Материалы, использующиеся в медицине

Материалы, использующиеся в медицине

Содержание

Введение

1 История использования  материалов в медицине 

2 Современные биоматериалы 

2.1 Классификация биоматериалов

2.2 Применение биоматериалов 

3 Особенности структуры  костной ткани

4 Биоматериалы, используемые  в ортопедии

4.1 Неорганические биоматериалы

4.2 Органические биоматериалы

4.3 Обобщение 

5 Биоматериалы в ТПУ

6 Из ТП соз. НМ

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Заболевания и травмы, связанные с нарушением целостности кожных покровов и потерей больших фрагментов мягких тканей, костной, хрящевой и других тканей, являются одной из ключевых проблем регенеративной медицины. В случае больших по объему повреждений наряду с применением клеточной терапии и введением биологически активных веществ актуально использование биоматериалов. Согласно рекомендациям оргкомитетов V и VI всемирных конгрессов по биоматериалам, прошедшим в 1998 и 2000 годах, а также международной организации по стандартизации ISO(ISO/TR 9966), ГОСТом Р 51148-98 под биоматериалами подразумевают нежизнеспособный материал, предназначенный для контакта с живой тканью для выполнения функций медицинского назначения. Свойства биоматериалов позволяют замещать клетки, утратившие свои природные функции, тем самым восстановить функционирование поврежденного органа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 История использования  материалов в медицине

Первые биоматериалы упоминаются еще в древнем мире: около 2000 тысяч лет назад люди стали применять драгоценные металлы – золото, серебро, а в последствии платину в качестве различных имплантатов.

За последние 30 лет 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 волокона, костную ткань.

Остановимся подробнее на истории костных материалов.

 

1.1 История развития костных материалов

В качестве первых имплантатов с глубокой древности вплоть до XVIII века применялись драгоценные металлы, в основном золото и серебро, позднее также платина. В XIX веке в клиническую практику вошло использование высококачественных нержавеющих сталей. На смену им в начале XX века пришли высокопластичные танталовые, легкие титановые и высокопрочные кобальтовые и молибденовые сплавы. Большинство имплантатов на сегодняшний день металлические, широкое применение которых обусловлено их прочностью, жесткостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Первой процедурой костной пересадки традиционно считается выполненная св. Дамианом и св. Козьмой в III в. пересадка кадаверного аллотрансплантата нижней конечности пациенту с опухолью ноги [Finkemeier C.G.Bone-grafting and bone-graft substitutes // J. Bone Joint Surg. Am. 2002. Vol. 84. P. 454–464]. Понятно, что эта попытка осталась на страницах описаний как историческое событие, не имевшее какого-либо целебного успеха. Но это говорит о стремлении медицины к подбору «запасных» биологических частей для человека [Имамалиев А.С.Биологическая оценка трансплантируемых тканей. М., 1975].

В 1965 профессор Ингвар Бранемарк возглавлял группу исследователей в Университете Гетеборга (Швеция) проводивших исследования, которые, в конечном счете, привели к открытию явления остеоинтеграции (приживления титана в костной ткани). Исследования Бранемарка были направлены на изучение аспектов восстановления и регенерации кости после травмы. На основании этого явления был сделан вывод о биоинертности титана, а последующие исследования привели к созданию наиболее прогрессивной системы протезирования за всю мировую историю стоматологии и ортопедии.

Титановые имплантаты широко применяются и сегодня. Основной проблемой в применении титана для медицинского назначения является возможная цитотоксичная реакция организма на биоинертный материал. Во избежание подобной реакции на титановые имплантаты принято наносить биосовместимые покрытия, как правило, включающие в свой состав ионы кальция, фосфора и кислорода, стимулирующие рост костной ткани.

В начале 60-х годов в «Naval Ordnance Laboratory» (США) были обнаружены эффект памяти формы и сверхэластичные свойства в сплавах никеля и титана равного состава. В зарубежной литературе этот сплав был назван нитинолом по химической формуле TiNi и аббревиатуре названия лаборатории. Позже это название было вытеснено химическим — никелид титана. Изначально сплав использовался в военной и авиационной промышленности.

В СССР в начале 70-х годов в Сибири были развернуты широкомасштабные исследования по внедрению в медицину нового поколения материалов. В основе этого лежало открытие явления гистерезисного запаздывания биологических тканей, сделанное Г.Э. Гюнтером. «Живая ткань» в ответ на любое воздействие, включая механическое, в начальный момент «думает», как ей поступить, т.е. ее реакция не мгновенна, а проявляется с некоторым запаздыванием. При снятии воздействия внешних факторов реакция «живой ткани» также запаздывает, и это проявляется в том, что она некоторое время сопротивляется снятию самих внешних факторов, например, сопротивляется снятию напряжения, оставаясь в напряженном состоянии. Величина гистерезиса тканей является их конкретной характеристикой. Это означает, что оптимальный имплантат должен обладать биомеханической совместимостью с тканями организма, т.е. быть по поведению подобным живой ткани. Этому требованию удовлетворяли изделия из сплавов никеля и титана [ Гюнтер В.Э., Ходоренко В.Н., Ясенчук Ю.Ф. и др. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения. Томск: МИЦ 2006; 296.

 Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Кузнецова Н.Н. Материаловедческие и биомеханические особенности применения фиксаторов с саморегулирующимся уровнем компрессии из сплава ТН1 для остеосинтеза. Научные труды МАТИ 2007; 13: 85: 273 – 277.

 Лихачев В.А. Эффект  памяти формы. Соровский образовательный журнал 1997; 3: 107 – 114.]. Однако широкое применение этих сплавов сдерживается сложностью металлургического производства никелида титана, очень сложной технологией переработки полуфабриката в изделие с гарантированными температурами срабатывания и силовыми характеристиками и, как следствие — высокой стоимостью [ Пурецкий М.В., Иванов А.С., Тараян М.В. Опыт использования системы Amplatzer septal occlude для закрытия дефектов межпредсердной перегородки. Хирургия 2008; 2: 10 – 14.

Коллеров М.Ю., Ильин А.А., Полькин И.С. и др. Структурные аспекты технологии производства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана. Металлы 2007; 5: 77 – 85.].

В середине 90-х годов ХХ века технология производства изделий из никелида титана значительно изменилась. Использование новой технологии позволяет управлять структурой никелида титана на наноуровне и создавать изделия с заранее заданными температурными и силовыми характеристиками [Федоров А.В., Коллеров М.Ю., Рудаков С.С., Королев П.А. Применение нанотехнологически структурированного никелида титана в медицине// Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова, 2009; 2; 71]. В последние годы в Томском НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы разработаны пористые имплантаты из сплава ТН-1П на основе никелида титана. Отличием их от монолитного никелида титана является взаимодействие с тканями в виде прорастания ткани в поры имплантата [атент Российской Федерации RU 2127613 Дилататор желчных протоков. Авторы: Прокошкин С.Д.; Рыклина Е.П.; Хмелевская И.Ю.; Добродеев С.А.; Белый Ю.Н.].

Началом применения полимерных материалов в медицине следует считать 1788 год, когда во время операции А. Шумлянский прибег к каучуку. Затем в 1895 году был использован целлулоид для закрытия костных дефектов после операций на черепе. В 1939 году совместные усилия стоматологов и химиков (И. Ревзина, Г. Петрова, И. Езриелева и др.) привели к созданию полимера АКР-7 для изготовления челюстных и зубных протезов. Вскоре появился ряд пластмасс из акриловых смол, оказавшихся пригодными для глазных протезов и восстановительных операций в челюстно-лицевой хирургии. В 1943 году С. Федоровым из полиметилметакрилата впервые сделана заплата для закрытия дефекта черепа. В настоящее время этот материал широко применяется у нас в стране и за рубежом. Из него изготовляют трубки для дренирования слезного мешка, гайморовой полости, протезы кровеносных сосудов, клапанов сердца, пищевода, желудка, мочевого пузыря, желчных протоков, уретры, хрусталика глаза; штифты и пластинки для фиксации костей при переломах, полимерные сетчатые «каркасы» для соединения кишок, сухожилий, трахеи.

 

 

 

 

 

2 Современные  биоматериалы для медицины

Полимеры в медицине

Полимеры – высокомолекулярные соединения (ВМС),  вещества с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы,  соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи,  а также пространственные трехмерные структуры. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества.  Большое число ВМС получают синтетическим путем на основе простейших соединений и элементов нефтяного, углехимического, лесохимического и минерального происхождения в результате реакций полимеризации,  поликонденсации и химических превращений одних полимеров (природных и синтетических) в другие.

В настоящее время из полимеров изготавливается более трех тысяч различных видов медицинских изделий. Вполне понятно, что дальнейшие успехи в этой области зависят от кооперирования и творческого содружества между химиками и медиками. Химическая промышленность выпускает различные полимеры с точным соблюдением тех требований, которые к ним предъявляют. Однако специальных полимеров для применения в медицине выпускается пока еще мало. Первостепенной задачей является разработка технических условий на «медицински чистые» полимеры, которые не оказывали бы вредного действия на организм человека.

Инертные полимеры в живом организме оставались, к большому сожалению, инородным телом, они меняли свои физические свойства, поддерживали хроническую воспалительную реакцию; длительность функционирования протезов из полимеров приносила вред живому организму, в научной медицинской литературе появились сведения о канцерогенной опасности полимеров. Поэтому стали уделять больше внимания рассасывающимся материалам, которые в процессе регенерации постепенно замещались собственными тканями живого организма.

Весьма перспективен в этом отношении природный коллаген гидробионтов и наземных животных, сочетающий только положительные качества синтетических полимеров и тканевых трансплантатов.

В современной медицине нашли широкое применение пластмассовые полимеры в реконструктивно-восстановительной хирургии,  травматологии,  ортопедии,  урологии, стоматологии, офтальмологиии др.

Керамика в медицине

Керамика – изделия из неорганических, неметаллических материалов (например, глины) и их смесей с минеральными добавками, изготовляемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением. [Сафронова Т.В., Шехирев М.А., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д., Корундовая керамика // Неорганические материалы, 2007, №8.].

В настоящее время развиваются новые направления использования перспективных керамических материалов, в том числе высокотемпературные сверхпроводники, композиционные керамические материалы специальные пористые материалы, а также биокерамические материалы для использования в медицине.

Керамические материалы в медицине применяются все ещё не достаточно широко,  хотя известны их преимущества по сравнению с металлами и пластмассами:  биосовместимость и химическая инертность.  Проблема состоит в том, что этот более стойкий к воздействию среды и практически не стареющий материал более хрупок и чувствителен к ударно-вибрационным нагрузкам,  чем пластические массы и металлы.  Однако по сравнению с металлами керамика имеет малую прочность при растяжении,  повышенную хрупкость и чувствительность к механическим и термическим ударным нагрузкам.  Поэтому в настоящее время все большее применение находят комбинации металла и керамики, композиционные полимерно-керамические материалы,  а также новые керамические материалы,  позволяющие существенно расширить область применения керамики в медицине.

Сплавы с эффектом памяти формы в медицине