Материалы, использующиеся в медицине

4 Биоматериалы, используемые  в ортопедии

Высокие показатели реконструктивно-восстановительных операций на костной системе в немалой степени связаны с достижениями в материаловедении по сознанию новых имплантационных материалов. Биоматериалы – это вещества, натуральные или искусственные, находящиеся во временном или постоянном контакте с любыми тканями человеческого организма. К искусственным биоматериалам относятся:

• Металлы и их сплавы

• Деградируемые биополимеры

• Корундовая керамика

• Кальций-фосфатная керамика (КФК)

• Стеклокерамика

• Волокнистый углерод

• Искусственные сапфиры

• Композиты различного состава

4.1 Керамические  биоматериалы в травматологии  и ортопедии

Корундовая керамика

В результате экспериментов было доказано, что корундовая керамика соответствует основным требованиям, предъявляемым к биоматериалам, а именно – отсутствие токсичности и биологическая совместимость. Данный материал является биоинертным, то есть, способен в течении длительного времени сохранять постоянство своего состава и структуры благодаря отсутствию локального взаимодействия с тканями и системного влияния на организм, либо минимально выраженному химическому, электрохимическому и каталитическому проявлению на поверхности материала.  
На основании данных литературы и экспериментальных исследований, установлено, что специфика корундовой керамики связана с её свойствами, обусловленными химическим составом и структурой. Вокруг данного биоматериала не наблюдается некроза окружающих тканей. Для корундовой керамики характерна нерастворимость, способность переносить высокие механические нагрузки и биоинертность.   Также, корундовая керамика обладает таким важным свойством, как  остеотропизм (наличие прямого контакта с костной тканью без образования соединительнотканной прослойки). В случае применения корундовой керамики с шероховатой поверхностью или пористых образцов, появляется важное свойство – остеокондуктивность. Это означает – врастание кровеносных сосудов в поры керамического материала, что способствует образованию грубоволокнистой или пластинчатой костной ткани (в зависимости от диаметра пор). За счет образования костной ткани в порах корундовой керамики формируется прочное костно-керамическое соединение, что позволяет использовать данный вид керамики в участках скелета, подвергающимся постоянным нагрузкам.

Кальций-фосфатная керамика (КФК)

В последние годы интенсивно изучается и применяется биоактивная керамика на основе кальция и фосфора. Отличительной особенностью кальций-фосфатной керамики от корундовой является близость КФК по свойствам к природному гидроксилапатиту. Таким образом кальций-фосфатной керамике присущи следующие свойства:

• Биоактивность

• Биодеградируемость

• Изоморфность

Биоактивность КФК подразумевает высокое сходство по структуре с костной тканью. Способность имплантата к растворению и клеточно-опосредованной резорбции характеризует биодеградируемость материала. Под изоморфностью следует понимать способность кальций-фосфатной керамики заменять ионы Са ионами Mg, Na, Al, Ag а также гидроксильных групп на ионы F и Cl, что придает материалу новые качества и свойства.  

Материалы, обладающие биоактивными свойствами, способны к кинетической модификации поверхности и участии в образовании поверхностного реактивного слоя и химической связью с костной тканью. Таким образом на поверхности кальций фосфатной керамики формируется связывающий слой из микрокристаллов гидроксилкарбонатапатита, структурно и химически идентичному минеральному компоненту кости. 
Важными свойствами КФК является остеокондуктивность (способность костной ткани расти на поверхности имплантата) и остеоинтеграция (взаимодействие  макромолекул кости и керамики). 
В костном дефекте в послеоперационном периоде наблюдается снижение уровня pH, что также обеспечивает  химическое растворение и уровень биодеградации имплантата. При проведении реконструктивно-восстановительных операций необходимо учитывать скорость биодеградации материала.

«Гибридные» биоматериалы

Данные материалы обладают выраженными остеоиндуктивными свойствами, обеспечивающими стимуляцию собственных репаративных возможностей организма пациента. Это достигается посредством насыщения керамик биостимуляторами, к которым относятся костные морфогенетические белки или факторы роста, а также, сочетание керамики с культивируемыми стромальными клетками, повышающими регенерацию костной ткани. Достоинством керамических материалов с мезенхимальными клетками является способность последних секретировать специфические факторы роста.

Из всего вышесказанного можно сделать следующий вывод: синтетические биоматериалы на основе керамик широко используют при проведении реконструктивно-восстановительных операций на костной ткани. К преимуществам данных материалов относятся:

• Высокая тропность к костной ткани

• Способность формировать плотное костно-керамическое соединение

В будущем планируется создание композитных материалов с управляемыми качествами, а введение в состав корундовой керамики и КФК медикаментозных препаратов расширяет возможности их использования  в костной онкологии.

4.2 Кальций фосфатные костные цементы

Гидроксилапатит может быть синтезирован в водной среде из смеси различных фосфатов, таких, как: СаНРО4⋅2Н2О, Са4(РО4)2О, СаНРО4, Са8Н2 (РО4) 6⋅5Н2О, СаНРО4⋅Н2О, α-ТСР.

Такая процедура может приводить к формированию гидроксилапатита при 37 в течении нескольких минут.  Кальций фосфатные костные цементы представляют собой смесь порошков различного состава: СаНРО4⋅2Н2О, Са4(РО4)2О, СаНРО4, Са8Н2(РО4)6⋅5Н2О, Са(Н2РО4)2⋅Н2О, ТСР и воды (или растворов Н3РО4, Na2HPO4). Эта смесь превращается в даже при 37 в ходе "схватывания" (затвердения)  цемента, формируя пористую массу. Время "схватывания" может быть уменьшено до нескольких минут.  Рассасывание цементной после контакта с кровью может быть предотвращено добавками альгината натрия. К достоинствам фосфатных цементов следует отнести их высокую биоактивность, биосовместимость.  Главные же их недостаток – низкие прочностные характеристики.  Цемент легко формуется,  что,  в отличие от использования гранул или блоков гидроксиапатита,  создает дополнительные удобства а его использовании при заполнении костных дефектов.  В случае улучшения их механических характеристик, фосфатные цементы могут заменить собой цементы на основе PMMA (полиметилметакрилат), которые используются для фиксации костей и имплантатов. 

Фосфатные цементы могут использоваться для пломбировки зубных каналов, в системах переноса лекарственных средств.  Кристаллы апатита, образующиеся со временем после твердения цементной смеси, имеют небольшие размеры (50 нм шириной и 1000 нм длиной).  Малые размеры кристаллитов,  их неупорядоченность,  наличие пор – все это приводит к лучшей резорбции цементных материалов.

Заключение

Ученые продолжают трудиться над разработкой новых видов биоматериалов. Ширится также и спектр их применения. В будущем ученые надеются разработать такой биоматериал, который будет восстанавливать все ткани, которые утратили способность выполнять свои функции. При этом они полагаются на функцию самообновления нашего организма. Но каким бы головокружительным не был технологический прогресс, все-таки биоматериалы не в состоянии заменить или выполнять все функции заменяемого ими органа или ткани.