Медицина /7.

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Перспективы применения электретных биоматериалов

в современной медицине

В современной медицине все больший интерес вызывают исследования, связанные с влиянием электрического заряда и квазистатического поля диэлектрических имплантационных материалов на повышение характеристик их биоактивности, в частности, за счет придания им тромборезистентности. При этом учитывается наличие природного отрицательного заряда клеток тромбоцитов, что дает возможность, используя методы электризации диэлектрических биоактивных материалов и покрытий имплантатов, придавать им электретное (заряженное) состояние с монополярным отрицательным зарядом, обеспечивающим тромборезистентность [1]. Это позволяет исключить опасность тромбообразования, значительно улучшить трофику тканей и процессы регенерации, а также снизить до минимума вероятность отторжения имплантатов. Данный метод успешно используется в кардиохирургической практике при создании отрицательно-монополярного электретного состояния искусственных клапанов сердца из стеклоуглерода с высоким уровнем тромборезистентности [2].

Получение в диэлектрическом материале электретного состояния происходит благодаря образованию зарядов в слоях его структуры. При этом сохранность заряда в диэлектрике обеспечивается за счет структурных микродефектов (несплошностей) материала, которые возникают при различных видах обработки и воздействий на диэлектрик. Проведенные в Саратовском государственном техническом университете исследования свойств биокерамических кальцийфосфатных и оксидных покрытий на титановых стоматологических имплантатах показали, что данные покрытия имеют регулируемую долю структурных и молекулярных несплошностей [3]. В процессе электризации таких покрытий воздействием сильных электрических полей, коронного разряда, а также потока электронов указанные микронесплошности могут играть роль «электронных ловушек», способствующих эффективному формированию отрицательного монополярного заряда и созданию электретного состояния. Подобное физическое состояние диэлектрических покрытий значительно повышает их биоактивность за счет действия на окружающую биоткань слабого внешнего электрического поля и стимулирования протекания ряда благоприятных биофизических и биохимических процессов. При этом «замороженный» в диэлектрике электрический заряд может способствовать развитию на отрицательно-монополярной поверхности материала интенсивных сорбционных явлений по отношению к витаминам, протеинам, антибиотикам. Это значительно ускоряет процессы остеоинтеграции имплантатов с бипокрытиями, сокращая сроки их приживления с 4-6 до 1-2 месяцев [4,5].

Процессы жизнедеятельности в клетках и тканях организма, связанные с синтезом и разложением веществ, с выработкой энергии, характеризуются биоэлектрохимическими и биоэлектрофизическими явлениями. В результате образуются биопотенциалы, протекают биотоки, что приводит к созданию электрических полей, придающих биоструктурам электретное состояние. Благодаря этому состоянию удается создавать направленный характер их взаимодействия с биосовместимыми медицинскими материалами и изделиями. Для осуществления таких целей изделиям из диэлектрических материалов сообщается электретное состояние с определенными свойствами, чем достигается заданный характер взаимодействия изделий и биоструктур.

Электризация биосовместимых диэлектриков является малоизученным перспективным научно-производственным направлением в создании современных биоактивных материалов, обладающих комплексом новых электрических свойств. Разработка и совершенствование специализированного исследовательского оборудования, использование наукоемких технологий открывают возможности значительного роста эффективности применения в медицине электретных биодиэлектриков (рис).

Рис. Применение электретов в медицине

Гемосовместимые диэлектрические материалы необходимы для изготовления протезов сосудов, клапанов сердца, оксигенаторов в конструкции аппаратов искусственного кровообращения, гемодиализаторов в составе аппаратов искусственной почки, а также для кровепроводящих систем. При контактировании потоков крови со стенками подобных изделий возникает опасность свертывания крови, образования сгустков и тромба, связанная со способностью тромбоцитов к адсорбции и коагуляции на стенках изделий. При создании электретных гемосовместимых материалов учитывается наличие собственного отрицательного заряда тромбоцитов. В этих условиях отрицательный монозаряд стенок протезов, изготовленных из биосовместимых органических полимеров, например, политетрафторэтилена, обеспечивает придание им высокой тромборезистентности [1].

Мембранные материалы применяются в биомедицинской технике при создании средств разделения и фильтрации жидких биосред. Они характеризуются односторонней проницаемостью по отношению к диффузии определенных ионов либо молекул веществ, содержащихся в газообразных и жидких биологических средах. Применение мембран связано с разделением компонентов при исследованиях крови, при функционировании аппаратов искусственного кровообращения, искусственной вентиляции легких, искусственной почки, где к мембранам предъявляются жесткие требования, трудновыполнимые при использовании обычных полимеров. Электретные мембраны из нескольких полимерных компонентов могут иметь различную поляризацию и проницаемость в зависимости от их состава, молекулярной массы поляризуемых компонентов, напряженности поля, температуры и продолжительности поляризации. Перспективной областью использования электретных полимерных мембран с регулируемой проницаемостью является изготовление растворимых в организме оболочек лекарственных препаратов [1, 2].

Эндопротезы, изготовляемые из органических и неорганических полимеров, широко применяются в травматологии и ортопедии, выполняя функции искусственных суставов. При этом материалы деталей эндопротезов должны не только создавать благоприятное протекание процессов их приживления к костным тканям, но и обеспечивать заданное функциональное взаимодействие деталей между собой с оптимальными условиями трения и изнашивания. Исследование явлений термостимулированной деполяризации (разряжения) костных тканей подопытных животных показывает, что плотность заряда кости, составляющая величину порядка 10^-8 Кл/см², сопоставима с уровнем поляризации многих высококачественных электретов. При этом электретное состояние костной ткани, в значительной мере связаное с электретным поведением коллагеновых волокон, обусловливает стимулирование остеогенеза и сокращение сроков приживления эндопротезов [1].

Стоматологические имплантаты, устанавливаемые в костное ложе альвеолярного гребня, изготовляются с применением биоинертного металла для несущей основы и нанесением покрытия из биоактивной керамики. Взаимодействие покрытия с раневой поверхностью костного ложа требует протекания процессов приживления имплантата с его остеоинтеграцией без воспалительных явлений и опасности отторжения. Создание для этих целей электретного состояния биоактивного диэлектрического покрытия значительно ускоряет процессы остеоинтеграции, минимизируя опасность образования фиброзной капсулы, воспаления и отторжения.

Шовные, перевязочные и клеевые материалы на полимерной основе, получившие электретные свойства, приобретают повышенную тромборезистентность и способность к стимулированию регенерации тканей без образования соединительнотканного рубца.

Для электризации медицинских имплантатов и других биотехнических изделий могут применяться методы как механических, так и физических воздействий [6]. Механические методы предусматривают использование процессов микропластических деформаций и трения, что является довольно трудоемким и в то же время приводит к изменению профиля поверхности, снижению ее морфологических качеств. Кроме этого, применение данных методов для электризации имплантатов сложной формы практически исключается из-за невозможности обеспечения механического контакта на всей функциональной поверхности изделий. По указанным причинам механо- и трибоэлектризация не находит широкого применения при создании электретных биоматериалов.

Физические методы электризации характеризуются более рациональными бесконтактными воздействиями на биодиэлектрик. Сюда относят термостимулированную поляризацию в сильном электрическом поле, воздействие потока электронов, электризацию в условиях коронного разряда, радиационную поляризацию, фотополяризацию. Данные неразрушающие методы позволяют формировать отрицательный электрический заряд в микродефектах структуры диэлектрика и длительное время сохранять внешнее электрическое поле изделия. Величина заряда в этом случае определяется степенью дефектности материала и параметрами поляризующих энергетических потоков, а его сохранность – условиями воздействия внешних факторов.

Термостимулированная поляризация биодиэлектриков производится путем воздействия на материал электрического поля при высокотемпературном нагреве изделия. При этом сначала материал нагревается до необходимой температуры, затем помещается в поле, выдерживается в нем в течение некоторого времени, необходимого для релаксационной поляризации, после чего температура медленно понижается до комнатной. Полученные таким образом термоэлектреты в зависимости от величины напряженности поля поляризации приобретают гетерозаряды либо гомозаряды поверхностного характера.

Бомбардировка диэлектрика потоком электронов при воздействии поляризующего поля высокой напряженности, в отличие от термостимулированной поляризации, не требует нагревания материала. Здесь возникновение электретного состояния диэлектрика обусловлено проникновением электронов вглубь его структуры и захватом зарядов «электронными ловушками». Для таких электроэлектретов и способа электризации характерны объемная поляризация и большой по величине отрицательный монополярный заряд.

Короноэлектризация диэлектрических материалов осуществляется в поле коронного разряда с помощью металлических поляризующих электродов. В роли таких электродов выступают тонкие струны, а также иглы, расположенные вдоль поверхности диэлектрика на некотором близком от нее расстоянии, сам диэлектрик заземляется на металлический электрод. Коронирование достигается за счет прикладываемого к электродам напряжения и создания минимального межэлектродного расстояния, обеспечивающего электрический пробой воздушного промежутка. В результате образуется лавинообразный поток электронов, направленный к поверхности диэлектрика, что позволяет зарядам проникать вглубь коронируемой поверхности и создавать стабильный отрицательный монозаряд. Получение короноэлектретов характеризуется поверхностной концентрацией зарядов, позволяющей заряжать тонкие пленки и покрытия медицинских изделий.

Радиационная поляризация диэлектриков происходит при радиоактивном облучении материалов высокоэнергетическими потоками частиц, причем может осуществляться как в электрическом поле, так и в его отсутствие. Отличительной особенностью данного метода является высокая проникающая способность электронов, позволяющая поляризовать диэлектрик в глубине поверхностных структур и формировать объемно-заряженное электретное состояние. Как и в других видах электретов, в радиоэлектретах электроны также захватываются и удерживаются «электронными ловушками».

Фотополяризация осуществляется при воздействии на диэлектрик световых потоков (например, ультрафиолетового света). Здесь диэлектрик помещается в сильное электрическое поле, освещается в течение нескольких минут, после чего источники напряжения и света отключаются. Заряженное состояние фотоэлектретов характеризуется лишь гетерозарядами, что значительно ограничивает возможность их применения в имплантологии. К тому же фотополяризационному эффекту подвергаются только фотопроводящие диэлектрические материалы.

Электризация имплантатов, изготовленных целиком из диэлектрического биоматериала (клапаны сердца, кровеносные сосуды и др.), позволяет создать электретное состояние с повышенной величиной электрического заряда, сохраняющегося весьма продолжительное время. В результате такого длительного благоприятного воздействия электрического поля на окружающие биоткани может быть достигнута максимальная эффективность функционирования имплантата, исключающая вероятность возникновения воспалительных процессов в тканях и опасность его отторжения.

Наибольший практический интерес представляет электризация костных стоматологических и ортопедических имплантатов комбинированной конструкции, включающей металлическую биоинертную основу и диэлектрическое биоактивное покрытие. В этих условиях электретное состояние может возникнуть лишь в слое покрытия толщиной 20-200 мкм, поэтому заряд будет иметь небольшую величину, в отличие от заряда целого диэлектрического изделия, и сохраняться в материале в течение нескольких недель. Именно в этот наиболее опасный послеоперационный период слабое электрическое поле, генерируемое электретным покрытием, воздействует на окружающую имплантат биосреду, способствует исключению тромбообразования в зоне контакта «имплантат – биоткань», минимизации образования фиброзной капсулы и стимулированию биоэлектрохимических и биоэлектрофизических реакций процесса остеоинтеграции.

Выполненные исследования позволили установить зависимость количественных и качественных характеристик молекулярно-структурных несплошностей диэлектрических биопокрытий на костных металлоимплантатах от режима и условий их формирования. Полученные закономерности используются при разработке методов и средств для электризации покрытий с возможностью управления параметрами их электретного состояния и качествами биоактивности.

Литература

1. Гольдаде В.А., Пинчук А.С. Электретные пластмассы: физика и материаловедение. – Минск: Наука и техника, 1987. 231 с.

2. Сесслер Г.М. Электреты / Пер. с англ. А.Ю. Гросберга. – М.: Мир. 1983.

3. Родионов И.В. Влияние окисления титана на свойства плазмонапыленных титан-гидроксиапатитовых и оксидных биосовместимых покрытий дентальных имплантатов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Саратов. 2004.

4. Лясников В.Н., Верещагина Л.А. Биологически активные плазмонапыленные покрытия для имплантатов // Перспективные материалы. 1996. № 6. С. 50-55.

5. www.1024.ru/medelectret/index.htm

6. Губкин А.Н. Электреты. – М.: Наука. 1978. 192 с.