После внедрения биоматериала в тело вокруг него собираются макрофаги. Если внедрение мелкое и фаги способны его охватить, они пытаются разрушить внедрение. Это явление было названо фагоцитозом. Если же инородный объект слишком велик, макрофаги прикрепляются к его поверхности, в результате чего образуется коллагеновая защитная ткань. Образование соединительной ткани является макропроцессом, но регулируется оно процессами наномасштаба, и реакция организма на биоматериал определяется свойствами поверхности.
Атаки макрофагов и последующего образования соединительной ткани можно избежать выбором биоматериала (например, Ti) или нанесением покрытия на его поверхность. Применимость первого способа ограничена малым количеством материалов, вызывающих желательную биореакцию организма. Создание покрытия является способом «перехитрить» механизм естественной защиты организма. Внедрение герметизируется тонким слоем материала, вызывающего положительную реакцию организма.
Поведение клеток зависит от их взаимодействия с поверхностью внедрения, другими клетками, субстратом и межклеточной матрицей. Следовательно, успех использования устройства зависит от сложного взаимодействия клеток и материала. Реакция клеток на синтетический материал имеет большое значение при заживлении раны. Взаимодействие клетки с поверхностью внедрения определяет характер ее поведения, например силу взаимодействия с соседями, рост, скорость перемещения и размножения. После внедрения биоматериала в ткань из межклеточной матрицы на поверхность высаживаются белки типа фибронектина, проламина, витронектина и молекулы, способствующие фиксации клеток. Микробиологи установили, что поверхность клеток покрыта множеством рецепторов, которые обеспечивают их взаимную фиксацию. Эти рецепторы включают иммуноглобулины, селектины и интегрины. Протеины взаимодействуют с рецепторами и связывают клетку с межклеточной матрицей, которая аналогична супу с разнообразными питательными компонентами типа цитокинов и компонентов роста.
Важно, чтобы на поверхность внедрения адсорбировались нужные белки, обеспечивающие положительную биореакцию организма и в конечном счете успешное использование внедрения. Если при контакте материала с кровью происходит ее сворачивание, из него нельзя делать устройства гемодиализа, искусственные кровеносные сосуды или сердечные клапаны. Контактная линза должна легко смачиваться слезой, поскольку в противном случае она повредит оболочку роговицы глаза. Аналогично, недостаточная связь протеза зуба со слизистой оболочкой приводит к инфицированию из-за проникновения бактерий в промежуток между протезом и живой тканью
Маловероятно, что существующие сейчас материалы смогут удовлетворить многочисленным требованиям к взаимодействию различных клеток с поверхностью имплантата. Следовательно, для принятия организмом биоматериала его поверхность нужно обработать для получения желательного взаимодействия с биосредой. Характер этого взаимодействия определяется особенностью применения биоматериала. Если материал имеет высокую прочность, но не вызывает требуемой биореакции организма, на него можно нанести покрытие, стимулирующее эту реакцию.
Установив факторы, определяющие взаимодействие поверхности внедрения и клетки, можно осознанно модифицировать поверхность биоматериала для изменения биореакции организма. Один из таких методов состоит в химической модификации поверхности биоматериала для адсорбции определенных белков, а другой -- в прививке биоактивных молекул на его поверхность. Особенности поверхностной модификации определяются характером требуемой реакции организма. Если имплантат подвергается воздействию бактерий, как, например, искусственные голосовые связки, адгезия клеток нежелательна. Напротив, для ортопедических имплантатов адгезия необходима.
1.4 Биоматериалы четвертого поколения
Травмы и болезни могут привести к потере живой ткани или утрате организмом способности исполнять некоторую функцию. Клиническое лечение в подобных случаях состоит в замене потерянной ткани или восстановлении утраченной функции с помощью синтетических биоматериалов и медицинских устройств. Для улучшения характеристик биоматериалов значительные усилия были направлены на выяснение взаимодействия биоматериала с живой тканью. В результате появились материалы второго поколения, часто называемые биоактивными. Однако лучшим «материалом» для любого человеческого органа остается здоровая живая ткань. Новой философией разработки биоматериалов стала инженерия живых тканей. Она состоит в биологических и технических методах создания функциональных тканей, заменяющих или улучшающих работу больных и патологических частей организма. Практически эту идею реализуют путем выращивания живых клеток на биоматериале в присутствии биоактивных молекул. После этого живые клетки и производимую ими внеклеточную матрицу вместе с подложкой вводят в организм как единую клеточно-биоматериальную структуру. Из-за применения искусственных подложек инженерия живых тканей тесно связана с материаловедением. Термин «заменяющая медицина» был введен Клеменсом ван Блиттерсвийком (Нидерланды) для определения методов лечения, основанных на совместном использовании биоматериалов и выращенных живых тканей.
Инженерия живых тканей является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки. Журнал «Тайм» поместил специалистов по инженерии живых тканей в самом верху таблицы «лучших рабочих мест будущего». Особенность инженерии живых тканей состоит в совместной работе биологов, химиков и материаловедов. Интерес к ней подпитывается политикой заботы о здоровье пожилого населения, а также ожиданием огромного воздействия на методику клинического лечения различных болезней.
До сих пор в качестве подложки биоматериалов часто использовали биодеградирующие материалы типа полилактида. Их считали идеальными, поскольку желательно, чтобы после имплантации материал постепенно исчезал. До настоящего времени попытки усовершенствовать такие подложки практически не предпринимались, хотя некоторые продукты их распада могут подавлять рост и дифференцирование клеток. Одним из перспективных направлений исследований является разработка биологически модифицированных биоматериалов, поверхность которых несет некую информацию для живых клеток, взаимодействующих с этой поверхностью. Информация может состоять в определении того, где клетки должны и где не должны высаживаться, в определении их ориентации или дифференциации. Ожидается, что подобные разработки обеспечат биоинженерам широкий выбор подложек. Вероятно, что появятся биоматериалы, поверхность которых будет содержать интеллектуальные биодеградирующие слои и биологически активные пептиды или лекарства. Такие работы ведутся, и уже есть примеры модификации поверхности для управления высаживанием определенных клеток. Используя поли(п-изопропилакриламид), Окано с соавторами разработал биоматериал с термически активной поверхностью, которая при температуре выше 32°С гидрофобна, а ниже 32°С -- гидрофильна. Таким образом, после роста клеток при температуре 37°С их можно удалить с поверхности, понизив температуру до 32°С. Это свойство, вероятно, будут использовать для снятия выращенной кожи с подложки перед перенесением на рану.
Несмотря на прогресс в описанной области, создание истинно интеллектуальных подложек -- это задача будущего. В настоящее время для выращивания определенных тканей не часто удается создать правильную морфологическую и биохимическую окружающую среду для высаживания клеток, их роста и дифференцирования. Для того, чтобы использование биоинженерных тканей стало рутиной, необходимо дальнейшее развитие биоматериаловедения, биологии и медицины. В частности, необходим прогресс в технологии выращивания клеток (включая стволовые) и биокультур.
ГЛАВА 2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫМ ДЛЯ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ
Сокращение возраста социальной и трудовой активности населения - актуальная проблема всего мирового сообщества. Одной из причин потери трудоспособности являются заболевания и посттравматические состояния, сопряженные с необходимостью реконструкции и замещения участков костной ткани, протезирования фрагментов опорно-двигательного аппарата. С точки зрения биохимической совместимости с организмом, при протезировании наиболее предпочтительны материалы, относящиеся к классу керамик [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].
Керамические материалы предпочтительны при протезировании, так как обладают высокой жаропрочностью, коррозионной и эрозионной стойкостью, износостойкостью, высокой вязкостью разрушения [1, 13, 14, 15, 16, 17, 10, 11]. Керамика - это изделия и материалы, полученные спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, оксидами металлов и других неорганических соединений (карбидами, боридами, нитридами, силицидами) [18, 19]. Биокерамика - большой класс неорганических неметаллических материалов [10]. Биокерамика может иметь кристаллическую или аморфную форму. По химическому составу делится на две группы: фосфаты кальция и другие материалы, включающие в том числе циркониевую керамику, стабилизированную иттирием, и алюминиевую керамику, силикаты и фосфаты, относящиеся к стеклам и кристаллическим стеклам (стеклокерамике) [12].
Рисунок 1- Эндопротезирование тазобедренного сустава
Биоматериалы, используемые в качестве имплантатов, должны удовлетворять следующим требованиям:
1)По химическим свойствам: отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями, отсутствие коррозии.
2)По механическим характеристикам: прочность, трещиностойкость, сопротивление замедленному разрушению (усталостному), износостойкость.
3)По биологическим свойствам: отсутствие иммунологической реакции отторжения, нетоксичность, неонкогенность.
Материал, который используется в медицине для имплантатов, должен обладать поистине уникальным набором свойств, к которым относится следующее:
Биологическая инертность (отсутствие токсичности, аллергенности, травмирующего и раздражающего действия на окружающие ткани).
Механическая прочность, рассчитанная на длительный срок работы в организме, устойчивость к износу.
Гемосовместимость (материал не должен вызывать повреждения элементов крови и образования тромбов).
Устойчивость к агентам внутренней среды организма, к воздействию биологических жидкостей.
Устойчивость к высокотемпературной стерилизации.
Под биоматериалами подразумевают нежизнеспособный материал, предназначенный для контакта с живой тканью для выполнения функций медицинского назначения. Также требования, предъявляемые к биоматериалам, различаются, в зависимости от области их применения. Однако общие 14 требования включают в себя биологическую совместимость, стабильность функциональных свойств и возможность стерилизационной обработки.
Основные свойства биосовместимых материалов:
а) Биоматериалы не должны вызывать местной воспалительной реакции.
б) Биоматериалы не должны оказывать токсического и аллергического действия на организм.
в) Биоматериалы не должны обладать канцерогенным действием.
г) Биоматериалы не должны провоцировать развитие инфекции.
д) Биоматериалы должны сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации.
е) 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.
ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ БИОКЕРАМИКИ ПО ОТНОШЕНИЮ К ЖИВОЙ ТКАНИ (БИОИНЕРТНАЯ, ПОРИСТАЯ, БИОАКТИВНАЯ, РЕЗОРБИРУЕМАЯ)
По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют на:
токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте).
Биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные).
Биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью) [20].
Биоинертность - способность материала в течение длительного времени сохранять постоянство своего состава и структуры благодаря отсутствию локального и системного взаимодействия с организмом либо его минимально выраженному химическому, электрохимическому и поверхностно-каталитическому проявлению. Биоинертные керамики практически не претерпевают химических изменений в физиологических условиях живого организма, они сохраняют свои физические и механические свойства. Вокруг биоинертных материалов, особенно с гладкой поверхностью, образуется фиброзная капсула, посредством которой организм защищается от инородного тела (биологический отклик). Толщина и клеточный состав капсулы являются мерой биосовместимости материала [6, 21]. В этом случае закрепление имплантата в организме осуществляется за счет механической фиксации и остеоинтеграции [6]. Когда требуется высокая прочность, используются монолитные имплантаты или цементы. Когда высокая прочность не требуется, может быть использован пористый инертный материал с размерами пор от 100 и 150 мкм, которые гарантируют рост ткани по направлению к центру имплантата и обеспечивают его закрепление [22, 23].