Курсовая работа: Изучение биоматериалов, предназначенных для медицинских целей

С точки зрения биохимической совместимости с организмом, в качестве материалов для эндопротезирования костной ткани наиболее предпочтительны материалы, относящиеся к классу керамик. Керамики идентичны неорганическому костному матриксу по типу химической связи. Цирконий-оксидная (ZrO2) керамика входит в реестр ИСО в качестве материала для эндопротезирования костной ткани [41]. Способность керамики на основе ZrO2 не вступать в биохимическое взаимодействие с тканями организма благодаря скомпенсированности химических связей составляет преимущество в сравнении с другими остеозамещающими материалами. Керамика на основе диоксида циркония стабилизированного оксидом магния (MgO) наиболее устойчива к стерилизации г-облучением и обработке в паровом автоклаве. Не стоит упускать и то, что магний участвует в процессах синтеза протеинов и ДНК, стабилизации молекул ДНК, РНК и рибосом.

Гидроксиапатит является одним из наиболее приемлемых материалов для изготовления искусственных имплантатов в силу своей прекрасной биосовместимости. К сожалению, не удается получить керамику с необходимой прочностью на основе чистого ГАП, что существенно ограничивает область ее применения. Керамика на основе ГАП характеризуется довольно низкой стойкостью к распространению трещин и большим разбросом экспериментальных значений прочности от образца к образцу. Влажная среда, имитирующая среду организма, лишь усугубляет эти отрицательные свойства керамики. Из-за этих причин ведется интенсивный поиск новых композиционных материалов с улучшенными механическими характеристиками. Низкая растворимость синтетического оборачивается его невысокой биоактивностью: костные клетки медленно “переваривают” предложенный им источник кальция и фосфора; как следствие кость медленно врастает в керамический имплантат. Для повышения биоактивности ГАП разбавляют более растворимыми фосфатами кальция, например трехзамещенным ортофосфатом, или же изготавливают пористую ГАП-керамику.

Пористая керамика из гидроксиапатита широко применяется как костный заменитель в силу хорошего срастания с костной тканью. Костная ткань прорастает в поры имплантата, тем не менее наличие крупных пор заметно ухудшает его прочность [42].

Рисунок 2 - Сравнение механических свойств различных биоматериалов

Гидроксиапатит относится к структурному типу фторапатита Са10(РО4)6F2.

Предложены различные методы синтеза пористой ГАП-керамики. Наиболее оригинальный метод использует готовый остов из СаСО3, особенности структуры которого наследует получаемый гидроксиапатит. С этой целью применяют такой природный материал, как коралл (основное вещество скелета СаСО3), который при длительном нагревании в растворе гидрофосфата аммония в автоклаве переходит в ГАП по реакции, сохраняя исходную пористую структуру коралла [43].

Хирургическая операция эндопротезирования, при которой разрушенные болезнью части заменяются искусственными биосовместимыми аналогами, такими как, например, высокомолекулярный полиэтилен ((-CH2-CH2-)n), оксиды алюминия (Al2O3) и циркония (ZrO2), биосовместимые металлы (Ti и Ta), находит все большее применение в современной медицине. Для улучшения биологических свойств металлических имплантатов в настоящее время активно используются наноструктурированные апатитные покрытия, способствующие прямой остеоинтеграции с костью, повышению костной фиксации имплантата и ускорению роста кости. Необходимой задачей для развития данной области является разработка новых биоинертных и нетоксичных материалов, способных образовывать связи с костью напрямую. К таким материалам относится гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2, перспективы применения которого в восстановительной хирургии (лечение заболеваний и повреждений опорно-двигательного аппарата человека, челюстно-лицевая хирургия, заполнение поврежденных частей костей), стоматологии, а также в качестве компонентов зубных паст, косметических и гигиенических средств, биологически активных добавок, постоянно увеличиваются благодаря высокой биосовместимости, износостойкости, нетоксичности, простоте и доступности биоактивных покрытий на его основе. Гидроксиапатит является основной неорганической фазой костей и твердых тканей зубов, в связи с чем широко исследуется в качестве наполнителя и протезного покрытия.

ГЛАВА 5. МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИОКЕРАМИКИ С ЖИВОЙ ТКАНЬЮ

Кость имеет довольно сложное строение и разнообразный тканевый состав. Выдающиеся механические характеристики компактного вещества обеспечиваются особым пространственным расположением образующих его структурных компонентов - костных пластинок толщиной 3-10 мкм [44, 45].

Три основные группы веществ составляют кость: коллаген (25 мас. % - органическая составляющая костной ткани, или костный матрикс), фосфаты кальция (65 мас. % - неорганическая составляющая) и вода (10 мас. %). Кроме указанных веществ в костной ткани присутствуют в малых количествах другие органические соединения (отличные от коллагена белки, полисахариды, липиды). Кроме Ca2+ и элементный состав костной ткани представлен также другими ионами (таблица 2).

Таблица 2 - Химический состав костной ткани и зубов (в мас. %)

Коллаген придает тканям организма необходимую механическую прочность при деформациях типа растяжения и изгиба. Молекулы коллагена, состоящие из трех скрученных спирально полипептидных нитей, способны собираться в волокна диаметром 100-2000 нм. Прочность костной ткани на сжатие обусловлена минеральной составляющей - фосфатами кальция (преимущественно в форме гидроксиапатита Ca10(PO4)6(OH)2 (ГАП)). Кристаллы гидроксиапатита присутствуют в кости в форме пластин с размерами 50Ч20Ч5 нм, ориентированных определенным образом по отношению к оси коллагеновых волокон.

Выделяют до семи уровней организации (архитектуры) костной ткани (рисунок 3). Органический костный матрикс и неорганическая составляющая образуют своеобразный композиционный материал. Воспроизвести досконально морфологию костной ткани in vitro (и, следовательно, достичь такого же, как у кости, сочетания биологических и механических свойств) не представляется возможным в ближайшее время.

Рисунок 3 - Иерархические уровни организации костной ткани (VII уровень, не показанный на рисунке, связан с различным характером укладки коллагеновых молекул)

Биостекла и материалы на их основе не воспринимаются организмом как что-то чужое, напротив, серия биохимических реакций (рисунок 4) на границе биостекло-кость приводит к интенсивному образованию костной ткани в области контакта и в конечном счете к врастанию имплантата в костную ткань. Следует отметить, что переходный слой между биостеклом и костью может иметь толщину до 1 мм (ср. со слоем волокнистой соединительной ткани, имеющим толщину порядка 1 мкм, в случае имплантирования биоинертной керамики) и быть настолько прочным, что перелом произойдет в любом другом месте, но не в зоне срастания [42].

Рисунок 4 - «События» на границе биостекла и костной ткани: 1 - формирование Si-OH-групп на поверхности стекла в результате ионного обмена, 2 - образование аморфного фосфата кальция на поверхности гидратированного стекла и его кристаллизация в ГАП, 3 - адсорбция биологически активных веществ апатитовым слоем, 4 - “включение” иммунной системы; направленный выброс и адсорбция специфических костных белков, 5 - прикрепление недифференцированных клеток и их превращение в костные клетки, 6 - рост костного матрикса и его минерализация, 7 - перестройка костной ткани и “зарастание” промежутка между стеклом и костью. Условно говоря, граница между “неживым” и “живым” проходит по стадиям 4-5

Считается, что ключевым элементом, который обеспечивает высокую биоактивность указанных материалов, является кремний. Гидролиз биостекла в межтканевой жидкости приводит к образованию тонкого желеобразного слоя (геля) кремниевой кислоты - SiO2?xH2O на поверхности имплантата. Отрицательно заряженные гидроксильные группы поверхности слоя кремневой кислоты притягивают из окружающего раствора межтканевой жидкости ионы Ca2+, заряд поверхности становится положительным, затем на поверхность осаждаются фосфат-ионы - происходит рост слоя гидроксиапатита.

Механические характеристики биостекол не столь обнадеживающие, как их биосовместимость и активность. В силу этого биостекла находят применение в качестве малых или слабонагружаемых имплантатов в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

ГЛАВА 6. КЕРАМИКА ДЛЯ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ ЗУБОВ

Керамика в стоматологической отрасли начала набирать популярности в XVIII веке благодаря своим более высоким эстетическим характеристикам по сравнению с другими материалами. Парижский аптекарь Alexis Duchateau в буквальном смысле открыл перспективы керамики в стоматологии, изготовив из фарфоровых и керамических масс штучные зубы в составе протеза. Позже, в 1903 году, Charles Land поспособствовал дальнейшему внедрению керамики в стоматологическую отрасль, предложив изготавливать из нее вкладки типа onlay и inlay, а также штучные одиночные коронки. Все это привело к распространению нового вида реставраций - жакетных коронок, облицованных керамикой.

С тех пор керамика как стоматологический материал прошла через несколько этапов развития, изменяясь в плане химического состава и в плане улучшения эстетических свойств. Не обошлось и без модификаций в процессах ее изготовления и хранения. Вследствие продолжительного развития, показания к использованию керамических материалов также претерпели некоторые изменения и значительно расширились. Высокоэстетические свойства и биосовместимость керамики стали ее передовыми характеристиками еще у первых представителей данной группы материалов, но слабая их прочность на разрыв и на сдвиг диктовала необходимость разработки керамических материалов с большей износоустойчивостью и гарантией их долгосрочного функционирования, особенно в случаях изготовления реставраций с более толстым слоем облицовки или когда фиксация конструкции предусматривала, по большей мере, связь лишь с дентином при минимальном количестве резидуальной эмали.

Развитие прогрессивных CAD/CAM технологий, а также использование современных пресс-материалов и новых подходов литья позволили изготавливать более прочные, и в то же время минимально инвазивные конструкции с отличными эстетическими характеристиками. Это способствовало разработке оптимального безметаллового керамического материала, адаптированного к специфическим условиям лечения, поскольку новые представители стоматологической керамики значительно устойчивее своих предшественников, гораздо более просты в использовании, и в большей мере универсальны.

Тем не менее, выбор соответствующего керамического материала зависит от условий клинической ситуации и от техники его использования. К сожалению, огромный объем противоречивой информации в разрезе показаний к использованию разных керамических материалов смущает врачей относительно того, какой же именно материал лучше выбрать для той или иной конструкции в конкретном клиническом случае. Понимание принципов классификации, знание состава и характеристик разных керамических материалов поможет стоматологам и техникам не только не путаться в выборе материала, но быть точно уверенным в правильности своего решения.

6.1 Состав, характеристики и классификация

Керамика является неорганическим неметаллическим твердым веществом, получаемым в ходе нагрева его компонентов под действием высоких температур и последующего их охлаждения. В состав керамики входят нитриды, карбиды, оксиды металлов, бориды, а также разные комбинации и смеси этих компонентов. Таким образом, материал, именуемый керамикой, на самом деле не является таковым по определению, если он создан с помощью какого-либо другого метода обработки или имеет в своем составе дополнительные органические компоненты.

Керамические материалы имеют кристаллическую или частично кристаллическую структуру, но могут быть и аморфными (например, как стекло). Поскольку большинство стоматологических керамических материалов в своем составе имеют, по крайне мере, несколько кристаллических компонентов, то некоторые авторы определяют керамику как неорганическую кристалл-содержащую субстанцию, то есть, исключая данным определением некристаллическое стекло, которое, однако, по сути своего производства является именно керамикой.

Стоматологические керамические материалы, как правило, классифицируются по своей микроструктуре, что облегчает научное понимание их состава и химической природы, но, по правде говоря, это мало помогает стоматологам или техникам в выборе подходящего материала для конкретной клинической ситуации. Метод обработки керамики существенно влияет на ее механические свойства и, следовательно, на возможность использования материала в разных клинических случаях. Таким образом, только комплексно классифицируя стоматологические керамические материалы, как на основе их состава, так и методов их производства и обработки, можно обеспечить условия для оценки клинических параметров их применения в каждой конкретной ситуации. Представленная ниже классификация построена на одном принципе: использование керамических масс для разных конструкций - от наиболее консервативных/наименее инвазивных (с максимальным сохранением естественной структуры зуба) - до наименее консервативных/наиболее инвазивных (с минимальным сохранением тканей зуба). Данная категоризация материалов также учитывает ранее опубликованную классификацию, в которой упоминались как стеклокерамика, так и несколько совсем новых и прогрессивных материалов, которые только вышли на рынок.