Медицина / 7.

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Научные подходы к созданию биосовместимых

имплантационных материалов

В современной медицине широко применяются и исследуются биотехнические изделия и системы, в которых различные элементы и части взаимодействуют с биологическими жидкостями, мягкими и твердыми тканями организма. Это относится, в первую очередь, к изделиям, предназначенным для сердечно-сосудистой хирургии, ортопедии, стоматологической и реконструктивной хирургии, офтальмологии [1,2]. Материалы данных изделий должны обладать определенным комплексом биологических, физико-химических, медико-технических свойств, придающих им заданный уровень совместимости с биосредой. Исследования в области биомедицинских материалов и технологий ведутся в нескольких основных направлениях [3]:

- изучение процессов взаимодействия материалов с биологическими жидкостями и тканями,

- разработка методов получения материалов и покрытий с заданными параметрами биосовместимости,

- создание количественных методов оценки свойств биосовместимых материалов и изделий,

- совершенствование методов экспериментально-клинического применения изделий из биосовместимых материалов.

Наибольшее значение в повышении эффективности процессов диагностики, терапевтического и хирургического лечения, восстановления функций либо замены органов, реабилитации пациентов имеет разработка методов получения материалов и покрытий, а также изделий, обладающих качествами биологической и механической совместимости. К медико-техническим изделиям, широко применяемым в указанных целях, относятся шовные нити, искусственная кожа, катетеры, трубки, протезы сосудов, клапаны сердца, кардиостимуляторы, мешки для крови, суставные эндопротезы, костные остеофиксаторы, стоматологические имплантаты, офтальмологические линзы и протезы. Эти медико-технические изделия могут взаимодействовать с кровью, лимфой, тканевой жидкостью, слюной, в отдельных случаях с желчью, желудочным соком и, кроме того, испытывать действие механических нагрузок.

Необходимая биосовместимость изделий в данных условиях достигается, в основном, за счет применения определенных металлических и неметаллических материалов. Они не должны вызывать иммунных реакций биосреды и организма, кроме того, их способность сохранять требуемые качества должна обеспечивать заданное функционирование изделий.

Биологическая совместимость материалов обусловлена определенным уровнем их биологических и физико-химических свойств, к которым относятся токсичность, стимулирование опухолеобразования, воздействие на кровь, стерилизуемость, рентгеноконтрастность, а также электрические, магнитные, оптические, химические свойства. Механическая совместимость определяет такое поведение изделий под действием функциональных механических нагрузок, которое не создает в биосреде механических повреждений, резорбции или некроза [4,5].

Биосовместимые металлы и сплавы могут подвергаться электрохимическому воздействию биосреды с опасностью их коррозии и появления металлоза прилегающих тканей. Органические полимеры в этих условиях могут приобретать структурные изменения за счет реакций водопоглощения и гидролиза с переходом продуктов распада в окружающую биосреду. Неорганические полимеры обладают физико-химической стойкостью, но могут иметь пониженную обрабатываемость и недостаточный уровень механических свойств. Поэтому в зависимости от характера биосовместимости материалов среди них выделяют биотолерантные, биоинертные и биоактивные (рис.).

Биотолерантные и биоинертные материалы, окруженные биосредой, с большей или меньшей активностью адсорбируют на своей поверхности протеины плазмы крови и волокна фибрина, образующие затем слой фиброзной ткани соответствующей толщины. Этот слой ограничивает плотность формирующихся структур мягких либо твердых биотканей на поверхности материала и не обеспечивает высокой стабильности функционирования изделия в биосреде. Данные условия сдерживают применение таких материалов, к которым относятся титан, тантал, цирконий, нержавеющие стали, кобальтохромовые сплавы, корундовая и углеродная керамика, полиэтилен, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен.

Рис. Применение в медицине биосовместимых материалов и изделий

Биоактивность материалов оказывает наиболее благоприятное влияние на их взаимодействие с биосредой. На поверхности таких материалов адсорбируется тонкий слой аморфных белковых структур, через который обеспечивается физико-химическая связь материала со средой. В этих условиях происходит ионизация атомов биоактивного материала и диффузия образовавшихся ионов в аморфный слой и биосреду. За счет протекания биоэлектрохимических реакций развивается деструкция материала, и в образующиеся несплошности происходит прорастание биоструктур окружающей среды, так что в результате формируется биотехническая система «изделие – биосреда» [6]. Этим достигается высокая стабильность положения изделия и эффективность его функционирования в организме. Приведенные качества биоактивности проявляют материалы, включающие некоторые биоинертные органические полимеры, кальцийфосфатные соединения, биостекла, биоситаллы, углеродные материалы.

Особенно важное значение имеет биоактивность материалов при изготовлении и применении имплантатов значительных сроков действия, используемых в сердечно-сосудистой, стоматологической и ортопедической хирургии. Так, приживление и функционирование искусственных клапанов сердца, сосудов, стоматологических имплантатов, эндопротезов в существенной степени зависит от нормального заживления имплантационной раны и протекания дальнейших процессов в зоне контакта имплантата с биосредой. Большую роль в этих условиях играют явления свертывания крови, представляющие несколько сложных стадий протеиновых реакций с коагуляцией тромбоцитов, образованием фибрина и кровяного сгустка [7]. Данные процессы обусловливают быстрое заживление раны, но могут отрицательно сказываться на последующем функционировании имплантата. При взаимодействии стенок искусственных сосудов и клапанов сердца с потоком крови может возникать его турбулизация, опасность оседания тромбоцитов на стенках и образования тромба. На поверхности костных имплантатов в этих условиях может создаваться слой фиброзной ткани, ограничивающий трофику прилегающей кости и процессы остеогенеза. Это препятствует образованию плотных костных структур и остеоинтеграции имплантата, стабилизирующей его положение и функционирование. В результате появляется опасность смещения имплантата, возникновения воспалительных процессов и его отторжения.

Предотвращение указанных явлений и формирование биоактивных свойств материалов достигается за счет создания их определенного химического состава, молекулярного строения и фазово-структурного состояния. При этом поверхностным структурам материалов придается морфологическая гетерогенность и пористость, что увеличивает фактическую площадь контакта материала с биосредой и усиливает механический эффект сцепления в контактной зоне. Кроме этого, такая поверхность обладает повышенным запасом свободной энергии и, следовательно, уровнем химической активности, что ускоряет процесс деструкции материала и проникновения биоструктур в его несплошности.

Вышеназванные биоактивные материалы с приведенными поверхностными характеристиками получают при помощи довольно сложных технологических процессов. Механические свойства этих материалов оказываются на невысоком уровне, что ограничивает их применение для изготовления имплантатов стоматологического и ортопедического назначения, испытывающих значительные механические нагрузки. Поэтому данные материалы часто используют для создания биоактивных покрытий на имплантатах из титана, циркония, никелида титана, имеющих биоинертные свойства [8]. Технологические методы получения биоактивных покрытий включают золь-гелевые процессы, прессование и спекание материалов, вакуумно-конденсационное и газотермическое напыление. Существенными технико-экономическими достоинствами среди названных методов обладает способ плазменно-дугового напыления, позволяющий получать покрытия из различных биосовместимых материалов с заданными качествами биоактивности на имплантатах сложной формы [9].

В последние годы развиваются исследования, связанные с влиянием электрического заряда 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 использовать методы электризации диэлектрических биоактивных материалов и покрытий для придания им электретного (заряженного) состояния с монополярным отрицательным зарядом, обеспечивающим тромборезистентность. [10]. Это позволяет исключить опасность тромбообразования, значительно улучшить трофику кости и процессы остеогенеза, а также снизить до минимума вероятность отторжения имплантатов. Данный метод используется в кардиохирургической практике для создания отрицательно-монополярного электретного состояния искусственных клапанов сердца из стеклоуглерода с высоким уровнем тромборезистентности [11].

Костные титановые имплантаты с электретным танталооксидным покрытием исследовались в лабораторных экспериментах и прошли клинические испытания на подопытных животных, а также с участием пациентов. При этом было отмечено значительное сокращение сроков остеоинтеграции имплантатов, восстановления нормальных функций костных структур, окончательной реабилитации организма [12].

Применяемые титановые стоматологические имплантаты с плазмонапыленными биопокрытиями обусловливают значительную продолжительность приживления в костной ткани челюсти, составляющую 4-6 месяцев. При этом доля случаев послеоперационного отторжения имплантатов достигает 3-4% [13]. Проведенные в Саратовском государственном техническом университете исследования свойств плазмонапыленных гидроксиапатитовых покрытий на титановых стоматологических имплантатах, а также параметров пленки нестехиометрического диоксида титана, полученной при электрохимическом оксидировании титановых имплантатов, показали, что данные покрытия имеют регулируемую долю структурных и молекулярных несплошностей [14]. В процессе электризации таких покрытий воздействием сильных электрических полей, коронного разряда в среде углекислого газа, а также потока электронов указанные микронесплошности могут играть роль «электронных ловушек», способствующих эффективному формированию отрицательного монополярного заряда и созданию электретного состояния [15]. Подобное физическое состояние диэлектрических биопокрытий значительно повышает их биоактивность за счет действия на окружающую биоткань слабого внешнего электрического поля и стимулирования протекания ряда биофизических и биохимических реакций. При этом «замороженный» в диэлектрике электрический заряд может способствовать развитию на отрицательно-монополярной поверхности материала интенсивных сорбционных процессов по отношению к витаминам, протеинам, антибиотикам, что ускоряет остеоинтеграционный и реабилитационный периоды, ведет к сокращению сроков приживления имплантатов до 1-2 месяцев.

Электризация биосовместимых диэлектриков является новым научно-производственным направлением в создании современных биоактивных материалов, обладающих комплексом ранее неизученных электрических свойств. Разработка и совершенствование специализированного исследовательского оборудования, использование наукоемких технологий открывают перспективы значительного роста эффективности применения в медицине электретных биодиэлектриков.

Литература

1. Вильямс Д.Ф., Роуф Р. Имплантаты в хирургии / Пер. с англ. М.: Медицина, 1978. 552 с.

2. Севастьянов В.И. Биосовместимые материалы медицинского назначения. – Перспективные материалы. 1995. №5. С. 41-55.

3. Протасова Н.В., Лясникова А.В. Внутрикостные стоматологические имплантаты. 3-е изд. перераб. Саратов: Изд-во Сарат. техн. ун-та, 2001, 115 с.

4. Бейдик О.В., Бутовский К.Г., Лясников В.Н., Левченко К.К., Цыплаков А.Ю. Экспериментальное исследование процессов остеоинтеграции имплантаов для наружного чрескостного остеосинтеза с различными биокомпозиционными покрытиями. – Гений ортопедии. 2002. №4. С. 80-88.

5. Бутовский К.Г., Протасова Н.В. Материалы, используемые в производстве дентальных имплантатов // Современные проблемы имплантологии: Сборник научных статей по материалам 6-й Международной конференции. Саратов, 2002. С. 21-29.

6. Параскевич В.Л. Дентальная имплантология. Основы теории и практики. – Минск: Юнипресс, 2002. 368 с.

7. Искусственные органы / Под ред. В.И. Шумакова. – М.: Медицина, 1995. 214 с.

8. Лясников В.Н., Лепилин А.В., Бутовский К.Г., Лясникова А.В. Биомедицинские материалы в имплантационных системах ХХI века // Современные проблемы имплантологии: Сборник научных статей по материалам 7-й Международной конференции. Саратов, 2004. С. 7-15.

9. Калганова С.Г., Лясников В.Н. Научные основы создания современных дентальных имплантатов с биоактивным покрытием // Новое в стоматологии. Спец. вып. «Имплантаты в стоматологии». 1999, № 2. С. 24-28.

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

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

12. http://electret.narod.ru/chelhir.htm

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

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

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