Материалы, использующиеся в медицине

Материалы, использующиеся в медицине

Содержание

Введение

1 История использования  материалов в медицине 

2 Современные биоматериалы 

2.1 Классификация биоматериалов

2.2 Применение биоматериалов 

3 Особенности структуры  костной ткани

4 Биоматериалы, используемые  в ортопедии

4.1 Неорганические биоматериалы

4.2 Органические биоматериалы

4.3 Обобщение 

5 Биоматериалы в ТПУ

6 Из ТП соз. НМ

Заключение

Список литературы

Введение

Заболевания и травмы, связанные с нарушением целостности кожных покровов и потерей больших фрагментов мягких тканей, костной, хрящевой и других тканей, являются одной из ключевых проблем регенеративной медицины. В случае больших по объему повреждений наряду с применением клеточной терапии и введением биологически активных веществ актуально использование биоматериалов. Согласно рекомендациям оргкомитетов V и VI всемирных конгрессов по биоматериалам, прошедшим в 1998 и 2000 годах, а также международной организации по стандартизации ISO(ISO/TR 9966), ГОСТом Р 51148-98 под биоматериалами подразумевают нежизнеспособный материал, предназначенный для контакта с живой тканью для выполнения функций медицинского назначения. Свойства биоматериалов позволяют замещать клетки, утратившие свои природные функции, тем самым восстановить функционирование поврежденного органа.

1 История использования  материалов в медицине

Первые биоматериалы упоминаются еще в древнем мире: около 2000 тысяч лет назад люди стали применять драгоценные металлы – золото, серебро, а в последствии платину в качестве различных имплантатов.

За последние 30 лет 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 волокона, костную ткань.

Остановимся подробнее на истории костных материалов.

1.1 История развития костных материалов

В качестве первых имплантатов с глубокой древности вплоть до XVIII века применялись драгоценные металлы, в основном золото и серебро, позднее также платина. В XIX веке в клиническую практику вошло использование высококачественных нержавеющих сталей. На смену им в начале XX века пришли высокопластичные танталовые, легкие титановые и высокопрочные кобальтовые и молибденовые сплавы. Большинство имплантатов на сегодняшний день металлические, широкое применение которых обусловлено их прочностью, жесткостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Первой процедурой костной пересадки традиционно считается выполненная св. Дамианом и св. Козьмой в III в. пересадка кадаверного аллотрансплантата нижней конечности пациенту с опухолью ноги [Finkemeier C.G.Bone-grafting and bone-graft substitutes // J. Bone Joint Surg. Am. 2002. Vol. 84. P. 454–464]. Понятно, что эта попытка осталась на страницах описаний как историческое событие, не имевшее какого-либо целебного успеха. Но это говорит о стремлении медицины к подбору «запасных» биологических частей для человека [Имамалиев А.С.Биологическая оценка трансплантируемых тканей. М., 1975].

В 1965 профессор Ингвар Бранемарк возглавлял группу исследователей в Университете Гетеборга (Швеция) проводивших исследования, которые, в конечном счете, привели к открытию явления остеоинтеграции (приживления титана в костной ткани). Исследования Бранемарка были направлены на изучение аспектов восстановления и регенерации кости после травмы. На основании этого явления был сделан вывод о биоинертности титана, а последующие исследования привели к созданию наиболее прогрессивной системы протезирования за всю мировую историю стоматологии и ортопедии.

Титановые имплантаты широко применяются и сегодня. Основной проблемой в применении титана для медицинского назначения является возможная цитотоксичная реакция организма на биоинертный материал. Во избежание подобной реакции на титановые имплантаты принято наносить биосовместимые покрытия, как правило, включающие в свой состав ионы кальция, фосфора и кислорода, стимулирующие рост костной ткани.

В начале 60-х годов в «Naval Ordnance Laboratory» (США) были обнаружены эффект памяти формы и сверхэластичные свойства в сплавах никеля и титана равного состава. В зарубежной литературе этот сплав был назван нитинолом по химической формуле TiNi и аббревиатуре названия лаборатории. Позже это название было вытеснено химическим — никелид титана. Изначально сплав использовался в военной и авиационной промышленности.

В СССР в начале 70-х годов в Сибири были развернуты широкомасштабные исследования по внедрению в медицину нового поколения материалов. В основе этого лежало открытие явления гистерезисного запаздывания биологических тканей, сделанное Г.Э. Гюнтером. «Живая ткань» в ответ на любое воздействие, включая механическое, в начальный момент «думает», как ей поступить, т.е. ее реакция не мгновенна, а проявляется с некоторым запаздыванием. При снятии воздействия внешних факторов реакция «живой ткани» также запаздывает, и это проявляется в том, что она некоторое время сопротивляется снятию самих внешних факторов, например, сопротивляется снятию напряжения, оставаясь в напряженном состоянии. Величина гистерезиса тканей является их конкретной характеристикой. Это означает, что оптимальный имплантат должен обладать биомеханической совместимостью с тканями организма, т.е. быть по поведению подобным живой ткани. Этому требованию удовлетворяли изделия из сплавов никеля и титана [ Гюнтер В.Э., Ходоренко В.Н., Ясенчук Ю.Ф. и др. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения. Томск: МИЦ 2006; 296.

 Коллеров М.Ю., Гусев Д.Е., Кузнецова Н.Н. Материаловедческие и биомеханические особенности применения фиксаторов с саморегулирующимся уровнем компрессии из сплава ТН1 для остеосинтеза. Научные труды МАТИ 2007; 13: 85: 273 – 277.

 Лихачев В.А. Эффект  памяти формы. Соровский образовательный журнал 1997; 3: 107 – 114.]. Однако широкое применение этих сплавов сдерживается сложностью металлургического производства никелида титана, очень сложной технологией переработки полуфабриката в изделие с гарантированными температурами срабатывания и силовыми характеристиками и, как следствие — высокой стоимостью [ Пурецкий М.В., Иванов А.С., Тараян М.В. Опыт использования системы Amplatzer septal occlude для закрытия дефектов межпредсердной перегородки. Хирургия 2008; 2: 10 – 14.

Коллеров М.Ю., Ильин А.А., Полькин И.С. и др. Структурные аспекты технологии производства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана. Металлы 2007; 5: 77 – 85.].

В середине 90-х годов ХХ века технология производства изделий из никелида титана значительно изменилась. Использование новой технологии позволяет управлять структурой никелида титана на наноуровне и создавать изделия с заранее заданными температурными и силовыми характеристиками [Федоров А.В., Коллеров М.Ю., Рудаков С.С., Королев П.А. Применение нанотехнологически структурированного никелида титана в медицине// Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова, 2009; 2; 71]. В последние годы в Томском НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы разработаны пористые имплантаты из сплава ТН-1П на основе никелида титана. Отличием их от монолитного никелида титана является взаимодействие с тканями в виде прорастания ткани в поры имплантата [атент Российской Федерации RU 2127613 Дилататор желчных протоков. Авторы: Прокошкин С.Д.; Рыклина Е.П.; Хмелевская И.Ю.; Добродеев С.А.; Белый Ю.Н.].

Началом применения полимерных материалов в медицине следует считать 1788 год, когда во время операции А. Шумлянский прибег к каучуку. Затем в 1895 году был использован целлулоид для закрытия костных дефектов после операций на черепе. В 1939 году совместные усилия стоматологов и химиков (И. Ревзина, Г. Петрова, И. Езриелева и др.) привели к созданию полимера АКР-7 для изготовления челюстных и зубных протезов. Вскоре появился ряд пластмасс из акриловых смол, оказавшихся пригодными для глазных протезов и восстановительных операций в челюстно-лицевой хирургии. В 1943 году С. Федоровым из полиметилметакрилата впервые сделана заплата для закрытия дефекта черепа. В настоящее время этот материал широко применяется у нас в стране и за рубежом. Из него изготовляют трубки для дренирования слезного мешка, гайморовой полости, протезы кровеносных сосудов, клапанов сердца, пищевода, желудка, мочевого пузыря, желчных протоков, уретры, хрусталика глаза; штифты и пластинки для фиксации костей при переломах, полимерные сетчатые «каркасы» для соединения кишок, сухожилий, трахеи.

2 Современные  биоматериалы для медицины

Полимеры в медицине

Полимеры – высокомолекулярные соединения (ВМС),  вещества с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы,  соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи,  а также пространственные трехмерные структуры. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества.  Большое число ВМС получают синтетическим путем на основе простейших соединений и элементов нефтяного, углехимического, лесохимического и минерального происхождения в результате реакций полимеризации,  поликонденсации и химических превращений одних полимеров (природных и синтетических) в другие.

В настоящее время из полимеров изготавливается более трех тысяч различных видов медицинских изделий. Вполне понятно, что дальнейшие успехи в этой области зависят от кооперирования и творческого содружества между химиками и медиками. Химическая промышленность выпускает различные полимеры с точным соблюдением тех требований, которые к ним предъявляют. Однако специальных полимеров для применения в медицине выпускается пока еще мало. Первостепенной задачей является разработка технических условий на «медицински чистые» полимеры, которые не оказывали бы вредного действия на организм человека.

Инертные полимеры в живом организме оставались, к большому сожалению, инородным телом, они меняли свои физические свойства, поддерживали хроническую воспалительную реакцию; длительность функционирования протезов из полимеров приносила вред живому организму, в научной медицинской литературе появились сведения о канцерогенной опасности полимеров. Поэтому стали уделять больше внимания рассасывающимся материалам, которые в процессе регенерации постепенно замещались собственными тканями живого организма.

Весьма перспективен в этом отношении природный коллаген гидробионтов и наземных животных, сочетающий только положительные качества синтетических полимеров и тканевых трансплантатов.

В современной медицине нашли широкое применение пластмассовые полимеры в реконструктивно-восстановительной хирургии,  травматологии,  ортопедии,  урологии, стоматологии, офтальмологиии др.

Керамика в медицине

Керамика – изделия из неорганических, неметаллических материалов (например, глины) и их смесей с минеральными добавками, изготовляемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением. [Сафронова Т.В., Шехирев М.А., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д., Корундовая керамика // Неорганические материалы, 2007, №8.].

В настоящее время развиваются новые направления использования перспективных керамических материалов, в том числе высокотемпературные сверхпроводники, композиционные керамические материалы специальные пористые материалы, а также биокерамические материалы для использования в медицине.

Керамические материалы в медицине применяются все ещё не достаточно широко,  хотя известны их преимущества по сравнению с металлами и пластмассами:  биосовместимость и химическая инертность.  Проблема состоит в том, что этот более стойкий к воздействию среды и практически не стареющий материал более хрупок и чувствителен к ударно-вибрационным нагрузкам,  чем пластические массы и металлы.  Однако по сравнению с металлами керамика имеет малую прочность при растяжении,  повышенную хрупкость и чувствительность к механическим и термическим ударным нагрузкам.  Поэтому в настоящее время все большее применение находят комбинации металла и керамики, композиционные полимерно-керамические материалы,  а также новые керамические материалы,  позволяющие существенно расширить область применения керамики в медицине.

Сплавы с эффектом памяти формы в медицине

Появление сплавов с эффектом памяти формы привело к созданию щадящих имплантатов. Они обладают способностью создавать постоянное по величине напряжение и поддерживать его в течение длительного времени. Разработаны сплавы с памятью формы, что позволило создавать имплантаты с принципиально новыми функциональными свойствами,  которые не разрушаются при многократном механическом воздействии,  проявляют эластичные свойства и оказывают силовое сопротивление в течении длительного времени. Эти материалы применяют в различных областях медицины, таких как травматология, общая хирургия,  стоматология,  урология, сосудистая хирургия и т.д.

2.1 Классификация биоматериалов

По способу происхождения биоматериалы делятся на материалы природного и синтетического происхождения, предназначенные для контакта со средой живого организма и используемые для изготовления медицинских изделий и устройств. Из биоматериалов могут быть сформированы пленки, губки, гели, микросферы и другие формы, которые удобны для использования в конкретном случае их клинического применения.

Также биоматериалы можно классифицировать по способу использования, которых достигается тот или иной эффект на трансплантаты и имплантаты.

 Трансплантаты – природный биоматериал, используется при пересадке органов. Если натуральный трансплантат приживается, то поврежденный орган, нуждающийся в помощи, полностью восстанавливает свои жизненные функции. При этом типе биоматериалов возникает проблема не совместимости и вследствие этого, отторжение трансплантируемого органа. Так же не маловажной проблемой является нехватка биоматериала необходимого для трансплантации.

Имплантаты – искусственно созданные полимерные, керамические и многие другие биоматериалы. Данный тип материала может быть произведен в любых необходимых количествах. К тому же не стоит бояться отторжения или несовместимости на генном уровне. Другой вопрос, что имплантаты того или иного рода могут выделять вредные для организма вещества и насколько хорошо они приживутся в тканях, вызывает много вопросов.

Биоматериал должен быть биосовместимым и может быть биодеградируемым.

Биосовместимым является материал, который обладает способностью вырабатывать соответствующий отклик хозяина при специфическом его использовании. Это определение сформулировано на совещании рабочей группы, прошедшем в Амстердаме (Williams, 1987). Авторы делают акцент на том, что биосовместимость - это не полное отсутствие токсичности или иных отрицательных свойств, а требование того, чтобы материал при имплантации вел себя адекватным образом, позволяющим выполнить поставленную задачу. В.И. Севастьянов (1999), анализируя имеющуюся информацию, выделяет следующие основные свойства биосовместимых материалов:

• Биоматериалы не должны вызывать местной воспалительной реакции;

• Биоматериалы не должны оказывать токсического и аллергического действия на организм;

• Биоматериалы не должны обладать канцерогенным действием;

• Биоматериалы не должны провоцировать развитие инфекции;

• Биоматериалы должны сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации.

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. Следует подчеркнуть, что никакой биоматериал, вероятно, за исключением того, который будет получен с помощью генной инженерии и клонирования, не может быть абсолютно биосовместимым.

Следовательно, реально существующая практика позволяет говорить лишь о существовании относительно биосовместимых и безопасных биоматериалов. Они могут находиться в организме в течение длительного периода времени, достаточного для выполнения своей функции, не вызывая в нем развития негативных реакций.

Процесс разложения нежизнеспособных материалов при контакте с живыми тканями, клетками и биологическими (телесными) жидкостями получил название биодеградация (БД). Механизм биодеградации  может быть самый разнообразный - от коррозии металлов, фагоцитоза кальциофосфатов и коллагена, до Химического замещения кораллов на гидроксиапатит.

Биодеградируемые материалы и устройства могут частично или полностью растворяться, поглощаться макрофагами, включаться в метаболические и биохимические процессы и/или заменяться живой тканью.

Классификация биоматериалов, имплантируемых в костную ткань: биотолерантные, биоинертные и биоактивные.

Биотолерантные материалы включаются в кость через механизмы дистантного остеогенеза. При этом они отделяются от костной ткани прорастающим массивным фиброзным слоем. В качестве примера таких веществ могут быть метакрилаты или виталиум, ПМА, витамины (Osborn, Hewesely, 1980; Bruijn, 1993).

Биоинертные материалы практически не взаимодействуют с окружающими тканями, не вызывают образования выраженного фиброзного слоя и стимуляцию остеогенеза. При этом кость может формироваться в непосредственной близости от поверхности имплантата. Примером таких соединений может быть металлокерамика из оксида титана, ванадия, циркония и алюминия. Биоинертные материалы, как правило, имеют на своей поверхности защитный слой, который препятствует выходу из имплантата ионов и проникновению в него агрессивных молекул из окружающей биологической жидкости (Hench, Wilson, 1993; Nevelos, 2000; Murakami et al., 2000; Mu et al., 2000; Villermaux, 2000).

Под биоактивными материалами (БАМ) подразумевают биоматериалы, предназначенные для связывания их с биологическими системами с целью повышения эффективности лечения, образования или замещения любой ткани, органа при выполнения тех или иных функции организма (Williams et al., 1992). В настоящее время среди семейства БАМ выделяют 5 основных категорий:

1. Кальциофосфатная керамика.

2. Стекло и стеклокерамика.

3. Биоактивные полимеры.

4. Биоактивные гели.

5. Композиты.

В травматологии и ортопедии некоторые авторы выделяют еще одну группу, получившую название костеосвязывающие имплантаты (КСИ). Они могут рассматриваться как подгруппа биоактивных и биотолерантных материалов, обладающих способностью к установлению связи между биоматериалом и костным матриксом (Williams, 1992; Hench, Wilson, 1993). При этом костная ткань может проникать в имплантат механическим путем (механическое связывание), за счет, например, врастания в поры материала. Такой процесс наблюдается при использовании пористых материалов, в частности кораллов, металлов, полученных с помощью порошковой металлургии, кальциофосфатов, полимеров и др. Другой механизм лежит через образование химических связей между имплантатом и костью - химическое связывание, наблюдаемое, например, при использовании некоторых полимеров и биостекол. Третий путь взаимодействия имплантата и костной ткани реализуется за счет включения биоматериала в структуру костной ткани через механизмы биодеградации, ремоделирования и остеоинтеграции (биологическое связывание). С точки зрения биомеханики, наиболее прочную и функциональную связь дают только имплантаты третьего типа, к которым относятся кальциофосфатные (КФ) биоматериалы (Groot, 1981; LeGeros, 1991).

По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом (L.L.Hench Bioceramics. J.Am.Ceram.Soc., 1998, 81(7), p.1705-28):

1)токсичные (если окружающие  ткани отмирают при контакте) – большинство металлов;

2)биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные) -  керамика на основе Al2O3, ZrO2;

3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные,  срастающиеся  с костной тканью) – композиционные  материалы типа биополимер/фосфат  кальция, керамика на основе фосфатов  кальция, биостекла.

3 Особенности  структуры костной ткани

Состав и строение естественной костной ткани – биологические аспекты. В состав костей входят как органические, так и неорганические вещества; количество первых тем больше, чем моложе организм; в связи с этим кости молодых животных отличаются гибкостью и мягкостью, а кости старых – твёрдостью и хрупкостью.

Минеральная составляющая кости – это кальций дефицитный, изоморфно-замещенный гидроксиапатит Са9(HPO4)(PO4)5(OH)2 с изоморфными замещениями c Na, Mg ® Ca; CO3 ® PO4, OH. Кристаллы гидроксиапатита присутствуют в кости в форме пластин с размерами 50×20×5 нм, ориентированных определенным образом по отношению к оси коллагеновых волокон. У взрослого человека количество минеральной части составляет около 60 – 70 % веса кости, а органическое вещество (главным образом коллаген) – 30 – 40 %. Выделяют до семи уровней организации костной ткани – кости, остеон, ламели, волокно, фибрилла, гидроксиапатит и коллаген, а также различные характеры укладки коллагеновых молекул. Органический костный матрикс и неорганическая составляющая образуют своеобразный композиционный материал.

В костях различают плотное и губчатое костное вещество. Первое отличается однородностью, твёрдостью и составляет наружный слой кости; оно особенно развито в средней части трубчатых костях и утончается к концам; в широких костях оно составляет 2 пластинки, разделённые слоем губчатого вещества; в коротких оно в виде тонкой плёнки одевает кость снаружи. Губчатое вещество состоит из пластинок, пересекающихся в различных направлениях, образуя систему полостей и отверстий, которые в середине длинных костей сливаются в большую полость.

Костная ткань состоит из взаимодействующих структур (рис. 1):

- клеток кости,

- межклеточного органического  матрикса кости (органического скелета  кости),

- основного минерализованного  межклеточного вещества.

Рисунок 1 – Клетки костной ткани

Клетки занимают всего лишь 1-5% общего объёма костной ткани скелета взрослого человека. Различают четыре типа клеток костной ткани.

Остеобласты - ростковые клетки, выполняющие функцию создания кости. Они расположены в зонах костеобразования на внешних и внутренних поверхностях кости.

Остеокласты - клетки, выполняющие функцию рассасывания, разрушения кости. Совместная функция остеобластов и остеокластов лежит в основе непрерывного управляемого процесса разрушения и воссоздания кости. Этот процесс перестройки костной ткани лежит в основе адаптации организма к многообразным физическим нагрузкам за счет выбора наилучших сочетаний жесткости, упругости и эластичности костей и скелета.

Остеоциты - клетки, происходящие из остеобластов. Они полностью замурованы в межклеточном веществе и контактируют отростками друг с другом. Остеоциты обеспечивают метаболизм (белков, углеводов, жиров, воды, минеральных веществ) костной ткани. Недифференцированные мезенхимальные клетки кости (остеогенные клетки, контурные клетки). Они находятся главным образом на наружной поверхности кости (у надкостницы) и на поверхностях внутренних пространств кости. Из них образуются новые остеобласты и остеокласты.

Межклеточное вещество представлено органическим межклеточным матриксом, построенным из коллагеновых (оссеиновых) волокон (≈90-95%) и основным минерализованным веществом (≈5-10%).

Коллаген внеклеточного матрикса костной ткани отличается от коллагена других тканей большим содержанием специфических полиполипептидов. Коллагеновые волокна в основном расположены параллельно направлению уровня наиболее вероятных механических нагрузок на кость и обеспечивают упругость и эластичность кости.

Основное вещество состоит главным образом из экстрацеллюлярной жидкости, гликопротеидов и протеогликанов (хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота). Функция этих веществ пока не вполне ясна, но несомненно то, что они участвуют в управлении минерализацией основного вещества - перемещением минеральных компонентов кости.

Минеральные вещества, размещенные в составе основного вещества в органическом матриксе кости представлены кристаллами, построенными главным образом из кальция и фосфора. Отношение кальций/фосфор в норме составляет ≈1,3-2,0. Кроме того, в кости обнаружены ионы магния, натрия, калия, сульфата, карбоната, гидроксильные и другие ионы, которые могут принимать участие в образовании кристаллов. Каждое коллагеновое волокно компактной кости построено из периодически повторяющихся сегментов. Длина сегмента волокна составляет ≈64 нм (64•10-10 м). К каждому сегменту волокна примыкают кристаллы гидроксиапатита, плотно его опоясывая.

Помимо того, сегменты примыкающих коллагеновых волокон перекрывают друг друга. Соответственно, как кирпичи при кладке стены, перекрывают друг друга и кристаллы гидроксиапатита. Такое тесное прилегание коллагеновых волокон и кристаллов гидроксиапатита, а также их перекрытия, предотвращают «разрушение сдвига» кости при механических нагрузках. Коллагеновые волокна обеспечивают эластичность, упругость кости, ее сопротивление растяжению, в то время как кристаллы обеспечивают её прочность, жесткость, ее сопротивление сжатию. Минерализация кости связана с особенностями гликопротеидов костной ткани и с активностью остеобластов.