Материалы, использующиеся в медицине

Появление сплавов с эффектом памяти формы привело к созданию щадящих имплантатов. Они обладают способностью создавать постоянное по величине напряжение и поддерживать его в течение длительного времени. Разработаны сплавы с памятью формы, что позволило создавать имплантаты с принципиально новыми функциональными свойствами,  которые не разрушаются при многократном механическом воздействии,  проявляют эластичные свойства и оказывают силовое сопротивление в течении длительного времени. Эти материалы применяют в различных областях медицины, таких как травматология, общая хирургия,  стоматология,  урология, сосудистая хирургия и т.д.

 

2.1 Классификация биоматериалов

По способу происхождения биоматериалы делятся на материалы природного и синтетического происхождения, предназначенные для контакта со средой живого организма и используемые для изготовления медицинских изделий и устройств. Из биоматериалов могут быть сформированы пленки, губки, гели, микросферы и другие формы, которые удобны для использования в конкретном случае их клинического применения.

Также биоматериалы можно классифицировать по способу использования, которых достигается тот или иной эффект на трансплантаты и имплантаты.

 Трансплантаты – природный биоматериал, используется при пересадке органов. Если натуральный трансплантат приживается, то поврежденный орган, нуждающийся в помощи, полностью восстанавливает свои жизненные функции. При этом типе биоматериалов возникает проблема не совместимости и вследствие этого, отторжение трансплантируемого органа. Так же не маловажной проблемой является нехватка биоматериала необходимого для трансплантации.

Имплантаты – искусственно созданные полимерные, керамические и многие другие биоматериалы. Данный тип материала может быть произведен в любых необходимых количествах. К тому же не стоит бояться отторжения или несовместимости на генном уровне. Другой вопрос, что имплантаты того или иного рода могут выделять вредные для организма вещества и насколько хорошо они приживутся в тканях, вызывает много вопросов.

Биоматериал должен быть биосовместимым и может быть биодеградируемым.

Биосовместимым является материал, который обладает способностью вырабатывать соответствующий отклик хозяина при специфическом его использовании. Это определение сформулировано на совещании рабочей группы, прошедшем в Амстердаме (Williams, 1987). Авторы делают акцент на том, что биосовместимость - это не полное отсутствие токсичности или иных отрицательных свойств, а требование того, чтобы материал при имплантации вел себя адекватным образом, позволяющим выполнить поставленную задачу. В.И. Севастьянов (1999), анализируя имеющуюся информацию, выделяет следующие основные свойства биосовместимых материалов:

• Биоматериалы не должны вызывать местной воспалительной реакции;

• Биоматериалы не должны оказывать токсического и аллергического действия на организм;

• Биоматериалы не должны обладать канцерогенным действием;

• Биоматериалы не должны провоцировать развитие инфекции;

• Биоматериалы должны сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации.

Биосовместимые материалы и устройства действуют или функционируют гармонично и согласованно при нахождении в организме или контакте с биологическими жидкостями, не вызывая заболевания или болезненных реакций. Следует подчеркнуть, что никакой биоматериал, вероятно, за исключением того, который будет получен с помощью генной инженерии и клонирования, не может быть абсолютно биосовместимым.

Следовательно, реально существующая практика позволяет говорить лишь о существовании относительно биосовместимых и безопасных биоматериалов. Они могут находиться в организме в течение длительного периода времени, достаточного для выполнения своей функции, не вызывая в нем развития негативных реакций.

Процесс разложения нежизнеспособных материалов при контакте с живыми тканями, клетками и биологическими (телесными) жидкостями получил название биодеградация (БД). Механизм биодеградации  может быть самый разнообразный - от коррозии металлов, фагоцитоза кальциофосфатов и коллагена, до Химического замещения кораллов на гидроксиапатит.

Биодеградируемые материалы и устройства могут частично или полностью растворяться, поглощаться макрофагами, включаться в метаболические и биохимические процессы и/или заменяться живой тканью.

Классификация биоматериалов, имплантируемых в костную ткань: биотолерантные, биоинертные и биоактивные.

Биотолерантные материалы включаются в кость через механизмы дистантного остеогенеза. При этом они отделяются от костной ткани прорастающим массивным фиброзным слоем. В качестве примера таких веществ могут быть метакрилаты или виталиум, ПМА, витамины (Osborn, Hewesely, 1980; Bruijn, 1993).

Биоинертные материалы практически не взаимодействуют с окружающими тканями, не вызывают образования выраженного фиброзного слоя и стимуляцию остеогенеза. При этом кость может формироваться в непосредственной близости от поверхности имплантата. Примером таких соединений может быть металлокерамика из оксида титана, ванадия, циркония и алюминия. Биоинертные материалы, как правило, имеют на своей поверхности защитный слой, который препятствует выходу из имплантата ионов и проникновению в него агрессивных молекул из окружающей биологической жидкости (Hench, Wilson, 1993; Nevelos, 2000; Murakami et al., 2000; Mu et al., 2000; Villermaux, 2000).

Под биоактивными материалами (БАМ) подразумевают биоматериалы, предназначенные для связывания их с биологическими системами с целью повышения эффективности лечения, образования или замещения любой ткани, органа при выполнения тех или иных функции организма (Williams et al., 1992). В настоящее время среди семейства БАМ выделяют 5 основных категорий:

1. Кальциофосфатная керамика.

2. Стекло и стеклокерамика.

3. Биоактивные полимеры.

4. Биоактивные гели.

5. Композиты.

В травматологии и ортопедии некоторые авторы выделяют еще одну группу, получившую название костеосвязывающие имплантаты (КСИ). Они могут рассматриваться как подгруппа биоактивных и биотолерантных материалов, обладающих способностью к установлению связи между биоматериалом и костным матриксом (Williams, 1992; Hench, Wilson, 1993). При этом костная ткань может проникать в имплантат механическим путем (механическое связывание), за счет, например, врастания в поры материала. Такой процесс наблюдается при использовании пористых материалов, в частности кораллов, металлов, полученных с помощью порошковой металлургии, кальциофосфатов, полимеров и др. Другой механизм лежит через образование химических связей между имплантатом и костью - химическое связывание, наблюдаемое, например, при использовании некоторых полимеров и биостекол. Третий путь взаимодействия имплантата и костной ткани реализуется за счет включения биоматериала в структуру костной ткани через механизмы биодеградации, ремоделирования и остеоинтеграции (биологическое связывание). С точки зрения биомеханики, наиболее прочную и функциональную связь дают только имплантаты третьего типа, к которым относятся кальциофосфатные (КФ) биоматериалы (Groot, 1981; LeGeros, 1991).

По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом (L.L.Hench Bioceramics. J.Am.Ceram.Soc., 1998, 81(7), p.1705-28):

1)токсичные (если 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Особенности  структуры костной ткани

Состав и строение естественной костной ткани – биологические аспекты. В состав костей входят как органические, так и неорганические вещества; количество первых тем больше, чем моложе организм; в связи с этим кости молодых животных отличаются гибкостью и мягкостью, а кости старых – твёрдостью и хрупкостью.

Минеральная составляющая кости – это кальций дефицитный, изоморфно-замещенный гидроксиапатит Са9(HPO4)(PO4)5(OH)2 с изоморфными замещениями c Na, Mg ® Ca; CO3 ® PO4, OH. Кристаллы гидроксиапатита присутствуют в кости в форме пластин с размерами 50×20×5 нм, ориентированных определенным образом по отношению к оси коллагеновых волокон. У взрослого человека количество минеральной части составляет около 60 – 70 % веса кости, а органическое вещество (главным образом коллаген) – 30 – 40 %. Выделяют до семи уровней организации костной ткани – кости, остеон, ламели, волокно, фибрилла, гидроксиапатит и коллаген, а также различные характеры укладки коллагеновых молекул. Органический костный матрикс и неорганическая составляющая образуют своеобразный композиционный материал.

В костях различают плотное и губчатое костное вещество. Первое отличается однородностью, твёрдостью и составляет наружный слой кости; оно особенно развито в средней части трубчатых костях и утончается к концам; в широких костях оно составляет 2 пластинки, разделённые слоем губчатого вещества; в коротких оно в виде тонкой плёнки одевает кость снаружи. Губчатое вещество состоит из пластинок, пересекающихся в различных направлениях, образуя систему полостей и отверстий, которые в середине длинных костей сливаются в большую полость.

Костная ткань состоит из взаимодействующих структур (рис. 1):

- клеток кости,

- межклеточного органического  матрикса кости (органического скелета  кости),

- основного минерализованного  межклеточного вещества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Клетки костной ткани

 

Клетки занимают всего лишь 1-5% общего объёма костной ткани скелета взрослого человека. Различают четыре типа клеток костной ткани.

Остеобласты - ростковые клетки, выполняющие функцию создания кости. Они расположены в зонах костеобразования на внешних и внутренних поверхностях кости.

Остеокласты - клетки, выполняющие функцию рассасывания, разрушения кости. Совместная функция остеобластов и остеокластов лежит в основе непрерывного управляемого процесса разрушения и воссоздания кости. Этот процесс перестройки костной ткани лежит в основе адаптации организма к многообразным физическим нагрузкам за счет выбора наилучших сочетаний жесткости, упругости и эластичности костей и скелета.

Остеоциты - клетки, происходящие из остеобластов. Они полностью замурованы в межклеточном веществе и контактируют отростками друг с другом. Остеоциты обеспечивают метаболизм (белков, углеводов, жиров, воды, минеральных веществ) костной ткани. Недифференцированные мезенхимальные клетки кости (остеогенные клетки, контурные клетки). Они находятся главным образом на наружной поверхности кости (у надкостницы) и на поверхностях внутренних пространств кости. Из них образуются новые остеобласты и остеокласты.

Межклеточное вещество представлено органическим межклеточным матриксом, построенным из коллагеновых (оссеиновых) волокон (≈90-95%) и основным минерализованным веществом (≈5-10%).

Коллаген внеклеточного матрикса костной ткани отличается от коллагена других тканей большим содержанием специфических полиполипептидов. Коллагеновые волокна в основном расположены параллельно направлению уровня наиболее вероятных механических нагрузок на кость и обеспечивают упругость и эластичность кости.

Основное вещество состоит главным образом из экстрацеллюлярной жидкости, гликопротеидов и протеогликанов (хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота). Функция этих веществ пока не вполне ясна, но несомненно то, что они участвуют в управлении минерализацией основного вещества - перемещением минеральных компонентов кости.

Минеральные вещества, размещенные в составе основного вещества в органическом матриксе кости представлены кристаллами, построенными главным образом из кальция и фосфора. Отношение кальций/фосфор в норме составляет ≈1,3-2,0. Кроме того, в кости обнаружены ионы магния, натрия, калия, сульфата, карбоната, гидроксильные и другие ионы, которые могут принимать участие в образовании кристаллов. Каждое коллагеновое волокно компактной кости построено из периодически повторяющихся сегментов. Длина сегмента волокна составляет ≈64 нм (64•10-10 м). К каждому сегменту волокна примыкают кристаллы гидроксиапатита, плотно его опоясывая.

Помимо того, сегменты примыкающих коллагеновых волокон перекрывают друг друга. Соответственно, как кирпичи при кладке стены, перекрывают друг друга и кристаллы гидроксиапатита. Такое тесное прилегание коллагеновых волокон и кристаллов гидроксиапатита, а также их перекрытия, предотвращают «разрушение сдвига» кости при механических нагрузках. Коллагеновые волокна обеспечивают эластичность, упругость кости, ее сопротивление растяжению, в то время как кристаллы обеспечивают её прочность, жесткость, ее сопротивление сжатию. Минерализация кости связана с особенностями гликопротеидов костной ткани и с активностью остеобластов.