Автор работы: Пользователь скрыл имя, 27 Октября 2014 в 16:20, реферат
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.
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
Рис. 4.12. Гідроксидапатит
Характерною рисою ГА є те, що він є основою кісткових тканин організму. Карбонат-йон є одним з основних джерел деформації ґратки апатиту, що створює локальні механічні напруги і дефекти в кристалах ГА, це і визначає біологічну активність кісткового апатиту, який називають в зв'язку з цим карбонатапатитом. В загальному випадку формулу мінерального компонента кісткових тканин можна представити у вигляді
Ca9(CO3)x(HPO4)y(PO4)5(OH) (де x + y = 1). Цікаво, що з віком вміст карбонат-йону в кістковому ГА зростає. Це викликає зниження механічної міцності кісток у людей похилого віку.
При одержанні синтетичного ГА бажано щоб він, як і кістковий апатит, складався з пластинчастих кристалів малого розміру (50 нм) і мав у своєму складі карбонат-йони.
Методи одержання гідроксидапатиту. Одержання порошку гідроксидапатиту проводять або «мокрими» методами, або в ході твердофазного синтезу. При осадженні з водних розчинів при pН>6 одержують дрібнокристалічний порошок. До класичних «мокрих» методів синтезу ГА відносять наступні рівняння:
10Сa(NO)3 + 6(NH4)2HPO4 +8H2O = Ca10(PO4)6(OH)2↓ + 20NH4NO3 (4.8)
10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O. (4.9)
Причому в якості реагентів у реакції (4.8) можуть бути взяті інші солі, наприклад, хлорид кальцію і фосфат натрію. На початковій стадії реакції часто утворюються аморфні осади фосфатів кальцію з відношенням Са/Р, які можуть не збігаються з ідеальним відношенням 1,67, і лише потім, протягом тривалого періоду часу (часто займає кілька днів), відбувається кристалізація власне гідроксидапатиту. Форма кристалів, які одержуються осадженням із розчинів, може бути різноманітною: стрижні, голки, округлі частки, тонкі пластини. Окрім часу кристалізації й концентрації розчинів реагентів, розміри й форму кристалів визначаються присутніми в розчині домішками. Від розміру та форми кристалів ГА залежить, наскільки біоактивним буде отриманий порошок.
Також, ГА одержують за реакцією взаємодії фосфатів кальцію з лугами (наприклад, гідрофосфату кальцію), але цей синтез використовують порівняно рідко через дуже низькі швидкості процесів синтезу порошків ГА:
10СaHPO4 + 8NaOH = Ca10(PO4)6(OH)2↓ + 4Na2HPO4 + 6H2O. (4.10)
Проте подібні гідролітичні реакції відіграють значну роль в процесах затверднення, де вони використовуються як фосфатні цементи швидкого тужавіння.
Твердофазний синтез (реакції (4.11), (4.12)) дозволяє одержувати крупнокристалічний матеріал із заданим відношенням Са/Р, але вимагає тривалого нагрівання за температури 1273–1573 К. Випалювання при високій температурі застосовуються і для спікання попередньо отриманих (наприклад, «мокрими» методами) порошків при створенні фосфатної кераміки:
6CaHPO4·2H2O + 4CaO = Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2O↑ (4.11)
10CaCO3 + 6(NH4)2HPO4 = = Ca10(PO4)6(OH)2 + 10CO2↑ + 12NH3↑ + 4H2O↑ (4.12)
Кераміка на основі гідроксидапатиту. Гідроксидапатит є одним з найбільш сприятливих матеріалів для виготовлення штучних імплантатів внаслідок своєї високої біосумісності. На жаль, не вдається одержати кераміку з необхідною міцністю на основі чистого ГА, що суттєво обмежує область її застосування. Кераміка на основі ГА характеризується досить низькою стійкістю до поширення тріщин і великим розкидом експериментальних значень міцності від зразка до зразка. Вологе середовище, що імітує середовище організму, лише збільшує ці негативні властивості кераміки. Через ці причини ведеться інтенсивний пошук нових композиційних матеріалів з поліпшеними механічними характеристиками. Низька розчинність синтетичного ГА (табл. 4.2) обертається його невисокою біоактивністю: кісткові клітини повільно «перетравлюють» запропоноване їм джерело кальцію та фосфору; як наслідок, кістка повільно вростає в керамічний імплантат. Для підвищення біоактивності ГА розбавляють більш розчинними фосфатами кальцію, наприклад, тризаміщеним ортофосфатом, або ж виготовляють пористу ГА-кераміку (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Пориста кераміка на основі ГА
Пориста кераміка з гідроксидапатиту широко застосовується як кістковий замінник, внаслідок високого зрощення з кістковою тканиною. Кісткова тканина проростає в пори імплантату, проте наявність великих пор помітно погіршує його міцність.
Запропоновані різні методи синтезу пористої ГА-кераміки. Найбільш оригінальний метод використовує готовий кістяк із СаСО3, особливості структури якого успадковує гідроксидапатит. Із цією метою застосовують такий природний матеріал, як корал (основна речовина кістяка СаСО3), який при тривалому нагріванні в розчині амонію гідрофосфату в автоклаві переходить у ГА за реакцією (4.5), зберігаючи вихідну пористу структуру коралу.
Кальцій-фосфатні кісткові цементи являють собою суміш порошків фосфатів кальцію різного складу СаНРО4·2Н2О, Са4(РО4)2О, СаНРО4, Са8Н2(РО4)6·5Н2О, СаНРО4·Н2О, α-ТКФ і води (або розчинів Н3РО4, Na2HPO4). Подібна суміш перетворюється в ГА навіть при 37 °С у ході тужавіння цементу, утворюючи пористу масу. Час тужавіння може бути зменшений до декількох хвилин.
Класичною є фосфатна цементна система, в основі якої лежить реакція:
2CaНРО4 + 2Са4Р2О9 = Ca10(PO4)6(OH)2. (4.13)
Гідрофосфат CaНРО4 – більш кисла (Са/Р (=1) < 1,67), а тетракальцієвий фосфат – більш основна речовина (Ca/P (=2) > 1,67) у порівнянні з гідроксидапатитом, тобто реакція (4.13) може розглядатися як свого роду реакція нейтралізації. До переваг фосфатних цементів слід віднести їх високу біоактивність, біосумісність. Крім того, цементній масі легко надати будь-яку форму, що дуже зручно при заповненні кісткових дефектів або пломбуванні зубних каналів. Головний же їх недолік - низькі міцністні характеристики. Якщо вдасться поліпшити їх міцність, то фосфатні цементи зможуть замінити собою цементи на основі поліметилметакрилату, які використовують для фіксації костей і імплантатів. При цьому фосфатні цементи використовуються для пломбування зубних каналів, у системах переносу лікарських засобів. Кристали апатиту, що утворюються згодом після твердіння цементної суміші, мають невеликі розміри (50 нм шириною і 1000 нм довжиною). Малі розміри кристалітів, їх невпорядкованість, наявність пор – усе це призводить до кращої резорбції цементних матеріалів у порівнянні з щільною випаленою керамікою.
Композиційні матеріали типу фосфат кальцію – полімер. Прагнення поліпшити механічні характеристики кальційфосфатної кераміки привело до створення композиційних матеріалів на основі кальцію фосфатів і різних полімерів. У подібному напрямку розвитку біоматеріалів можна спостерігати загальну тенденцію сучасного матеріалознавства до широкого використання композиційних матеріалів, але, імовірно, важливіше побачити тут спробу повчитися у природи, спробу доступними для сучасної науки засобами моделювати склад і організацію кісткової тканини. У цей час у якості органічної складової використовують полімери, які біодеградують: желатин, колаген, полігліколіди, полілактіди (рис. 4.14).
Рис. 4.14. Покриття ГА на полімері та титанових сплавах
Композити ГА-колаген за хімічним складом відповідають реальній кістці, хоча й не мають відповідної структурної організації. Такі композити можуть бути отримані, наприклад, пресуванням протягом декількох днів суміші колагену і порошку гідроксидапатиту або осадженням кристалів ГА з розчинів, що мають склад міжтканинної рідини, на колагенові волокна. У першому випадку виходять матеріали з досить низькими механічними характеристиками. Друга методика моделює не тільки склад, але й механізм утворення кісткової тканини (мінералізація органічного матрикса). З цієї причини подібний прийом називають біоміметичним, тобто відтворюючим природний процес.
Відстань між волокнами колагену визначає розмір зростаючих кристалів апатиту. Отриманий у такий спосіб пористий матеріал характеризується високої біоактивностю, більшої, ніж ГА і колаген окремо.
Усвідомлення того факту, що ГА-колагенові композити за своїм складом тотожні кістковій тканині та фактично є джерелом мінеральних і органічних речовин для кісткових клітин, призвело до виникнення регенераційного підходу, у якому акцент робиться не на заміщення дефекту імплантатом з прийнятними механічними характеристиками, а на швидку біодеградацію матеріалу та заміну його кістковою тканиною. При цьому такий композит-імплантат спочатку відіграє роль опорного і напрямного елементу, що сприяє росту кісткової тканини, а надалі поступово розсмоктується. Звичайно, бажано, щоб імплантат мав і певний рівень механічних характеристик та міг би нести навантаження в післяопераційний період до повної заміни його кістковою тканиною.
Перспективи застосування біокераміки. Серед замінників кісткової тканини особливе значення мають механічні й біологічні властивості імплантатів. Порівняння механічних властивостей цих матеріалів і кісткової тканини наведене на рис. 4.15, де всі матеріали розташовані на координатній площині у відповідності зі значеннями їх твердості (пружності) і тріщиностійкості. Розумним компромісом між суперечливими вимогами, запропонованими до кісткових імплантатів, є композити ГА-полімер, які мають близькі до кістки механічні властивості та проявляють високу біоактивність.
Рис. 4.15. Порівняння механічних властивостей різних біоматеріалів
Досить перспективними при лікуванні невеликих кісткових дефектів є застосування вже згаданого регенераційного підходу, де на перше місце у матеріалах виходять їх біологічні властивості. Сам факт розробки матеріалів, які стимулюють остеосинтез, означає, що після майже піввікового активного застосування біоматеріалів приходить розуміння складності завдання відновлення й заміни кісткової тканини. Застосування того або іншого матеріалу залежить, як від медико-біологічних характеристик кісткового дефекту, так і, імовірно, від конкретного клінічного випадку. Отже, розв'язок зазначеного завдання можливий лише при наявності широкого спектра біоматеріалів. Вибір з них матеріалу, що максимально задовольняє вимогам конкретного випадку, – ключ до успіху.
Література