Биоматериалы для протезирования

 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).

 Выделяют до семи уровней  организации костной ткани

      

 

       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 механическихсвойств) 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.

     

 

Два свойства делают керамику привлекательной в качестве материала для изготовления

       имплантатов.  Во-первых,  ее исключительна я 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.

   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.

   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 (Al2О3) 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”.

     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.

       Считается, что ключевым элементом, который обеспечивает высокую биоактивность

      указанных материалов, является кремний. Гидролиз биостекла в межтканевой жидкостиприводит 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.

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: СаНРО42Н2О, Са4(РО4)2О, СаНРО4, Са8Н2(РО4)65Н2О,

Са(Н2РО4)2Н2О, , -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 СаНРО42Н2О (ДКФД).

 

АФК – аморфный фосфат  кальция, ТКФ – Са3(РО4)2, ДКФ –  СаНРО4, МКФМ – Са(Н2РО4)2·Н2О, ТетКФ  –

Са4Р2О9, ГАП – Са5(РО4)3ОН, КГАП – карбонатгидроксилапатит.

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.

Они имеют открытую  пористость, но малые размеры  пор не позволяют костной ткани

прорастать внутрь материала. Поверхностная биорезорбция цементов  протекает медленно

послойно на поверхности  материала.

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).