100–2000 нм. Міцність кісткової тканини на стискання

обумовлена мінеральною складовою – фосфатами кальцію (переважно у формі гідроксидапатиту Сa(PO4)6(OH)2. Кристали гідроксидапатиту присутні в кістці у формі пластин з розмірами 50×20×5 нм, орієнтованих певним чином стосовно осі колагенових волокон.

Компонент	Кісткова тканина	Тканина зуба (дентин)
Ca	34,8	35,1
P у вигляді PO43-	15,2	16,9
Na	0,9	0,6
Mg	0,72	1,23
K	0,03	0,05
C у вигляді СО32-	7,4	5,6
F	0,03	0,06
Cl	0,13	0,01
Неорганічна складова	65	70
Органічна складова	25	20
Вода	10	10
Відношення Ca/P (мольне)	1,71	1,61

Табл. 4.1. Хімічний склад кісткової тканини і зубів (у мас. %)

Виділяють до семи рівнів організації (архітектури) кісткової тканини (рис. 4.6). Органічний кістковий матрикс і неорганічна складова утворюють своєрідний композиційний матеріал. Відтворити досконально морфологію кісткової тканини in vitro – тобто, експериментально – (і, отже, досягти такої ж, як у кістки, комбінації біологічних і механічних властивостей) найближчим часом неможливо.

Рис. 4.6. Ієрархічні рівні організації кісткової тканини

Біоматеріали, що претендують на роль імплантатів, повинні задовольняти вимогам, які диктуються приведеною вище структурою, складом і властивостями кісткової тканини:

1) хімічні властивості – відсутність  небажаних хімічних реакцій з  тканинами та міжтканинними рідинами, відсутність корозії;

2) механічні характеристики біокераміки  повинні бути близькими до  характеристик кістки (наприклад, відмінність  у пружності може привести  до втрати імплантату внаслідок  резорбції кісткової речовини, що  перебуває з ним у контакті);

3) біологічні властивості –  відсутність реакцій з боку  імунної системи організму, зростання  з кістковою тканиною, стимулювання  процесу утворення кісткової  тканини (остеосинтезу);

4) для швидкого проростання кісткової  тканини в імплантат останній  повинен мати наскрізні пори  розміром 100-150 мкм.

Біоінертна кераміка. Як матеріал для виготовлення імплантатів, кераміка має як найменше дві переваги перед іншими біоматеріалами. По-перше, її виняткова хімічна інертність, по-друге, висока міцність.

На жаль, обидві ці переваги мають свою зворотну сторону. Так, стійкість кераміки стосовно середовища організму призводить до того, що кістка не може врости в імплантат, і місце контакту заповнюється волокнистою сполучною тканиною, яка механічно охоплює сторонній предмет. Ясно, що такий контакт не може бути міцним. Високі міцністні характеристики кераміки досягаються її підвищеною твердістю. Уявимо собі модель керамічного імплантату в кістці у вигляді двох зістикованих різнорідніих матеріалів: один з них – м'який (кістка), інший – твердий (кераміка). Якщо прикласти до такої системи механічне навантаження, то воно розподілиться нерівномірно: більшу частину візьме на себе твердий керамічний елемент. При відсутності звичного навантаження клітин кісткової тканини відбувається процес розчинення кістки, яка призводить до розвитку остеопорозу – хвороби, що полягає в зменшенні маси костей за рахунок розвитку їх поруватості. Остеопороз у комбінації з неміцним контактом кераміка-кістка означає, що в приконтактній області кістки ймовірність перелому особливо велика. Зі 100 тисяч операцій з трансплантації кісткової тканини, що проводяться щорічно у Великобританії, 18 % становлять повторні операції з заміни імплантату, втраченого внаслідок описаних вище причин.

Слід зазначити ще один недолік, який притаманний керамічним матеріалам. Це їх підвищена крихкість, тобто нездатність витримувати помітні деформації без руйнування. Навантаження, що прикладене до крихкої кераміки, призводить до дуже швидкого – катастрофічного, росту мікротріщин, які наявні практично в будь-якому матеріалі, і як наслідок – до руйнування. Це явище особливо помітно при динамічних навантаженнях: ударах, поштовхах і т.д. Таким чином, не тільки зона контакту кераміка-кістка, але й сам керамічний імплантат за певних умов може бути областю ймовірного перелому.

Незважаючи на перераховані недоліки, існують області травматології та ортопедії, де керамічним імплантатам немає альтернативи. У першу чергу, це відноситься до протезування тазостегнового суглоба. Найбільш широко в цій області використовують кераміку на основі алюміній оксиду (Al2O3) з додаванням дуже малих кількостей MgO (менш 0,5 %) з метою одержання дрібнозернистого полікристалічного матеріалу. Матеріал, який виготовлений на основі оксиду цирконію (ZrO2) з додаванням оксидів магнію або ітрію, характеризується більшою міцністю, ніж кераміка на основі оксиду алюмінію. За свої чудові механічні характеристики подібний матеріал одержав назву «керамічної сталі».

Склокерамічні біоматеріали. Як відомо, звичайне скло являє собою досить швидко охолоджений розплав, який містить оксиди Na2O, CaO, SiO2, а також інші оксидні добавки. Біоактивне скло містить у своєму складі оксиди Na2O, CaO, SiO2, P2O5. При створенні біоскла в більшості випадків використовується склад: 24,5% Na2O, 24,5 % CaO, 45 % SiO2, 6 % P2O5. Змінюючи склад, можна в широких межах змінювати біоактивність таких матеріалів. Повільне охолодження розплаву зазначених оксидів за певних температурних режимах дозволяє частково закристалізувати скло (при цьому найчастіше утворюється метасилікат кальцію – воластоніт CaSiO3) та одержати змішані, склокристалічні матеріали – біоситали, які мають більш високі в порівнянні зі склом механічні характеристики.

Біоскло та матеріали на його основі не сприймаються організмом як щось інородне, навпаки, серія біохімічних реакцій (рис. 4.7) на кордоні біоскло-кістка призводить до інтенсивного утворення кісткової тканини в області контакту і в остаточному підсумку до вростання імплантату в кісткову тканину. Слід зазначити, що перехідний шар між біосклом і кісткою може мати товщину до 1 мм (при використанні як імплантату біоінертної кераміки, шар волокнистої сполучної тканини має товщину порядку 1 мкм) і буде настільки міцним, що перелом відбудеться в будь-якому іншому місці, але не в зоні зрощення.

Рис. 4.7. «Події» на границі біоскла і кісткової тканини:

1 – формування Si-OН-груп на поверхні  скла в результаті йонного  обміну, 2 – утворення аморфного  фосфату кальцію на поверхні  гідратованого скла і його  кристалізація в гідроксидапатит, 3 – адсорбція біологічно активних  речовин апатитовим шаром, 4 –  «включення» імунної системи; спрямоване  виділення і адсорбція специфічних  кісткових білків, 5 – прикріплення  недиференційованих клітин і  їх перетворення в кісткові  клітини, 6 – ріст кісткового матрикса  і його мінералізація, 7 – перебудова  кісткової тканини й «заростання»  проміжку між склом і кісткою. Умовно кажучи, кордоном між «неживим»  і «живим» проходить по стадіях 4 – 5

Вважається, що ключовим елементом, який забезпечує високу біоактивність зазначених матеріалів, є силіцій. Гідроліз біоскла в міжтканинних рідинах призводить до утворення тонкого желеподібного шару (гелю) кремнієвої кислоти – SiO2·xH2O на поверхні імплантату. Негативно заряджені гідроксильні групи поверхні шару кремнієвої кислоти притягують із навколишнього розчину міжтканинної рідини йони Ca2+, заряд поверхні стає позитивним, потім на поверхню осаджуються фосфат-йони – відбувається ріст шару гідроксидапатиту. Механічні характеристики біоскла не настільки позитивні, як їх біосумісність і біоактивність. Внаслідок цього, біоскло знаходить застосування у вигляді малих імплантів у стоматології й особливо в щелепно-лицьовій хірургії. 134

Матеріали на основі кальцій фосфатів

За температури людського тіла в контакті з водним середовищем стійкі тільки деякі індивідуальні фосфати кальцію (табл. 4.2). В умовах людського організму та водного середовища при 37°С и pН>5 кальцій фосфати розкладаються з утворенням гідроксидапатиту (ГА) – найбільш стійкого фосфату кальцію. У присутності пари води ГА стійкий до нагрівання аж до температури 1633 К!

Хімічна формула	Назва	Відношення Са/Р	Інтервал рН	ДР (37°С)
Са(Н2РО4)2	Монокальцієвий фосфат	0,5	<1	Раст.
СаНРО4·2Н2О	Гідрокальцієвий фосфат дигідрат	1	<1	10-6,63
СаНРО4	Гідрокальцієвий фосфат	1	2-4	10-7,02
Са8(НРО4)2·5Н2О	Октакальцієвий фосфат	1,33	6-7	10-95.9
Са10(РО4)6(ОН)2	Гідроксидапатит	1,5-1,67	>5	10-117
Са3(РО4)2 Аморфний	Аморфний фосфат кальцію	1,33-1,67	>5	?
Са3(РО4)2	Трикальцієвий фосфат	1,5	-	-
Са4Р2О9	Тетракальцієвий фосфат	2	-	-

Табл. 4.2. Деякі фосфати кальцію і їх властивості [18]

Основні види фосфатів кальцію представлені в табл. 4.2. Слід зазначити, що плазма крові (так само як і інші міжтканинні рідини) пересичена відносно ГА. Це означає, що з міжтканинних рідин можуть самовільно випадати кристали ГА, і якщо цього не відбувається, то лише завдяки складним біохімічним процесам локального зв'язування і вивільнення йонів кальцію та фосфат-йонів за участю біополімерів і ферментів.

При порушеннях нормального обміну речовин в організмі відбувається кристалізація ГА у будь-яких (необов'язково кісткових) тканинах – процес патологічної кальцифікації тканин. Це явище призводить до утворення фосфатних каменів та росту атеросклеротичних бляшок.

Рис. 4.8. Кальцій гідрофосфат дигідрат

Кальцій гідрофосфат дигідрат найбільш розчинний серед біосумісних кальцію фосфатів. Він був виявлений в області кісткової мозолі, ниркових каменях, зубному нальоті, холестеринових тромбах. В лабораторних умовах кальцію гідрофосфат дигідрат можна одержати за реакцією:

CaCl2+ Na2HPO4 + 2H2O = CaHPO4·2H2O + 2NaCl (4.1)

Рис. 4.9. Кальцій октафосфат

До числа біосумісних відноситься також й октакальцієвий фосфат, який часто утворюється як проміжний продукт при одержанні ГА:

· за реакцією гідролізу (в присутності лугу):

8CaHPO4 + 4NaOH + H2O = Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O + 2Na2HPO4, (4.2)

· за реакцією осадження:

8CaCl2 + 6Na2HPO4 + 4NaOH + H2O=Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O + 16NaCl. (4.3)

Кальцій октафосфат (як і аморфний кальцій фосфат) є прекурсором для подальшого одержання кісткового гідроксидапатиту при формуванні кістки:

Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O + 2Ca2+ + 4OH- = Ca10(PO4)6(OH)2 + 2H2O. (4.4)

Аморфний кальцію фосфат в лабораторних умовах одержують за наступною реакцією:

xCa2+ + yHPO42- + yOH- + (n-y) H2O = Cax(PO4)y·nH2O. (4.5)

Аморфний кальцій фосфат також є біосумісним та високобіорезорбованим матеріалом. Раніше помилково вважали, що сам аморфний кальцій фосфат є основою неорганічної складової кістки, а не кристалічний ГА. Насправді утворення кістки відбувається через проміжну форму аморфного кальцій фосфату з подальшою кристалізацією його в ГА за двома можливими шляхами:

АКФ ГА (4.6)

АКФ ОКФ ГА (4.7)

Рис. 4.10. Аморфний кальцію фосфат

У дійсності ГА є речовиною змінного складу, і його формула може бути представлена як Ca10-x(HPO4)6-x(OH)2-x, де 0≤x≤1 (тобто мольне відношення Са/Р може мінятися від 1,5 при х=1 до 1,67 при х=0). У кристалічній структурі апатиту можлива часткова заміна (заміщення) катіонів кальцію на інші йони, наприклад на Sr2+, Ba2+, Be2+, Pb2+. Фосфат-йони можуть бути заміщені на SiO44- або (CO3ОН)3- а ОН-групи на йони Cl-, Br-, F-. Значна кількість фтору входить до складу ГА, що міститься в зубах.