Курсовая работа: Изучение биоматериалов, предназначенных для медицинских целей

К биоинертным материалам относятся металлы, их сплавы, полимеры, корундовая керамика, углерод, керамики на основе диоксида циркония (ZrO2) или оксида алюминия (Al2O3).

Биоактивность характеризует способность материала к биодеградации, так как именно в результате этого процесса освобождаются ионы, которые образуют химическую связь между имплантатом и минеральным компонентом кости [6]. Таким образом, биоактивность костно-пластического материала свидетельствует о его потенциальной способности к остеоинтеграции. Тип и интенсивность костеобразования играют важную роль в обеспечении прочности, образующейся между костью и биоматериалом связи, в значительной степени зависят от присущих материалу свойств.

Наиболее яркие представители биоактивных материалов - биостекла (часто используется состав «45S5»: 24,5 % Na2O, 24,5 % CaO, 45,0 % SiO2, 6 % P2O5. Варьируя состав, можно изменять биоактивность стекол и их резорбируемость. К биоактивным материалам относятся также материалы на основе фосфатов кальция - Ca10(PO4)6(OH)2 (плотная и пористая ГАП-керамика или ГАП-покрытия на металлических и керамических имплантатах), композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция (ГАП-коллаген), моделирующие состав и структуру кости. К сожалению, невысокие механические характеристики подобных материалов не позволяют создавать крупные нагружаемые имплантаты.

Однако существует и другая классификация биоматериалов [3]:

1) Биоинертная керамика (ZrO2, Al2O3, углерод).

2) Биокерамика с малой реакционной способностью (стекло на основе Na2O-CaF2-P2O5-SiO2).

3) Биокерамика со средней реакционной способностью (стекло на основе Na2O-CaО-P2O5-SiO2).

4) Биокерамика, полностью усваиваемая живым организмом (ГАП Ca10(PO4)6(OH)2) и ортофосфат кальция (Ca3(PO4)2).

Основной недостаток биоинертной керамики - низкая долговечность вследствие экранирования механических нагрузок, приводящих к резорбции костной ткани, прилегающей к имплантату, и утрате последнего. Тем не менее подобные материалы, по-видимому, не имеют пока альтернативы в качестве заменителей тазобедренного сустава и имплантатов для хирургии позвоночника.

По типу тканевого ответа на имплантат тканей реципиента различают четыре типа межфазного ответа (таблица 1).

Таблица 1 - Классификация керамических имплантатов в зависимости от типа межфазного ответа

По структуре различают следующие виды керамик [18]: тонкая (менее 5 % пор), грубая (от 5 до 30 % пор), высокопористая (более 30 % пор).

Необходимые характеристики пористости - количество пор и их морфология достигаются специальными технологическими приемами, в том числе введением специальных порообразующих добавок. При этом геометрия пор в керамике зависит от конфигурации частиц порообразователя [1, 3, 24, 25, 26, 27, 28].

С точки зрения влияния на процесс репаративной регенерации кости, с учетом состава материала и механизмов регенерации, имплантаты оценивают по следующим параметрам [21]:

Остеогенность - способность материалов к формированию кости за счет остеогенных клеток (остеобластов или предшественников остеобластов) при имплантации в костное ложе (аутологичная губчатая или кортикальная кость, аутологичный костный мозг).

Остеокондуктивность - способность служить каркасом, решеткой или матрицей, поддерживая врастание новой кости со стороны костного ложа (аутологичные, аллогенные и ксеногенные имплантаты, керамика, полимеры и др.).

Остеоиндуктивность - способность за счет остеоиндуктивных протеинов, входящих в состав, стимулировать и поддерживать деление (митогенез) недифференцированных периваскулярных клеток в остеопрогенираторные клетки (аутологичная губчатая или кортикальная кость, деминерализованный костный трансплантат, тканеинженерные конструкции или тканевые эквиваленты).

При этом остеокондуктивностью обладают как биоинертные, так и биоактивные материалы, а остеоиндуктивность в большей степени свойственна биоактивным материалам [29].

Все эти материалы являются биосовместимыми и остеокондуктивными. Тем не менее они значительно отличаются скоростью резорбции. ГАП резорбируется очень медленно по сравнению с в-TКФ и биоактивными стеклами. Последние образцы ТКФ-керамики включают продукты высокой чистоты (более 99 %), с однородными характеристиками растворимости, что позволяет предотвратить преждевременное выделение микрочастиц из структурных соединений. Использование ТКФ-частиц с повышенной пористостью было предложено для увеличения способности к биодеградации. Эти частицы обладают структурой материала с микро-, мезо- и макропорами, что позволяет влиять на процесс биодеградации. Такая структура обеспечивает пониженную объемную плотность, микропористость позволяет увеличить циркуляцию биологических жидкостей, увеличивает площадь поверхности и ускоряет процесс деградации. Взаимосвязанные поры создают капиллярные сети, которые активно способствуют проникновению клеток и питательных веществ в центральную часть имплантата. Макропористость способствует проникновению клеток и сосудов и последующему врастанию кости [10].

Оксид алюминия высокой плотности и чистоты (99,5 % по весу О ± Al2O3), cо средним размером частиц менее 4 мкм, вероятно, наиболее известный биоинертный керамический материал. Материал был разработан как альтернатива металлическим сплавам для имплантатов позвоночника и несущих частей протезов суставов. Материал отличается отличной биосовместимостью, с образованием очень тонкой фиброзной капсулы, хорошим сопротивлением коррозии, низким коэффициентом трения и хорошими механическими свойствами, такими как высокая прочность и износостойкость [10, 11, 12]. По данным Международной организации по стандартизации (ИСО), чистота оксида алюминия, который используется в медицине, должна быть более 99,5 %. Присутствие примесей (SiO2, Na2O, K2O, CaO и т.д.) должно быть ниже 0,1 % по весу, во избежание значительного увеличения зерна при спекании. Увеличение среднего размера зерна до 7 1/4 мкм может привести к снижению механических свойств примерно на 20 % [12].

Циркониевая керамика стала популярной альтернативой алюминию в качестве структурного компонента биоинертной керамики, поскольку имеет большую устойчивость к разрушению (больше вязкость разрушения) в виде монолитной керамики. С другой стороны, оксид циркония исключительно инертен в физиологической среде и имеет очень хорошую статическую прочность.

Однако кристаллические биокерамические материалы циркония обладают радиоактивностью, и, хотя обнаруженная активность мала, необходима оценка долгосрочных последствий радиоактивности альфа [12].

В последнее время ортопедическое сообщество сообщает о неудачах при имплантации циркониевых протезов из-за быстрого роста трещин на имплантатах. Начались исследования имеющих высокую стойкость к распространению трещин, которые могут увеличить срок службы и надежность керамических имплантатов.

Начаты исследования [12] с новым поколением нанокомпозитов алюминия и циркония, имеющих высокую стойкость к распространению трещин, которые могут дать возможность увеличить срок службы и надежность керамических имплантатов.

По литературным данным [29, 31, 21, 6, 9, 35, 36, 23], современный имплантат должен быть пористым, достаточно прочным для скелетного использования, биосовместимым и способствовать остеокондукции. Идеальный имплантат должен быть композитным, дополненным каким-либо агентом (рекомбинантными костными морфогенетическими белками, факторами роста или стволовыми клетками), придающим материалу индуктивные свойства [38, 2, 21, 6].

Технологические способы получения материалов влияют на свойства имплантатов.

На свойства керамики влияют условия ее синтеза. Микроструктура биокерамики зависит от размера зерен (не более 1 нм).

Рассмотрим возможные способы получения керамических материалов:

1)Традиционный метод спекания.

2)Метод горячего прессования.

3)Плазмохимический метод.

Для понимания сходства и отличий данных способов приведем их краткую характеристику.

Полученная традиционными методами спекания керамика имеет крупнозернистую структуру (размер зерна может достигать сотен микрон) и крайне низкие прочностные характеристики, что ограничивает область ее применения. Между тем известно, что при уменьшении размера зерна до величин порядка 1-5 мкм происходит уменьшение пористости и увеличение предела прочности. Получение мелкозернистой керамики традиционными методами спекания имеет ряд сложностей. При высоких температурах спекания (до 2000 К) происходит значительное увеличение размера зерна, предотвратить которое возможно с помощью метода горячего прессования, в котором объединены операции прессования и спекания.

Метод горячего прессования позволяет изготовить высокопрочный материал при использовании высокодисперсных порошков в качестве исходного сырья. Так, для корундовых материалов, полученных методом горячего прессования из высокодисперсных порошков, значения предела прочности при трехточечном изгибе в два раза выше значений предела прочности этих же материалов, полученных обычным спеканием.

Предел прочности при изгибе для керамики из частично стабилизированного диоксида циркония находится в пределах от 500 до 2500 МПа и напрямую зависит от подготовки исходного порошка, метода и режима получения керамики. Высокие значения предела прочности при изгибе (2000-2500 МПа) и трещиностойкости (не менее 15 Мпа*м1/2) были получены для керамических материалов на основе керамики из частично стабилизированного диоксида циркония, изготовленной методом горячего прессования [28]. Метод спекания на воздухе позволяет получать материалы с гораздо более низкими значениями предела прочности при изгибе (800-1000 МПа) [15].

Плазмохимический метод выделяется тем, что позволяет за счет высокой скорости охлаждения продуктов реакции получать высокотемпературные фазы, в том числе в неравновесном состоянии, например твердые растворы с низкой растворимостью в равновесных условиях одного компонента в другом [5]. Керамика, изготовленная плазмохимическим методом, будет обладать новыми свойствами [3].

ГЛАВА 4. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ZRO2, ГИДРОКСИ- И ФТОРАППАТИТА

Диоксид циркония - материал, обладающий уникальными свойствами, позволяющими получить материалы, обладающие высокой огнеупорностью, стойкие к коррозии, с высокой прочностью и вязкостью разрушения. Он нашел свое применение во многих, казалось бы, абсолютно разных, сферах науки и производства [39,40].

Одна из активно развиваемых в последнее время областей применения керамических материалов - медицина. В настоящее время в остеоимплантологии используются высокоплотные керамики и металлы, отсутствие пористости в которых исключает возможность пролиферации костной ткани в эндопротез, а неблагоприятное влияние металла на организм вызывает острые ответные реакции. Реализуемое в таком случае только механическое закрепление эндопротеза в костной ткани не обеспечивает полной жёсткости границы имплантат - кость, что зачастую является причиной его смещения. Главным условием интеграции костной ткани с имплантатом является наличие в нём пористости. Наличие развитой пористости обеспечит надежную фиксацию в системе имплантат-кость за счет прорастания костной ткани в полости имплантата, тем самым позволит избежать резорбции кости в приконтактной области и ревизионных операций.

Отличительная особенность керамики на основе частично стабилизированного диоксида циркония - высокая трещиностойкость, обусловленная действием нескольких механизмов. Во-первых, мартенситным превращением тетрагональной модификации ZrO2 в моноклинную, происходящим с увеличением объёма, что снижает деформации растяжения у вершины трещины и повышает тем самым нагрузку, необходимую для распространения трещины. Во-вторых, взаимодействие между дисперсными частицами и полем напряжений у вершины трещины может приводить к микрорастрескиванию, ветвлению и изменению ориентации трещины. Относительные вклады этих процессов, по-видимому, зависят от структуры материала. Однако большинство исследователей полагают, что наибольшее влияние на трещиностойкость оказывает дилатометрический эффект превращения. При этом по данным в увеличении трещиностойкости участвуют частицы, находящиеся на расстоянии до 5W (W - ширина зоны превращения), а свыше 70% эффекта дают частицы, находящиеся в пределах 1W от вершины трещины. Момент начала разрушения совпадает с началом движения разрушающей трещины, формирующейся на базе имеющихся дефектов. Таким образом, для реализации концепции упрочнения необходимо, прежде всего, создать керамику с максимальным содержанием зёрен тетрагонального диоксида циркония.