Пористая биокерамика

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Российский химико-технологический  университет имени Д.И. Менделеева

Факультет технологии неорганических веществ и высокотемпературных  материалов

Кафедра химической технологии керамики и огнеупоров

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебная научно-исследовательская  работа

на тему:

«Пористая биокерамика»

 

 

 

 

 

Заведующий  кафедрой ХТКиО      А. В. Беляков

 

Руководитель  работы       А. В. Беляков

 

Выполнил         Н. С. Петрейкина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2013 
Содержание

 

Введение

Кирпич, облицовочная плитка, сантехника и посуда, высокохудожественная продукция из фарфора и фаянса, терракота и майолика, пьезо- и  сегнетоэлектрики – вот далеко не полный перечень востребованности керамики. Но есть и еще одна сфера ее применения – медицина. Каждый из нас наверняка слышал об использовании этого удивительного материала в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, ортопедии, тем не менее лишь немногие знают, что чужеродный предмет в человеческом организме может стать для него «родным».

За последние 30 лет прошлого века использовано свыше четырех десятков различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для лечения, восстановления и замены различных частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокна, костную ткань. Разработка заменителей костной ткани знаменует, по словам одного из патриархов направления, профессора Лондонского университета Ларри Хенча, революционный этап в развитии человечества: «Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни в области использования керамики в медицинских целях. Это инновационное применение специально спроектированных керамических материалов для замены и лечения больных или поврежденных частей тела» [1].

В современном  мире возрастает потребность в новых  биоматериалах, особенно на основе фосфатов кальция, обладающих совместимостью с организмом человека и биологической активностью. Интерес к разработкам в этой области связан, прежде всего, с высокими потребностями ортопедии и реконструктивно-восстановительной хирургии в имплантатах с качественно улучшенными свойствами и созданием в последнее время новых медицинских технологий восстановления поврежденных костных тканей, особенно в онкологии [2].

 

 

 

 

 

1. Виды биоматериалов

Биоматериалами называют синтетические или природные материалы, которые либо используются для замены отдельных частей живых организмов, либо предназначены для функционирования в тесном контакте с тканями живых организмов с целью проведения обследования, лечения, улучшения или замены отдельных тканей, целых органов или каких-либо выполняемых ими функций. Важно провести четкую границу между биоматериалами и биологическими материалами. К первым относятся материалы, которые дружественны живым тканям и, следовательно, они могут быть использованы для имплантации, в то время как вторые – это любые материалы, производимые живыми организмами (например, древесина, хлопок, ракушки, кости и т. д.). Биокерамикой называют биоматериалы, имеющие керамическую природу [3].

Биоматериал, используемый в медицинском устройстве или в контакте с биологическими системами, призванный заменить поврежденные участки организма, их отдельные органы и ткани. Например, перелом или травма кости ведет к необходимости замены поврежденной области искусственным имплантатом. При ослаблении слуха пациенту необходим слуховой аппарат. Пластическая хирургия, когда люди хотят как-то изменить черты лица или тела, тоже прибегает к помощи биоматериалов.

Биоматериалы можно условно  разделить на две группы: трансплантаты  и имплантаты. Отдельно выделяют биоматериалы, построенные из клеток или являющиеся их носителями. Первая группа – это органы и ткани, пересаженные от самого пациента или его близких родственников (например, почка, участок кости, кожа). В таком случае проблемы совместимости материала или не возникает, или, наоборот, орган отторгается, зато при удачном исходе он полностью обеспечивает необходимое функционирование.

Вторая группа представляет собой  «неживые» материалы, не имеющие непосредственного отношения к организму: полимеры, керамические блоки, скелеты кораллов и тому подобное. В случае имплантатов проблемы генетической несовместимости материала не возникает, тут встает вопрос о его принципиальной токсичности или биосовместимости. Имплантаты могут быть произведены в любом количестве, чтобы обеспечить необходимый спрос, что является их несомненным плюсом, однако полностью восстановить функции заменяемого органа они не в состоянии [4]. Наиболее широкое распространие получили биоматериалы, в состав которых входят фосфаты кальция и прежде всего гидроксилапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (ГАП).

1. Кальций-фосфатные костные цементы

Кальций-фосфатные костные цементы представляют собой смесь порошков фосфатов кальция различного состава и воды (или растворов Н₃РО₄, Na₂HPO₄). Подобная смесь превращается в ГАП даже при 37 °С в ходе схватывания (затвердевания) цемента, образуя пористую массу. Продолжительность схватывания может быть уменьшено до нескольких минут. Классической является фосфатная цементная система, в основе которой лежит реакция

2 CaHPO₄ + 2 Са₄Р₂О₉ = Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.    (1)

Гидрофосфат CaHPO₄ — более кислое (мольное соотношение Са/Р = 1 < 1,67 для ГАП), а тетракальциевый фосфат – более основное соединение (Ca/P =2 > 1,67) по сравнению с гидроксиапатитом, то есть реакция (1) может рассматриваться как своего рода реакция нейтрализации. К достоинствам фосфатных цементов следует отнести их высокую биоактивность и биосовместимость. Кроме того, цементной массе легко придать любую форму, что очень удобно при заполнении костных дефектов или пломбировании зубных каналов. Если удастся повысить их прочность, то фосфатные цементы смогут заменить собой цементы на основе полиметилметакрилата, которые используются для фиксации костей и имплантатов [1].

2. Композиционные материалы фосфат кальция – полимер

Стремление улучшить механические характеристики кальций-фосфатной керамики привело к созданию композиционных материалов на основе фосфатов кальция и различных полимеров. В подобной линии развития биоматериалов можно усмотреть общую тенденцию современного материаловедения к широкому использованию композиционных материалов, но, вероятно, важнее увидеть здесь попытку учиться у природы, попытку доступными для современной науки средствами моделировать состав и организацию костной ткани. В настоящее время в качестве органической составляющей используют биодеградируемые полимеры: желатин, коллаген, полигликолиды, полилактиды.

Композиты ГАП – коллаген по химическому составу соответствуют реальной кости, хотя и не обладают соответствующей структурной организацией. Такие композиты могут быть получены, например, прессованием в течение нескольких дней смеси коллагена и порошка гидроксиапатита или осаждением кристаллов ГАП из растворов, имеющих состав межтканевой жидкости, на коллагеновые волокна. В первом случае получаются материалы с довольно низкими механическими характеристиками. Вторая методика моделирует не только состав, но и механизм образования костной ткани (минерализация органического матрикса). По этой причине подобный прием называют биомиметическим, то есть воспроизводящим природный процесс. Расстояние между волокнами коллагена определяет размер растущих кристаллов апатита. Полученный таким образом пористый материал характеризуется высокой биоактивностью, большей, чем ГАП и коллаген в отдельности.

Осознание того факта, что ГАП-коллагеновые композиты по своему составу тождественны костной ткани и фактически являются источником минеральных и органических веществ для костных клеток, привело к возникновению регенерационного подхода, в котором акцент делается не на замещение дефекта имплантатом с подходящими механическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материала и замену его костной тканью. При этом имплантируемый композит первоначально играет роль опорного и направляющего элемента, способствующего росту костной ткани, а в дальнейшем постепенно рассасывается. Конечно, желательно, чтобы имплантат обладал и приемлемым уровнем механических характеристик и мог бы нести нагрузку в послеоперационный период до полной замены его костной тканью [1].

3. Стеклокерамические биоматериалы

Как известно, обычное  стекло представляет собой достаточно быстро охлажденный расплав, содержащий оксиды Na₂O, CaO, SiO₂, а также другие оксидные добавки. Биоактивные стекла содержат в своем составе оксиды Na₂O, CaO, SiO₂, P₂O₅. При создании большинства биостекол используется состав 45S5 (массовое содержание, %): 24,5 Na₂O, 24,5 CaO, 45 SiO₂, 6 P₂O₅. Изменяя состав, можно в широких пределах управлять биоактивностью таких материалов. Медленное охлаждение расплава указанных оксидов по специальным температурным режимам дает возможность 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 нечто инородное, напротив, серия биохимических реакций 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 и быть настолько прочным, что перелом произойдет в любом другом месте, но не в зоне срастания. Для сравнения, слой волокнистой соединительной ткани в случае имплантирования биоинертной керамики имеет толщину порядка 1 мкм

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 – SiO₂·xH₂O на поверхности имплантата. Отрицательно заряженные гидроксильные группы поверхности слоя кремневой кислоты притягивают из окружающего раствора межтканевой жидкости ионы Са²⁺, заряд поверхности становится положительным, затем на поверхность осаждаются фосфат-ионы – происходит рост слоя гидроксиапатита.

Механические характеристики биостекол ниже, чем их биосовместимость и активность. В силу этого биостекла находят применение в качестве малых или слабонагружаемых имплантатов в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии [1].

2. Виды биокерамики

В состав кости входят три основные группы веществ: белок коллаген (25 мас. %) – органическая составляющая костной ткани (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).

Коллаген придает тканям организма необходимую механическую прочность при деформациях типа растяжения и изгиба. Прочность костной ткани на сжатие обусловлена минеральной составляющей – фосфатами кальция (преимущественно в форме упомянутого ранее гидроксилапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂). Кристаллы ГАП присутствуют в кости в форме пластин с размерами 50 × 20 × 5 нм, ориентированных определенным образом по отношению к оси коллагеновых волокон.

Биоматериалы для изготовления имплантатов, помимо структурного подобия костной ткани, должны удовлетворять ряду требований к составу и физико-химическим свойствам:

• химические свойства – отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями, отсутствие коррозии;
• механические характеристики биокерамики должны быть близкими к таковым для кости (например, различие в упругости может привести к утрате имплантата вследствие резорбции находящегося с ним в контакте костного вещества);
• биологические свойства – отсутствие реакций со стороны иммунной системы организма, срастание с костной тканью, стимулирование процесса образования костной ткани (остеосинтеза);
• 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;
• биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные) – керамика на основе тугоплавких оксидов (Al₂O₃, ZrO₂);
• биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью) – композиционные материалы типа биополимер – фосфат кальция, керамика на основе фосфатов кальция, биостекла [1].

1. Биоинертная керамика

Два свойства керамики: химическая инертность и высокая прочность  делают привлекательной в качестве материала для изготовления имплантатов.

К сожалению, оба этих достоинства имеют свою обратную сторону. Так, устойчивость керамики по отношению к среде организма приводит к тому, что кость не может врасти в имплантат, и место контакта заполняется волокнистой соединительной тканью, которая механически охватывает инородное тело. Такой контакт не может быть прочным. Хорошие прочностные характеристики керамики оборачиваются ее повышенной жесткостью. Представим себе модель керамического имплантата в кости в виде двух состыкованных разнородных материалов: один из них – с малой прочностью и жесткостью (кость), другой – с высокой (керамика). Если приложить к такой системе механическую нагрузку, то она распределится неравномерно: большую часть возьмет на себя жесткий керамический элемент. При отсутствии привычной нагрузки клетки костной ткани запускают процесс растворения кости, которая приводит к развитию остеопороза – болезни, заключающейся в уменьшении массы костей за счет развития их пористости. Остеопороз в сочетании с изначально непрочным контактом керамика – кость означает, что в приконтактной области кости вероятность перелома особенно велика.