Биостекло и стеклокерамика

ВВЕДЕНИЕ

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 керамических материалов для замены и лечения больных или поврежденных частей тела”.Исследования, разработка и производство биокерамических материалов составляют существенный сегмент современного рынка наукоемких технологий. Можно дать следующую осторожную оценку параметров рынка биокерамики: емкость ∼ 2,3 млрд долларов, 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.

Глава 1. БИОСТЕКЛО

К современным материалам последнего поколения следует отнести биоактивные стеклокристаллические материалы, состоящие из стекловидной матрицы и микрокристаллов размером около 4 мкм.

Как известно, обычное стекло представляет собой достаточно быстро охлажденный расплав, содержащий оксиды Na2O, CaO, SiO2, а также другие оксидные добавки. Биоактивные стекла, история использования которых насчитывает уже более 30 лет, содержат в своем составе оксиды Na2O, CaO, SiO2, P2O5. При создании большинства биостекол используется состав 45S5: 24,5% Na2O, 24,5% CaO, 45% SiO2, 6% P2O5. Изменяя состав, можно в широких пределах менять биоактивность таких материалов. Медленное охлаждение расплава указанных оксидов по специальным температурным режимам позволяет частично закристаллизовать стекло (при этом чаще всего образуется метасиликат кальция – волластонит CaSiO3) и получить смешанные, стеклокристаллические материалы – биоситаллы, которые имеют более высокие по сравнению со стеклами механические характеристики.

Биостекла и материалы на их основе не воспринимаются организмом как что-то чужое, напротив, серия биохимических реакций (рис. 1) 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.

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.

Рис. 1. “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

Биостекло не является новым материалом для медицинского применения. До недавних пор его получали из соединений кремния и использовали для восстановления повреждённой костной ткани. Исследователи из Университета науки и технологии в Миссури (Missouri University of Science and Technology) Стив Юнг (Steve Jung) и Делберт Дэй (Delbert Day) создали биостекло, которое можно эффективно применять для заживления повреждений мягких тканей.

В своих опытах Юнг и Дэй испытывали действие биоактивного стекла различного состава на биологические жидкости (в частности, кровь). Их заинтересовал один из образцов стекла, названный 13–93B3, содержащий кальций. В его состав в массовом эквиваленте входили следующие компоненты: 53% – B2O3, 20% – CaO, 12% – K2O, 6% – Na2O, 5%– MgO,      4% – P2O5.

Почему в состав биостекла учёные добавили кальций? Юнг и Дэй думали о том, какую пользу может принести этот новый материал, если его использовать для лечения ран. Учёные рассуждали так: известно, что кальций является важным фактором в регенерации кожи и необходим для формирования эпидермиса. Кроме того, кальций делает сам процесс заживления более эффективным.

Не секрет, что организм «чинит» раны поэтапно. На начальном этапе, когда рана кровоточит, в ней образуются волокна особого белка – фибрина, в котором «застревают» тромбоциты (форменные элементы крови), закупоривая рану и образуя тромб. На следующем этапе тромб выделяет вещества-регуляторы, которые «привлекают» к ране клетки иммунной системы – лимфоциты-макрофаги. Организм «мобилизует» последние для борьбы с возможной инфекцией. И на заключительном этапе макрофаги выделяют в кровь специальные вещества, сигнализирующие о том, что пора заживлять рану, образуя новый эпидермис (кожу).

У Юнга и Дэя возникла мысль, что можно попытаться создать биостекло, имитирующее микроструктуру фибринового сгустка. Из образца стекла 13–93B3 учёные изготовили нановолокна размером от 300 нм до 5 мкм, на ощупь и внешне похожие на хлопковую вату и вместе с тем обладающие высокой пластичностью. Назвали такой материал DermaFuse.

Кроме того, оказалось, что если в пробирку с бактериями, такими как кишечная палочка, сальмонеллы и стафилококки, поместить DermaFuse, то бактерии погибают. Одной из причин данного явления может быть то, что борат лития, входящий в состав этого материала, локально, в месте контакта с бактериями, создаёт щелочную среду, в которой они просто не выживают.

Первые испытания провели на лабораторных животных. Позже учёные получили разрешение на проведение клинических испытаний на пациентах с неминуемой угрозой ампутации конечностей из-за инфицирования ран.

Следует сказать, что трофические, долго не заживающие раны – очень серьёзная проблема для больных диабетом. Самый обычный ушиб грозит диабетику гематомой и дальнейшим развитием трофической язвы из-за нарушения кровоснабжения повреждённых участков. Затем в рану проникают бактерии и усугубляют процесс. Обычный ушиб может привести к ампутации конечности в лучшем случае, а в худшем – микробы проникнут в кровь и возникнет системная инфекция, приводящая к смертельному исходу.

Двенадцать пациентов, больных диабетом и имеющих показания к ампутации, участвовали в эксперименте, который проводил Phelps County Regional Medical Center (PCRMC) в Миссури. У всех отмечались значительные улучшения и заживления ран практически без образования рубцов.

Компания Mo-Sci, которую основал Делберт Дэй, уже начала производство нового материала DermaFuse.

1. Виды биостекол

Для использования в качестве заменителя кости выпускают несколько

видов биостекол (табл. 1).

Таблица 1. Биоактивные стеклокристаллические материалы

2. Биостекло Biogran

Биоактивное стекло. Резорбируемый синтетический материал. Biogran является остеокондуктивным материалом и представляет собой смесь биоактивных стеклянных частиц Si, Ca, Na и Р. Размер биоактивных гранул находится в пределах 300-355 мкм. Установлено, что частицы диаметром менее 300 мкм быстро разрушаются и способны вызвать воспалительные реакции. Частицы более 355 мкм не всегда полностью резорбируются. В медицинской практике биостекло используется с 1984 г. и хорошо зарекомендовало себя в ортопедической, пластической хирургии, отоларингологии.

Эффективная стимуляция роста кости.

Полное замещение новой костью в течение 9-12 месяцев (при добавлении аутокости время регенерации сокращается до 5-6 месяцев).

Стимулирует кость.

Тканевые жидкости взаимодействуют с биоактивной поверхностью стеклянных частиц Biogran и вызывают их медленную эрозию. В результате этого появляются полости, которые служат защитными нишами для мезенхимных клеток, в которых происходит их дифференцирование в остеобласты. Уже через 3 месяца обнаруживается выраженный остеоиндуктивный рост костной ткани как с краев, так и в центре. Таким образом, костная ткань прорастает от гранулы к грануле, быстро заполняя дефект костной тканью. Гранулы Biogran полностью рассасываются в организме и распадаются в результате цикла Кребса.

Замещается костью.

Гранулы Biogran полностью рассасываются в организме и распадаются в результате цикла Кребса. Нет необходимости в повторном хирургическом вмешательстве для удаления материала.

Стабилизирует кровяной сгусток.

Biogran, смешанный с кровью либо со стерильным соляным раствором, представляет собой пастообразную однородную массу, обладающую гемостатическими свойствами и препятствующую появлению эффекта сухой лунки.

Удобство и легкость в использовании.

Biogran является гидрофильным материалом. При смешивании с кровью или стерильным солянымраствором он прочно удерживается на инструменте, что позволяет легко вносить материал в полость. Ахорошая адгезия к рецепиентному полю позволяет материалу не мигрировать из зоны дефекта иоставаться на месте даже при работе отсоса.

Biogran идеально подходит для заполнения лунок после экстракции.

Материал быстро и удобно вносится в область дефекта. После процедуры экстракции альвеолярный отросток подвержен ремодулировке и резорбции, что выражается в потере объема костной ткани и образованию узкого гребня. Поскольку лечение с помощью дентальных имплантатов набирает все большую популярность при замене зуба, то сохранение костного гребя становится даже более важной задачей нежели сама процедура удаления зуба. Biogran быстро замешивается и удобен в применении, сводя к минимуму потерю времени и процедуры экстракции. Даже если не планируется установка имплантатов и ортопедической конструкции с опорой на них, сохранение костного гребня остается важным моментом для пациента, поскольку это способствует:

• сохранению контуров мягких и твердых тканей
• предупреждению рецессии в области корней соседних зубов
• избежать дорогостоящих последующих операций по наращиванию кости
• снижению риска появления сухой лунки, стабилизируя кровяной сгусток

Biogran – правильный выбор для небольших и средних костных дефектов.

Действие биоактивного стекла Biogran направлено на эффективную и безопасную регенерацию кости в случаях, как устранение пародонтальных дефектов, малых и средних костных дефектов, аугментация и сохранение гребня после удаления.

Biogran – это уникальное инновационное решение.

Biogran является остеокондуктивным материалом и представляет собой смесь биоактивных стеклянных частиц Si, Ca, Na и Р. Размер биоактивных гранул находится в пределах 300(355 мкм. Установлено, что частицы диаметром менее 300 мкм быстро разрушаются и способны вызвать воспалительные реакции.Частицы более 355 мкм не всегда полностью резорбируются.

Положительные результаты, доказанные клиническими испытаниями.

Клиническое исследование на 87 пациентах с 106 дефектами, включая пародонтальные дефекты и постэкстракционные лунки, показало, что Biogran является эффективным материалом для восполнения костных дефектов. Полученная костная ткань сохранялась на протяжении всего трехлетнего периода мультицентрового исследования. Различные другие клинические исследования с использованием биостекла также показали превосходные результаты.

Показания к применению:

• Заполнение постэкстракционных лунок
• Закрытие пародонтальных внутрикостных дефектов
• Восстановление небольших и средних дефектов костного гребня
• Лечение пародонтальных дефектов с неконтролируемым кровотечением Материал Biogran часто используют в сочетании с аутокостью
3. Примеры применения биостекол

В стоматологии

• Для заполнения пародонтальных дефектов с средним и высоким остеогенным потенциалом.
• При горизонтальной и комбинированной атрофии альвеолярного отростка для проведении имплатанционной реконструкции.
• Для заполнения лунок удаленных зубов для предотвращения атрофии контура альвеолярного гребня.
• Для заполнения дефектов кости после цистэктомии.
• Синус лифтинг.
• При глубоком пломбировании корня зуба, в том числе с выходом за эпиакальное отверстие.

В ортопедии

• Для заполнения костных полостей после удаления кист, костных опухолей, локальном остеопорозе.
• Замещение элементов удаленной либо поврежденной кости при операциях, травмах.
• Замещение элементов позвонков при травмах, остеопорозе.

В нейрохирургии

• Для замещения элементов утраченной либо поврежденной кости черепа после операций, травм.

В челюстно-лицевой хирургии

• Для замещения элементов челюстно-лицевых костей и суставов.
• Для заполнения костных полостей после цистотомии и цистэктомии, остеомиелита.
• При костной пластике.

Глава 2. СИТАЛЛЫ

Стеклокристаллические материалы, полученные объемной кристаллизацией  стекол, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе. Вещества, инициирующие кристаллизацию стекла, называются катализаторами. В качестве катализаторов применяют металлы (Cu, Ag, Au, Si, Pt), оксиды (TiO2, P2O5, Cr2O3, ZrO2, SnO2, WO3, MoO3). Существуют различные представления о механизме действия катализаторов. Катализатор-металл растворяется в расплаве, а при охлаждении выделяется в виде атомарных (кластерных) группировок, которые по мере укрупнения образуют центры, инициирующие кристаллизацию. Оксидные катализаторы способствуют ликвации, т.е. разделению первоначально однородного расплава при понижении температуры на две несмешивающиеся жидкости стекол, на границах которых формируются центры кристаллизации. Количество кристаллических фаз в ситаллах может составлять 20-95% (по объему). Изменяя состав стекла, тип инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термической обработки, получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами. Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг. 20 в. Материалы, подобные ситаллам, за рубежом называются пирокерамом, девитрокерамом, стеклокерамом. Ситаллы обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, малым термическим расширением, химической и термической устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью. Основным недостатком ситаллов является одноцветность массы и возможность коррекции цвета только нанесением на поверхность протеза эмалевого красителя.

2.1. Получение ситаллов

Для производства ситаллов используют технологию стекольного производства, несколько видоизмененную и дополненную в своей заключительной стадии, т.к. полученное из соответствующего стекла изделие затем должно быть превращено в ситалл путем кристаллизации.  Технологическая схема производства ситаллов имеет следующий вид:

Получение шихты → варка стекла → формование изделий → отжиг изделий → кристаллизация изделий (может следовать сразу за формованием, минуя отжиг).

В некоторых случаях применяется керамическая технология (порошковый метод) получения ситаллов:

Получение шихты → варка стекла → гранулирование→ измельчение стекла в порошок → получение пластичной композиции-шликера (стекло+связка) → формование изделий → спекание и кристаллизация.

Этот технологический прием является менее совершенным, т.к. получаемые изделия всегда имеют небольшую пористость. Однако, в особых случаях и при получении деталей очень сложной конфигурации порошковый метод может оказаться незаменимым.

Спеченный ситалл получают двумя методами:

• спеканием порошков стекла (размер зерен около 10 мк) с добавкой кристаллообразователя
• спеканием порошка стекла, в которой кристаллообразователь введен на стадии его варки

2.2. Применение ситаллов в стоматологии

Стоматология занимает важное значение в жизни людей. Среди актуальных проблем современной стоматологии является вопрос применения и совершенствования методов лечения патологии твердых тканей зубов. Многочисленные исследования в области протезирования зубов занимают одно из ведущих мест в стоматологии.

Ситаллы обладают повышенной механической прочностью, износостойкостью и химической стойкостью, составом и совершенной структурой, что позволяет получать характеристики материалов с учётом биологической совмести и делает их незаменимым материалом. Это даёт возможность полнее использовать их кристаллическое строение по сравнению с применявшимися фарфорами.

Структура ситаллов, как правило, изотропная, мелкокристаллическая. Кристаллы имеют размеры 0,1-1,0 мкм, и не позволяют распространению трещин в материале, что очень важно при протезировании. Керамика же состоит в основном из кристаллической фазы с большим размером зерён 50-200 мкм.

Различие структур ситаллов и керамики объясняется технологиями их получения. Напрмер, керамические материалы получают методом твердофазового спекания, а ситаллы — из стекол методом направленной кристаллизации. Также кроме указанных достоинств ситаллов, ценным является возможность регулирования степени светопрозрачности материалов при помощи выбора нужного соотношения кристаллической и стекловидной фаз.

Разработаны и применяются 4 ситалла:

• Ситалл "СИКОР" для индивидуальных коронок;
• Ситалл "СИМЕТ" для металлокерамических протезов;
• "Биоситалл" для восполнения дефектов костных тканей;
• Ситалл для литья протезов.

Ситалл "Сикор" для зубных коронок получен методом направленной кристаллизации в системе альбит-диопсид. В сравнении с фарфоровыми массами для зубных коронок "Сикор" обладает технологическими преимуществвми: композиционным опаковым слоем, гарантирующим его спекание без трещин и не требующим корректировочного обжига; более низкой температуры спекания, широким диапазоном рабочей температуры.

Ситалловое покрытие "Симет" предназначено для облицовки каркасов цельнолитых зубных протезов, изготовленных из стоматологических сплавов металлов с температурным коэффициентом линейного расширения at=(13−15)⋅10−6⋅K−1 с использованием метода послойного нанесения масс разной цветности и прозрачности и их спекания в вакуумной электропечи. Материал для ситаллового покрытия синтезирован из стекла лейцит-альбитового состава.

Ситалловое покрытие, обладая высокой адгезией к металлическим каркасам зубных протезов, низкой температурой спекания (до 800°C) при достаточной прочности, а также регулируемые коэффициент теплового расширения и степень светопрозрачности обеспечивают высокий технологический и эстетический эффект при использовании ситалла "Симет". Из материала "Симет" также можно изготавливать индивидуальные ситалловые коронки типа жакетных и вкладки. Покрытие "Симет" химически и биологически нейтрально, устойчиво к ротовой жидкости и пищевым продуктам, биологически совместимо со всеми тканями полости рта и организма пациента, не вызывает аллергию.

2.3. Биоситаллы

Высокая механическая прочность, биологическая совместимость с тканями организма находит применение биоситаллов в медицине для изготовления зубных протезов. Биоситаллы получают на основе стекол системы СаО - MgO - SiO2 - Р2О5 (апатито - волластонитовые составы).

2.3.1. Биоситалл «Биосит»

Во всем мире специалисты отмечают все возрастающую необходимость хирургических вмешательств для замещения костных дефектов при различных заболеваниях человека.

Получение аутотрансплантата для костной пластики усугубляет состояние пациента, удлиняет срок оперативного вмешательства, увеличивает кровопотери и является дополнительным потенциальным источником возникновения инфекции.

Еще в 70-х годах ХХ века Л. Хенчем ( США) была сформирована абсолютно новая область медицины - биоматериаловедение на основе стеклокристаллического материала ситалла. Синтезированные составы непосредственно вступающие в реакцию с костной тканью, образующие прочное соединение с нею, обеспечивающие совместимость на клеточном и тканном уровне, получили название «биоситаллы».

В начале 90-х годов научно-производственная фирма «Элкор» совместно с Военно-медицинской Академией, Всероссийским институтом травматологии и ортопедии им. Вредена Р.Р., Медицинской Академией     им. Павлова И.П. приступила к разработке синтетических имплантатов для замещения костной ткани на основе биоситалла. Разработанные биоситаллы состоят из таких остеотрофных элементов как Ca, K, Mg, Zn, P2O5, Al2О3 и синтетического аналога биоминерала костной ткани - даллита. Различное соотношение перечисленных элементов, позволяют варьировать прочностные характеристики и скорость остеозамещения в различных участках скелета.

Применение изделий синтетического происхождения, полностью исключает возможность заражения СПИДом, сифилисом, гепатитом, туберкулезом и т.д. Отсутствие терратогенных свойств позволяет применять изделия из биоситалла для беременных и детей.

Сотрудниками фирмы «Элкор», единственными в России, были разработаны и синтезированы составы биоситаллов, которые прошли клинические испытания в ведущих медицинских учреждениях России            (Военно-медицинская Академия, Медицинская Академия им. Павлова И.П.,Институт ортопедии и травматологии им. Вредена Р.Р.).

К 1998 году были проведены экспериментальные и клинические исследования по применению пористых имплантатов из биоситалла в стоматологии, получившие название «БиоситСр-Элкор».

В Институте Цитологии Российской Академии Наук были проведены исследования цитотоксичности и остеосовместимости изделий из биоситалла, а результаты были доложены на Международном симпозиуме «Стволовые клетки, регенерация, клеточная терапия», проходившем в Санкт-Петербурге 25-27 октября 2004 года. Результаты исследований подтвердили способность клеток прикрепляться и расти на поверхности гранул, образуя монослой фибробластов.

Клинические испытания показали возможности применения изделий в любых формах, гранулированных и обьемных в следующих операциях:

• все операции связанные с остеозамещением в стоматологии
• операции спондилодеза при травмах шейного отдела позвоночника
• операции травм грудного и поясничного отделов позвоночника
• операции гнойной остеологии при лечении дегенеративно-дистрофических заболеваний и восполнении костных дефектов в условиях раневой инфекции
• при лечении инфицированных полостей при туберкулезе;
• реэндопротезирование