Предмет «Физиологические аспекты создания и использования биоматериалов» (стр. 2 )

В действительности существует лишь относительно биосовместимые материалы, которые в течение ограниченного времени могут находиться в организме, не вызывая в нем негативных реакций. Стандарт ISO/TR 9966: 1989 (E) рекомендует оценивать биосовместимость материалов индивидуально в каждом конкретном случае и с осторожностью относится к результатам оценки. Невозможность предсказать реакцию организма на тот или иной имплантат привела к тому, что критерием биосовместимости до сих пор остается эксперимент in vivo.

Биодеградируемые материалы при контактировании с живыми организмами частично или полностью растворяются (поглощаются макрофагами, включаются в метаболические или биохимические процессы) и заменяются живой тканью. Биоустойчивость материалов – свойство, противоположное биодеградируемости – способность материалов противостоять воздействию биологической среды, сохраняя функциональные свойства.

Для характеристики биосовместимых материалов, имплантируемых в костную ткань, используют термины: биотолерантные, биоинертные и биоактивные.

Биотолерантные материалы взаимодействуют с костью посредством дальнего остеогенеза, т. е. они отделяются от костной ткани прорастающим фиброзным слоем.

Биоинертные материалы практически не взаимодействуют с тканями, находящимися с ними в контакте, не вызывают образования явно выраженного фиброзного слоя (толщина капсулы не превышает 50 мкм) и не стимулируют остеогенез. Кость может формироваться вблизи поверхности биоинертного имплантата. Последняя, как правило, имеет защитный слой, который препятствует выходу из имплантата ионов и диффузии в него биологической жидкости. Интеграция биоинертных материалов с костью осуществляется путем проникновения соединительной ткани в поры имплантата. Абсолютно биоинертных материалов не существует, т. к. на границе ткань–имплантат всегда регистрируется биологический отклик, интенсивность которого зависит от многих факторов (табл.2).

Таблица 2.

Факторы, влияющие на биологический отклик костной ткани
при контактировании с ортопедическим имплантатом

Реакции со стороны ткани зависят от:	Реакции со стороны имплантата зависят от:
Типа ткани	Состава имплантата
Повреждения ткани	Фаз в имплантате
Возраста ткани	Границ между фазами
Циркуляции крови и лимфы в ткани	Структуры поверхности
Движения ткани на границе с имплантатом	Электрохимических реакций
Соответствия места установки имплантата анатомо-физиологическим критериям	Точности установки имплантата
Механической нагрузки на ткань	Интенсивности нагрузок
Общих реакций организма (иммунологических, аллергических, нейроэндокринных)	Выполнения функций организмом

Биоактивные материалы вызывают биологический отклик в организме, обусловливающий интеграцию материала и организма. Они предназначены для связывания с биологическими системами, имея целью повышение эффективности лечения, образование или замещение любой ткани или органа, для выполнения тех или иных функций организма. Все биоактивные имплантаты, применяемые в травматологии и ортопедии, объединяет наличие на их поверхности карбонатного слоя, эквивалентного по составу и структуре минеральной фазе кости. Такой слой имеет структуру поликристаллических агломератов, в состав которых при контактировании с костью включаются коллагеновые фибриллы.

Надежность имплантатов – актуальная проблема материаловедения медицинской техники. Она возникла в 50-е годы, когда эндопротезирование тазобедренного сустава стало массовой операцией, вошедшей в повседневную практику многих клиник. В отличие от лекарств, прием которых возможен практически в любое время, регулирование механической системы эндопротеза можно осуществить только путем хирургического вмешательства. Поэтому от эндопротезов суставов требуется безотказная, без ремонта, работа в течение многих лет. Это значит, что прочность и износостойкость материалов, из которых выполнены эндопротезы, не должны сильно изменяться в агрессивном биологическом окружении.

В современных эндопротезах суставов применяют все типы конструкционных материалов: металлы, полимеры, керамику и композиты на их основе. Последние используют, в основном, как биоподражательные материалы, имитирующие структуру и механические свойства естественных тканей. Это является отражением тенденции, возникшей в начале 1990-х годов по инициативе всемирно известных центров, занятых разработкой биоматериалов, – Университета Торонто, Института Medical and Dental Engineering в Японии, IRC в Лондоне. Она состоит в том, что развитие эндопротезирования суставов на современном этапе базируется на использовании материалов нового поколения, разработанных специально для применения в медицине в качестве имплантатов. Период, когда имплантаты изготавливали из лучших технических материалов, заимствованных из электронной техники, точного приборостроения, военно-промышленного комплекса, уходит в прошлое.

Как правило, технический ресурс эндопротезов суставов, установленный путем наблюдений in vivo, значительно меньше ресурса, определенного с помощью механического испытательного оборудования. Тем не менее, различные системы испытаний, имитирующих работу имплантированного эндопротеза, применяются во всех странах-производителях эндопротезов. В России банк данных по трибологическим характеристикам эндопротезов тазобедренного сустава создается в Центральном НИИТО им. . В Англии жизненный путь всех имплантированных в этой стране эндопротезов контролирует Department of Health’s Medical Devices Agency. Эта же организация проводит имитационные испытания всех конструкций эндопротезов суставов, используемых в ортопедии. Английский Department of Trade and Industry с конца 1990-х годов финансирует программы, направленные на улучшение механических испытаний и прогнозирование технического ресурса эндопротезов суставов. Европейским сообществом приняты три документа (European Medical Devices Directives), имеющие силу закона для стран ЕЭС. Они содержат требования к материалам для эндопротезов суставов, позволяющие свести к минимуму риск для здоровья и безопасности пациентов. Материалы и эндопротезы, отвечающие этим требованиям, несут маркировку «СЕ» как знак их высокого качества и одобренного статуса. Высокий уровень специальных требований к материалам для эндопротезов, недостижимый для традиционных материалов, применяемых в машиностроении и связанных с ним отраслях современной техники, все чаще обусловливает разработку биоматериалов на заказ. Именно такие материалы – индивидуально сконструированные композиты, функциональные полимеры, биоподражательные и биоактивные покрытия на металлических имплантатах и др. – определяют сегодняшний уровень материалов для эндопротезов суставов.

МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Металлы и их сплавы используют в эндопротезах в виде литых и кованых изделий. Их биомеханические характеристики и химические свойства являются важным фактором, определяющим конструкцию эндопротезов суставов.

История применения металлических имплантатов началась с самородного золота. Его достоинства – чистота, ковкость, а значит легкость переработки в стержни, проволоку, листы или пластины, отсутствие оксидов на их поверхности. Последнее позволило применить технологию «холодной» сварки при формировании элементов эндопротезов. Биоинертность обусловливала высокую степень биосовместимости золотых имплантатов. Такими же достоинствами обладают другие благородные металлы – платина, иридий и палладий. Однако они не получили широкого применения в эндопротезах, во-первых, из-за низкой прочности, и во-вторых, из-за высокой стоимости. Переход к благородным сплавам Au+Ag+Cu несколько улучшил ситуацию. Однако подверженные коррозии медные сплавы показали неблагоприятные биологические реакции в тестах на животных.

Была сделана попытка применить в эндопротезах сплавы на основе меди, никеля, железа и кобальта, используемые для изготовления морского такелажа. Их биоинертность, в отличие от благородных металлов, зависела от свойств пассивирующих пленок, которые возникали на поверхности изделий в солевой среде. Эксперименты на лабораторных животных показали, что промышленные латуни, бронзы, хромо-никелевые и углеродистые стали не применимы для имплантации из-за плохой биосовместимости и потери прочности вследствие коррозии.

Литые изделия из сплава CoCrMo под названием Стеллит (Stellite) и кованые – из нержавеющей стали, т. е. из сплава FeCrNi, были применены в качестве имплантатов в 40-е годы ХХ в. Их биоинертность также определялась свойствами пассивирующей пленки на поверхности изделий. В 50-е годы появились имплантаты на основе титана, циркония и их сплавов.

Химические и электрохимические критерии биосовместимости металлических материалов базируются на следующих данных.

Биологически значимыми, т. е. необходимыми для поддержания жизни являются так называемые существенные химические элементы: 11 главных (C, H, O, N, S, Ca, P, K, Na, Cl, Mg) и 15 следовых (Fe, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Mo, Se, Cr, I, F, Sn, Si, V, As). Они участвуют в метаболизме клеток или входят в их ферментные системы, имеют оптимальные концентрации в тканях и органах. Если концентрация существенного элемента в организме выше или ниже оптимального значения, развиваются биохимические дефекты и нарушаются физиологические функции организма, вплоть до его гибели.

Как следствие контакта организма с окружающей средой, в нем постоянно находятся 20–30 несущественных следовых элементов (Al, Sb, Cd, Hd, Ge, Rb, Ag, Pb, Au, Bi, Be, Ti, Zr, Nb, Ta и др.). Одни из них токсичны даже в низких концентрациях (Cd, Hg, Pb, Be), другие – физиологически индифферентны (Al, Ti, Zr, Nb, Ta).

Если химические элементы введены в организм из эндопротеза сустава, минуя естественные барьеры, то их содержание в тканях может превысить критические концентрации, при которых нарушается естественное течение биохимических процессов в клетках. С этих позиций титановые имплантаты предпочтительнее алюминиевых. В экспериментах на животных показано, что алюминиевые стержни оказывают большее токсическое воздействие на костную ткань, чем титановые. Накопление титана в тканях, окружающих имплантат, не вызывает заметного изменения функциональных свойств клеток.