Курсовая работа
«Биоматериалы»
Иваново, 2021
РЕФЕРАТ
Отчет 42 с., 10 рис., 2 табл., 46 источников
Ключевые слова: биоматериалы, биокерамика, гидроксиапатит, биосовместимость, нетоксичность, живая ткань, медицинские изделия, протезирование
В работе представлено обобщение разрозненной информации о биоматериалах, предназначенных для медицинских целей. Рассмотрены проблемы, возникающие в тех случаях, когда мы пытаемся рассматривать конкретный материал в качестве биоматериала. Представлены требованиях к материалам, используемым для протезирования, а также классификация биокерамики по отношению к живой ткани, взаимодействие биоматериалов с живой тканью. Традиционно основными требованиями, предъявляемыми к биоматериалам, являются нетоксичность и высокая механическая прочность. Показано, что внедрение некоторых биоматериалов в костную ткань стимулирует появление на их поверхности новой кости и заживление области хирургического вмешательства.
СОДЕРЖАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ БИОМАТЕРИАЛОВ
1.1 Первое поколение биоматериалов
1.2 Второе поколение биоматериалов
1.3 Биоматериалы третьего поколения
1.4 Биоматериалы четвертого поколения
ГЛАВА 2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫМ ДЛЯ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ
ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ БИОКЕРАМИКИ ПО ОТНОШЕНИЮ К ЖИВОЙ ТКАНИ (БИОИНЕРТНАЯ, ПОРИСТАЯ, БИОАКТИВНАЯ, РЕЗОРБИРУЕМАЯ)
ГЛАВА 4. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ZRO2, ГИДРОКСИ- И ФТОРАППАТИТА
ГЛАВА 5. МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИОКЕРАМИКИ С ЖИВОЙ ТКАНЬЮ
ГЛАВА 6. КЕРАМИКА ДЛЯ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ ЗУБОВ
6.1 Состав, характеристики и классификация
6.2 CL-I (порошок/жидкость)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ПММА-органическое стекло
ГАП-гидроксиапатит
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Основная черта нового тысячелетия - гуманизация различных сфер нашего бытия. Гуманистическое мировоззрение диктует возрастающий интерес к увеличению качества и продолжительности человеческой жизни. Достижение подобной цели предполагает, в частности, создание материалов для искусственных органов и тканей. За последние 30 лет прошлого века 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 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 биоматериалов для замены и лечения больных или поврежденных частей тела».
Исследования, разработка и производство биоматериалов составляют существенный сегмент современного рынка наукоемких технологий. Можно дать следующую осторожную оценку параметров рынка биоматериалов: емкость ?2,3 млрд долл., прогнозируемый годовой прирост составляет 7-12%, объемы требуемых материалов оцениваются на уровне десятков тонн. Число больных, нуждающихся в операциях по восстановлению целостности кости, довольно велико: для США эта цифра составляет 1 млн человек и более ежегодно. биокерамика протезирование зуб ткань
В настоящее время одним из наиболее эффективных способов лечения заболеваний является пересадка органов. Однако, существует серьезная проблема -- нехватка трансплантируемых тканей и органов. Поэтому в последнее время активно разрабатываются новые материалы и медицинские устройства, которые могли бы заменить естественные трансплантаты.
Пожалуй, одной из самых важных проблем, встающих при применении новых медицинских материалов, является их безопасность. Введение биоматериала в организм иногда приводит к большим проблемам. Часто это обусловлено неправильным выбором материала. В настоящее время разработаны требования, предъявляемые к биоматериалу. Все материалы медицинского назначения должны проходить строгую проверку на безопасность, и только после этого их можно использовать. Тем не менее, несмотря на множество испытаний, никогда нельзя быть уверенным, что биоматериал абсолютно безопасен, и поэтому большое значение имеет послепродажное наблюдение за материалом. Это позволяет понять его недостатки, так и оценить достоинства.
Успешность применение нового материала определяется его свойствами и степенью биосовместимости. Поэтому разработка новых материалов должна быть основана на междисциплинарном взаимодействии материаловедов, инженеров, биологов и медиков.
Цели и задачи работы. Цель исследования - обобщение разрозненной информации о биоматериалах, предназначенных для медицинских целей, их свойствах, и характеристиках, требованиях к материалам, используемым для протезирования, а также взаимодействие биоматериалов с живой тканью.
Научная новизна. Теоретически обоснована возможность применения биоматериалов в медицине. В работе дан обзор некоторых биоматериалов, требования к материалам, используемых для протезирования и классификация биокерамики по отношению к живой ткани. Рассмотрены проблемы, возникающие в тех случаях, когда мы пытаемся рассматривать конкретный материал в качестве биоматериала. Показано, что внедрение некоторых биоматериалов в костную ткань стимулирует появление на их поверхности новой кости и заживление области хирургического вмешательства.
Практическая значимость. За последние 30 лет использовано более 100 различных материалов для лечения, восстановления и замены практически всех частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокна, костную ткань. Современные материалы применяются для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочных материалов в стоматологии, имплантатов в челюстно-лицевой хирургии, медико-косметических средств. Именно успех в создании биоматериалов открывает дорогу к увеличению продолжительности жизни человека, а нанотехнологии и активно развивающиеся в последнее время бионанотехнологии занимают здесь одно из первых мест.
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ БИОМАТЕРИАЛОВ
1.1 Первое поколение биоматериалов
Идея использования искусственных материалов с целью замены органов и тканей человека известна давно. Однако реальное развитие биоматериалов стало возможным лишь в конце XIX столетия после появления анестезии, понятий асептики и антисептики и открытия рентгена. До тех пор попытки использовать биоматериалы не были успешными. Нерешенными проблемами оставались также растворение инородной костной ткани и отторжение имплантатов. Проблема инфицирования остро стоит и в наше время, так как переносимые кровью бактерии могут внедриться в имплантат и сформировать биологическую пленку, защищающую их, например, от антибиотиков.
Костные пластины для фиксации переломов конечностей используют более ста лет. Давно известно, что инородные тела типа пуль могут существовать в организме человека многие годы. Это навело на мысль о возможности использовать внутренние протезы. Однако, первые попытки были неудачными, главным образом, из-за неправильного выбора материала имплантата. В организме человека ванадиевая сталь корродируют. После появления нержавеющих сталей и хромокобальтовых сплавов позволило достичь хороших результатов при фиксации переломов.
Первая попытка замены головки бедра была предпринята еще в 1938 году, положительных результатов удалось достичь только после 1958 года, когда Чарнли разработал клеющий материал для фиксации протеза. Этим материалом был синтетический ПММА, называемый также оргстеклом. Ранее ПММА применяли в стоматологии с целью протезирования, а использовать его для фиксации протеза головки бедра предложил Д. Смит, дантист из Манчестерского университета.
Со времен Второй мировой войны было известно, что летчики, получившие проникающие ранения осколками стекол из ПММА, после заживления ран не страдали от отравления этим материалом. На основе этого наблюдения в 1940-х годах ПММА начали применять для замены роговицы глаза.
ПММА оказался очень эффективным материалом для фиксации имплантатов из нержавеющей стали, и с этой целью его используют до сих пор.
Несколькими годами позже хирург-ортопед Брэйнмарк случайно открыл необычную реакцию организма на титан. Он исследовал на кролике течение крови через периферийные кровеносные сосуды при помощи стеклянного окошка, помещенного в титановое кольцо. Когда исследователь попытался удалить это окошко, то оказалось, что сплав прирос к хрящу. Дальнейшие эксперименты показали, что реакция организма на титан отличается от реакции на нержавеющую сталь или хром-кобальтовые сплавы. В случае нержавеющей стали вокруг имплантата образуется герметизирующий волокнистый материал. Такая защитная реакция организма на внедрение инородного тела характерна и для многих синтетических полимерных материалов, в том числе и ПММА. Вокруг титана волокнистая ткань не образуется, и металл контактирует непосредственно с костью, в результате роста которой, он оказывается как бы вросшим в нее. Брэйнмарк назвал такую реакцию организма оссеинтеграцией, характеризуемой связью кости непосредственно с имплантатом, без образования защитной волокнистой капсулы. Это открытие привело к созданию бесклеевой фиксации искусственных суставов из сплава Ti6Al4V и зубных протезов из чистого титана.
В сердечно-сосудистой хирургии было замечено, что некоторые материалы работают в контакте с кровью лучше, чем другие. При порезе защитное поведение организма состоит в местном сворачивании крови и формировании уплотнения, останавливающего кровотечение. Так как вставка имплантата без местного повреждения ткани пока невозможна, то, когда кровь входит в контакт с инородным телом, происходит ее частичное сворачивание. Это осложняет разработку устройств, непосредственно контактирующих с кровью, например искусственных кровеносных сосудов, искусственного сердца, оксигенаторов и аппаратов диализа почки.
Постепенно стало понятно, что разные материалы вызывают принципиально различную реакцию живого организма. Для преодоления проблем, связанных с использованием синтетических материалов, необходимо было разработать интеллектуальные биоматериалы -- «материалы, активно взаимодействующие с биологическим окружением для достижения желаемого результата».
1.2 Второе поколение биоматериалов
В процессе разработки биоматериалов первого поколения стало очевидно, что они имеют множество недостатков, особенно при длительных сроках использования. Если имплантат несет значительную механическую нагрузку, важно, чтобы механические напряжения передавались от него к кости. Кость является исключительно интеллектуальным материалом. Если она не испытывает нагрузки, то уменьшает свою прочность. От этой проблемы страдают космонавты, проводящие долгое время в невесомости. Напротив, в местах, где кость испытывает высокие нагрузки, она пытается их компенсировать, образуя дополнительные костные слои. Примером является костная мозоль, появляющаяся при заживлении перелома. Если нагрузка слишком высока, кость нарастает, чтобы снизить уровень напряжения и избежать разрушения. При лечении зубов интеллектуальное поведение кости используют, чтобы сдвинуть их положение по эстетическим или функциональным причинам. Такое поведение зубной ткани является основанием ортодонтии.
Форма и жесткость протеза тазобедренного сустава сильно отличаются от характеристик натуральной кости. Успех использования первых протезов был частично обусловлен возрастом пациентов, которые в большинстве своем были старше 65 лет. Такие люди не слишком активны, и напряжения, которые испытывают имплантат и окружающая кость, не так высоки, как у молодых и активных пациентов. Однако существует спрос и на замену сустава физически активным людям. Это накладывает серьезные требования к имплантату.
Большая нагрузка может привести к разрушению имплантата или окружающего его волокнистого материала. Кроме того, микросдвиги в области контакта кости с ПММА-цементом могут привести к разрушению соединения или потере герметичности волокнистого материала вокруг имплантата.
Работа с титаном показала, что некоторые материалы могут стимулировать чрезвычайно интересную реакцию кости. Возможность бесклеевой фиксации сплавов титана инициировала разработки имплантатов, испытывающих в процессе эксплуатации более низкие нагрузки, что увеличивает их долговечность. Титан и его сплавы являются оссеинтегрируемыми, и после заживления возможен их прямой контакт с костью без образования мягкой волокнистой оболочки.
Некоторые исследователи объясняли оссеинтеграцию титана появлением поверхностной окисной пленки ТiO2, однако это, видимо, только одна из причин наблюдаемого явления. Сейчас признано, что второй причиной является осторожное хирургическое вмешательство, позволяющее избежать омертвения костной ткани.
Внедрение некоторых биоматериалов в костную ткань стимулирует появление на их поверхности новой кости и заживление области хирургического вмешательства. Примером таких материалов являются синтетический гидроксиапатит, биоактивные стекла (например, так называемое биостекло) и некоторые стеклокерамики. Хотя механизм их действия достоверно не известен, существуют две теории, подтверждаемые экспериментальными данными. Согласно первой, на поверхность такого материала из биологического окружения адсорбируются определенные белки, которые стимулируют рост костных клеток и процесс заживления. В некоторых биоматериалах типа биостекла этому предшествуют ионообменные реакции на поверхности внедрения и появление слоя фосфата кальция. Считается, что эта реакция способствует формированию прямых химических связей между биостеклом и минеральной фазой новообразованной костной ткани.
1.3 Биоматериалы третьего поколения