Предмет «Физиологические аспекты создания и использования биоматериалов» (стр. 5 )

Отвержденный цемент представляет собой композит, состоящий из твердых частиц порошкового компонента, связанных заполимеризованным мономером, в котором содержатся пузырьки воздуха. Состав и пористость композита определяются маркой цемента и технологией его приготовления. Когда цементную пасту подвергают центрифугированию, пористость композита снижается, а прочность – значительно увеличивается.

Вязкость пасты определяет степень заполнения цементом зазоров между имплантатом и костью. Цементная паста является неньютоновской жидкостью, вязкость которой зависит от скорости сдвига, т. е. она становится более текучей, когда нагнетается в зазор с высокой скоростью и под большим давлением. Когда цементирование осуществляют с помощью специального инструмента (цементного пистолета) паста течет быстрее и лучше заполняет зазоры. Сравнивали прочность адгезионных соединений кость–цемент, сформированных после промывания полости костно-мозгового канала пульсирующим потоком солевого раствора. В первом варианте цемент уплотняли в канале пальцами, во втором – его нагнетали в канал с помощью пистолета. Зарегистрированы практически одинаковые для обоих вариантов значения разрушающего напряжения при растяжении и значительно большее для второго варианта разрушающее напряжение при сдвиге.

Цементы разных марок имеют различную стойкость к истиранию. По снижению износостойкости костные цементы располагаются в ряд:

CMW (Англия) > Implast (Германия) > акрилоксид (Россия) > Sulfix -6 (Швейцария) > Simpleх Surgical Plain (Англия) > Palacоs (Германия).

Силиконовый эластомер – кремнийорганический полимер, обладающий каучукоподобными свойствами, имеет структурную формулу

В низкомолекулярной форме он представляет собой силиконовую жидкость. Основу силиконовых эластомеров, применяемых для изготовления эндопротезов, составляют макромолекулы полидиметилсилоксана (R = R' = – CH3, молекулярная масса – 750000), содержащие некоторое количество метилвинилсилоксановых звеньев (R' = – CH = CH2), способных образовывать поперечные связи. Это связующее наполняют вспененным кремнием, имеющим большую удельную площадь поверхности (400 м2/г), а затем вулканизируют в присутствии катализаторов (редких металлов и пероксидов). Плотность поперечных сшивок между макромолекулами после вулканизации – одна на 325 атомов кремния. Конечный продукт имеет вид гигантской трехмерной молекулы, из которой удаляют летучие остатки.

Типичные механические характеристики силиконового эластомера марки Dow 372 Silastic (США): предел прочности при растяжении – 9,57 МПа, модуль упругости – 350 МПа, относительное удлинение при разрыве – не менее 400%. После 1,5 лет экспозиции in vivo прочность имплантатов снизилась на 7%, удлинение – на 10%, модуль упругости увеличился на 8%.

Отказы силиконовых эндопротезов суставов первоначально связывали с адсорбцией силиконами липидов (жиров и жироподобных веществ) из тканей, контактирующих с имплантатами, что сопровождалось обесцвечиванием тканей. Для выяснения закономерностей адсорбции был проведен следующий эксперимент. Силиконовый эндопротез был надлежащим образом установлен в имитатор и протестирован на сгибание-разгибание (7 млн. циклов) в сыворотке. Этот эксперимент не показал ни повреждений эндопротеза, ни адсорбции силиконом липидов. Затем эндопротез был установлен таким образом, что предопределенная его конструкцией ось сгибания не совпадала с осью, задаваемой имитатором (такой случай может иметь место при неправильной имплантации). После этих испытаний были зарегистрированы и обесцвечивание тканей, и адсорбция липидов. Изменение конструкции гибкого искусственного сустава сняло проблему адсорбции. Главной причиной отказов силиконовых эндопротезов межфаланговых суставов кисти в настоящее время считают прогрессирующий ревматоидный артрит, приводящий к дегенерации фаланг. Острые кромки фаланг оказывают режущее действие на силиконовые имплантаты при сгибании – разгибании пальцев.

Узкая номенклатура полимерных материалов для эндопротезирования обусловливает необходимость ее расширения.

КЕРАМИКА

Хотя некоторые виды керамических материалов используются в медицине более 25 лет, широкое применение керамики для изготовления эндопротезов суставов началось только в 90-е годы ХХ в. [36]. В ортопедии имеется положительный опыт использования в эндопротезах следующих видов керамики: на основе оксида алюминия Al2O3, оксида циркония ZrO2 и на основе фосфатов кальция – Сa3(PO4)2 и Сa5(PO4)3OH (гидроксиапатит). Привлекательными свойствами керамики являются высокая химическая стабильность, твердость, незначительная деформация под нагрузкой, износостойкость, выносливость и отсутствие проблем со старением в биологическом окружении. Фосфатную керамику относят к биоактивным, медленно растворимым in vivo материалам, в которые врастает костная ткань. Главным недостатком керамики считают ее хрупкость, и поэтому не всегда предсказуемое поведение керамических имплантатов под нагрузкой.

Алюминиевая керамика один из широко применяемых материалов медицинской техники. Она характеризуется очень высокой прочностью при сжатии (предел прочности – 4500 МПа, модуль упругости – 380 ГПа), в то время как показатели прочности при изгибе (предел прочности – 550 МПа) и растяжении – гораздо ниже. Биологический ответ in vivo на имплантаты из алюминиевой керамики минимален. Снижение механических характеристик, зарегистрированное при моделировании влияния биологического окружения in vivo на прочность керамики, объясняют проникновением растворов в поры недостаточно плотного имплантата.

С позиций дислокационной теории прочности хрупкое разрушение керамики объясняется ростом имеющихся в образце трещин, вследствие отсутствия у их вершин локальных зон пластической деформации. В отличие от металлов, при растяжении которых края трещин округляются из-за пластического течения всего образца, керамика практически не деформируется, края трещин в ней остаются острыми, и при нагружении образца трещина растет в длину.

Имплантаты из алюминиевой керамики получают по технологии порошковой металлургии спеканием при 1600 оС заготовок, спрессованных из порошка Al2O3. В качестве добавки, улучшающей спекание, применяют магнезию MgO. Порошок Al2O3 мелкого помола должен иметь min количество примесей, т. к. только чистая керамика обеспечивает требуемую степень биосовместимости. Такие примеси, как силикаты, щелочные оксиды и известковые включения образуют на границах зерен стекловидную фазу с низкой химической стабильностью. Появление стекловидной фазы уменьшает показатели предельной и усталостной прочности имплантатов. Одной из лучших марок алюминиевых керамик для эндопротезов суставов считают Biolox® производства фирмы CeramTec (Германия). Обработку керамических деталей эндопротезов проводят в «чистых» помещениях.

Типичные детали эндопротеза тазобедренного сустава, выполняемые из керамики – шаровая головка бедренного и вкладыш тазового компонентов. Сферические поверхности трения этих деталей подвергают чистовой обработке с помощью алмазного инструмента. После такой обработки узел трения эндопротеза хорошо смачивается синовиальной жидкостью и имеет низкий коэффициент трения.

Основные свойства алюминиевой и других конструкционных керамик медицинского назначения приведены в табл.7.

Таблица 7

Составы и механические свойства керамических материалов

Характеристика	Керамика
Алюминиевая марки	Циркониевая, марок
BIOLOX forte	Y-TZP ZIOLOX forte	Mg – PSZ
Стандарт	ISO 6474	ISO/DIS 13356	–
Химический состав	Al2O3 + MgO	ZrO2 + Y2O3	ZrO2 + MgO
Тип материала	Корунд поликристаллический	Поликристаллический тетрагональный ZrO2	Частично стабилизированный ZrO2
Модуль упругости при сжатии, ГПа	380	210	210
Твердость по Виккерсу, ед.	2000	1250	1250
Предел прочности при изгибе, МПа	>500	>900	>500
Размер зерна, мкм	<2	<0,5	30

Детали эндопротезов, выполненные из керамики, обычно стерилизуют g-облучением или обработкой паром в автоклаве. До сих пор нет подтверждения того, что при стерилизации происходит старение алюминиевой керамики или снижение технического ресурса алюмокерамических имплантатов. Согласно стандарту их можно стерилизовать столько раз, сколько необходимо. Цвет имплантатов из алюминиевой керамики – белый или слоновой кости – после стерилизации g-облучением приобретает коричневатый оттенок. Интенсивность изменения цвета зависит от температуры и длительности стерилизации. Утверждается, что явления, ответственные за изменения цвета имплантатов, не связаны с ухудшением механических или химических характеристик алюминиевой керамики.

Циркониевая керамика – материал, полученный спеканием порошкообразного оксида циркония ZrO2. Размер зерна циркониевой керамики (0,5 мкм) меньше, чем алюминиевой. Это обусловливает лучшую полируемость и высокую износостойкость циркониевых имплантатов.

Кристаллическую структуру циркониевой керамики стабилизируют введением 3–9% магнезии MgO или оксида иттрия Y2O3. Благодаря высоким механическим свойствам керамика марки ZIOLOX® forte, Y-TZP (стабилизированная Y2O3, с тетрагональной решеткой, циркониевая, поликристаллическая) широко применяется при производстве эндопротезов. Ее более ранним аналогом является керамика марки Mg-PSZ (partially stabilized zirconia – частично стабилизированная двуокисью магния керамика на основе оксида циркония). Обе марки выпускаются фирмой CeramTec, Германия. Введение стабилизаторов преследует следующую цель. Исходный ZrO2 может находиться в трех кристаллических фазах – моноклинной, тетрагональной и кубической. Превращения фаз, происходящие при остывании спеченного имплантата, сопровождаются изменениями их объема и образованием трещин. Добавки стабилизаторов инициируют оптимальное протекание фазовых превращений. В вершинах трещин возникают локальные напряжения сжатия, препятствующие росту трещин.