Біоматеріали

 

 

Міністерство  освіти і науки, молоді та спорту України

Сумський державний педагогічний університет ім. А. С. Макаренка

 

 

 

«Біоматеріали»

 

 

План

1. Речовини біомедичного призначення
2. Класифікація біоматеріалів

2.1. металеві імплантати,

2.2. полімерні біоматеріали,

2.3.  керамічні імплантати,

2.4.  композитні біоматеріали,

2.5.  вуглецеві матеріали,

2.6. Матеріали на основі кальцій фосфатів

 

РЕЧОВИНИ БІОМЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Характерною рисою ІІІ-го тисячоріччя є прагнення до підвищення якості та тривалості життя людини. Істотну роль у досягненні цих цілей відіграють успіхи в розробці та використанні нових біоматеріалів, тобто матеріалів, які застосовуються в медицині для підтримки життєдіяльності й нормального функціонування організму. На розвиток біоматеріалів витрачаються величезні кошти, а ринок біоматеріалів оцінюється в десятки мільярдів доларів.

Термінологія та визначення в цій області безупинно уточнюються. В 80-х роках минулого сторіччя з ініціативи професора Девіда Уільямса [2 (с. 5)] (нині головний редактор журналу «Biomaterials») на спеціальних конференціях неодноразово обговорювалися питання, пов'язані з визначенням понять в області біоматеріалів. Згідно з сучасними уявленнями про біоматеріали – це матеріали, які постійно контактують із тканинами організму. При цьому вони поділяються на наступні категорії у відповідності з характером їх біологічних (біохімічних) реакцій з навколишніми тканинами:

· токсичні,

· біоінертні,

· біоактивні,

· біорезорбовані.

До токсичних матеріалів відносять матеріали, які викликають відмирання оточуючих тканин, до біоінертних (біотолерантних) – матеріали, які не викликають імунних реакцій, запальних процесів і, отже, не відторгаються організмом, зберігаючи при цьому свою структуру. Біоактивні матеріали виконують біологічні функції, імітуючи природні тканини, а біорезорбовані матеріали поступово розчиняються в організмі та заміщуються натуральними тканинами.

Прикладами токсичних матеріалів є більшість металів, біоінертних – керамічні матеріали (наприклад, оксиди цирконію і алюмінію) та деякі метали (титан), в якості біоактивних – полімерні матеріали, першим з яких був, очевидно, поліметилметакрилат, який знайшов широке застосування в стоматології, біоскло і деяка кераміка (гідроксидапатит, трикальційфосфат та ін.). Полімерні матеріали є також найпоширенішими представниками біорезорбованих матеріалів, однак останнім часом увагу дослідників привернули й інші розчинні в тканинах імплантати, зокрема, металеві (наприклад, магнієві сплави). У викладеній класифікації найменш визначеними є поняття «біоактивні матеріали». У поточній літературі [3 (с. 7)] часто під біоактивними мають на увазі матеріали, які виявляють спрямований (позитивний) вплив на навколишні тканини і сприятливе активне «вживляння», що поліпшує функціонування імплантату. Так, пористий титановий імплантат можна вважати біоінертним матеріалом, а той же імплантат, просочений певною лікарською речовиною (наприклад, що пригнічує рестеноз, тобто ріст небажаних клітин у зоні імплантату), – біоактивним. Біоактивним може вважатися і титан з покриттям із гідроксидапатиту, що сприяє утворенню кісткових тканин. Таким чином, під біоактивними матеріалами розуміють більш широкий клас матеріалів, чим в наведеній вище класифікації Уільямса. 

Першою вимогою до біоматеріалів (матеріалів імплантатів) є біосумісність, під якою розуміють звичайно сукупність певних біохімічних і біомеханічних характеристик. До біохімічних характеристик (біохімічна сумісність) відносять розчинність інгредієнтів матеріалу в біологічному середовищі (корозія), їх нагромадження в організмі й вплив на його життєдіяльність, відсутність запальних процесів на границі імплантат-тканина та ін. Під біомеханічними характеристиками мають на увазі механічні властивості (модулі пружності, межі міцності й пластичності, утомні характеристики і т.д.) та форму імплантату, які забезпечують  біомеханічну сумісність: відсутність перевантажень і мікрозрушень по поверхні розподілу «імплантат-тканина організму», мінімальний тиск на поверхні розподілу, тривале функціонування імплантату і т.д. При цьому різні типи біоматеріалів (метали, кераміка, полімери, скло та ін.) мають різний ступінь біосумісності. Зауважимо, що поняття «біосумісність» є досить складним і найчастіше до біосумісних матеріалів відносять усі класи розглянутих вище матеріалів з приставкою біо – біоінертні, біоактивні, біорезорбовані.

Класифікація біоматеріалів

Окрім класифікації за біосумісністю, біоматеріали поділяються на:

· металеві імплантати,

· полімерні біоматеріали,

· керамічні імплантати,

· композитні біоматеріали,

· вуглецеві матеріали,

· матеріали на основі кальцій фосфату.

Розглянемо ці біоматеріали детальніше.

Металеві імплантати. Металеві протези (рис. 4.1) прості у виготовленні, дуже міцні і хімічно інертні. Вони відносно дешеві, тому на них найчастіше падає вибір. Головний недолік металів – вони піддаються корозії, через яку знижується їх механічна міцність і організм отруюється йонами металів, які переходять у міжклітинну рідину. Крім того, усі метали – гарні провідники електрики, тому контакт двох різних імплантатів металів може утворювати усередині тіла людини гальванічну пару. Навіть слабкий електричний струм буде дратувати нервові клітини і викликати сильний біль. Не можна забувати, що метали щільніше кісток людини, а значить, важче.

Рис. 4.1. Металеві імплантати для заміни ушкоджених тазостегнових суглобів:

матеріали: метал (титан), покритий шаром кальцій фосфатів, і керамічний (алюмінію оксид) шароподібний «набалдашник», який вставляють у керамічну півсферу

Більшу стійкість до корозії має нержавіюча сталь, яка також може використовуватися як біоімплантат, сплави типу Co-Сг-Мо (з'явилися в 1936 році), Co-Cr-Ni (в 1952 році). Досить перспективні сплави титану (наприклад, Ti-Аl-V) – вони міцні, відносно легкі й стійкі до корозії. Крім того, міцність на розтяг і стиск (модуль Юнга) титану близька до міцності кістки.

У виготовленні протезів на основі металів є свої тонкощі. Якщо розплавлений метал просто залити в матрицю, то вийде продукт досить низької якості: зернистий, з великою кількістю пор. Інший метод – порошкова металургія. Дрібнодисперсний металевий порошок засипають у форму, щільно втрамбовують і нагрівають при підвищеному тиску до температури, що становить 70-80% від температури плавлення металу. При такій технології протез виходить міцніше, тому що має тонку однорідну мікроструктуру, а головне, у ньому немає пор.

Полімери. Полімер – матеріал зручний, легкий, технологічний, гнучкий, пружний, і навіть із хімічної точки зору трохи схожий на тканини живого організму (хімічні зв'язки в полімерах і білках). Для заміни живих тканин використовують поліетилен, поліпропілен, силікон, тефлон, дакрон (тканина), поліметилметакрилат, поліуретан, деякі види смол і т.д. Головний недолік цієї групи матеріалів – деградація полімерних молекул. Вона неминуче починається згодом навіть у самих сприятливих умовах, а внутрішнє середовище організму досить агресивне: полімер атакують фагоцити, ферменти, що прагнуть його окислити або гідролізувати, а також вільні радикали: пероксиди, ліпіди, ліпопротеіни та т.п. У результаті поступово знижується механічна міцність протеза, й імплантат вимагає заміни. Більше того, у процесі деградації від довгого ланцюга постійно відриваються її складові частини – мономери і розчиняються в крові, лімфі та інших рідинах людського організму. Теоретично вони можуть викликати отруєння.

Керамічні імплантати. Цей напрямок почав розвиватися з 1960-х років, після того як з'ясувалося, що металеві та полімерні біоімплантати мають істотні недоліки. За сучасною класифікацією кераміка – це оксиди силіцію і деяких металів (алюмінію, титану, цирконію, ітрію й ряду інших), карбіди (SiС), нітриди (Si3N4), а також бориди. Кераміка – гарний кандидат у біоматеріали: вона міцна, не піддається корозії, не вступає в хімічні реакції. Крім того, кераміка стійка до стирання, що важливо для штучних суглобів і з'єднань (рис. 4.2), має відносно низьку густину – 2-4 г/см3 (густина заліза, наприклад, – 7,8 г/см3), а також біосумісна та навіть деякою мірою біоактивна (поверхня керамічних імплантатів може адсорбувати біологічні молекули). Але є і мінуси: усі керамічні матеріали крихкі та легко ламаються, особливо при стисненні, до того ж важко зробити керамічний виріб складної форми.

Рис. 4.2. Керамічні частини для штучних суглобів

Керамічні імплантати виробляють так само, як і металеві, тобто за допомогою порошкової металургії. Щоб одержати якісний біоматеріал, треба мати високо якісний (ультрадисперсний, без домішок) вихідний порошок із частинками однакового розміру. Технологія готування такого порошку – секрет фірми, що розробляє біоматеріал.

Рис. 4.3. Пориста кераміка (гідросидапатит)

Відповідно до реакції організму всі види біосумісної кераміки можна розділити на чотири основні групи:

1. Інертна біокераміка. Не вступає  в хімічну взаємодію навіть  через кілька тисяч годин, проведених  в екстремальних умовах (кислі  або лужні середовища, присутність  неорганічних, органічних і біологічних  молекул). Наприклад: Al203 (рис. 4.1), Zr02, вуглецеві наноструктури. Біоматеріали цієї групи не утворюють ніяких хімічних зв'язків із тканинами живого організму.

2. Біокераміка з малою реакційною  здатністю. Приклад – скло на основі Na20·CaF2·P205·Si02. Воно утворює зв'язки з білками, тобто здатне до хемосорбції.

3. Біокераміка із середньою реакційною  здатністю, наприклад, скло на основі  Na20·Ca0·P205·Si02. На відміну від попереднього, скло на основі оксиду кальцію не тільки утворює зв'язки з білками, але і є джерелом йонів кальцію (відбувається вилуговування цього елемента зі скла), що стимулює утворення нової кісткової тканини.

4. Біокераміка, повністю засвоюється  живим організмом. Наприклад, гідроксидапатит (Са10(РО4)6(0Н)2) (рис. 4.3) і ортофосфат  кальцію  (Са3(Р04)2). Така біокераміка дуже реакційно здатна, і через кілька років після імплантації місце протеза займає кісткова тканина, що знову утворилася.

Рис. 4.4. Суспензія ультрадисперсного фосфату кальцію (гідроксидапатиту)

Самий цікавий матеріал – це кераміка, що утворює хімічні зв'язки із тканинами організму. За даною класифікацією це друга і третя групи. Основний компонент у ній – оксид силіцію, але, окрім нього, обов'язково повинні бути присутніми оксиди натрію, кальцію і фосфору. Перевага подібної кераміки не тільки у високій механічній міцності (немає пор, і всі хімічні реакції відбуваються тільки на поверхні), але і у можливості нанести її на поверхню інших біоматеріалів. У результаті виходить двошаровий продукт (наприклад, метал-скло), що наділений високою міцністю й біоактивною поверхнею. Крім того, можна приготувати скло з різним ступенем біоактивності. Наприклад, добавка фтору (у вигляді кальцію фториду) зменшує біоактивність, у той час як добавка оксиду бору – збільшує.

Біокераміка (четверта група), що повністю засвоюється, складається з кальцій фосфатів (рис. 4.4). Згодом вона повинна повністю розсмоктатися та замінитися новою кістковою тканиною. У принципі це і є ідеальний тип штучного імплантату, оскільки в цьому випадку проблеми міцності і біосумісності не виникають взагалі. Труднощі полягають в тому, що поки імплантат не «розсмоктався» і не виросла нова кістка, будь-які навантаження протипоказані. А виходить, пацієнт повинен провести в ліжку багато місяців і навіть років, оскільки кістки (особливо великі) ростуть повільно. Крім того, при «розсмоктуванні» імплантату у кров, лімфу й тканинні рідини переходять великі кількості йонів кальцію, фосфату й гідроксиду. Невідомо, яким чином це може вплинути на організм у цілому.

Композитні біоматеріали. Жоден з матеріалів, які використовуються для виготовлення біоімплантатів (метали, полімери, кераміка), не має властивостей кісткової тканини (Рис. 4.5).

Рис. 4.5. Діаграма «напруга-деформація» для різних матеріалів

Композити, що складаються із двох або декількох матеріалів, які належать до різних груп, поєднують їх переваги й дають можливість зробити імплантат, найбільш близький до кістки за основними механічними і хімічними властивостями. Останнє дуже важливо, оскільки різниця в пружних властивостях імплантатів і навколишніх тканин організму призводить до розривів хімічних зв'язків між ними під час механічних навантажень. А це, у свою чергу, призводить до поганого приживання біоматеріалу і навіть до відторгнення.

Композитні біоімплантати бувають:

1. Полімерно-керамічні. У таких  матеріалах неорганічна фаза (скло  або фосфати кальцію) рівномірно  розподілена в матриці органічної  речовини (наприклад, у поліетилені  високого тиску або в епоксидній  смолі). Найпростіший спосіб приготувати  такий композит – це змішати  складові, а потім ініціювати полімеризацію. Подібні біокомпозити мають високу міцність, пружність, легкість, біосумісність, а також володіють анізотропними (залежність фізичних властивостей від напрямку) властивостями, близькими до кістки.

2. Метало-керамічні. Ці матеріали, головним чином, складаються з  металу, який забезпечує високу  механічну міцність. Основою протезу  можуть бути титан і його  сплави, нікель, хром, благородні метали. Керамічну складову (фосфати кальцію  або біоактивне скло) наносять  на поверхню металу (рис. 4.2), і  саме вона відповідає за біосумісність  імплантату. У такому композиті  важливо, щоб кераміка міцно трималась  на поверхні металу. Основний  метод нанесення кераміки –  плазмове напилювання: керамічний  порошок розплавляють у полум'ї  високотемпературного пальника  і з форсунки напилюють на  охолоджувану металеву заготовку. Іноді використовують порошкову  металургію (спікання), зварювання, вакуумно-йонне  напилювання металу на кераміку, електрохімічне нанесення металу  на кераміку, взаємну дифузію (нагріті  метал і кераміка дифундують  один в одного).

Розроблено багато різноманітних замінників кісток та суглобів і досягнуті сьогодні результати вражають. Але усі нинішні імплантати мають недоліки, що спонукає вчених продовжувати пошуки – зрозуміло, що ідеальний варіант ще не знайдено.

Вуглецеві матеріали. Перспективні для застосування в медичних цілях і вуглецеві матеріали. Так, наприклад, використання матеріалів на основі композитів вуглецевих трубок з полімерами дозволяє створювати біосумісні імплантати. Модулі пружності вуглецевих матеріалів близькі до кісткових, а в ході in vitro тестів не спостерігається погіршення властивостей, які характеризують міцність матеріалів.