Предмет «Физиологические аспекты создания и использования биоматериалов» (стр. 7 )

Осаждение матричного материала на углеродных волокнах осуществляют газофазным методом. Для этого через нагретый до 1500 оС углеродный каркас продувают метан или природный газ. На волокнах каркаса осаждаются углеродные покрытия толщиной до 1 мм, которые затем подвергают графитизации. При комбинировании газофазного осаждения и пропитки смолой достигаются наибольшие плотность и прочность композита. На рис.6 приведена схема изготовления углеродных деталей эндопротезов. В зависимости от особенностей технологии, исходного материала матрицы, порядка укладки углеродного волокнистого каркаса и других факторов, механические свойства эндопротезов можно регулировать в широких пределах.

Рис. 6. Схема получения деталей эндопротезов из углеродных композиционных материалов

Углеродная матрица композитных эндопротезов имеет высокую усталостную прочность и хорошо полируется. Износостойкость эндопротезов значительно повышается с увеличением плотности углеродной матрицы. Проблемой является низкая износостойкость углеродных эндопротезов при абразивном изнашивании, которую частично решают путем нанесения газофазных углеродных покрытий на поверхности трения. Биологический ответ организма на углеродные композиты не зависит от технологии их формирования. Углеродные частицы износа, которые накапливаются в лимфоузлах, не вызывают отрицательных реакций организма. За время наблюдения от 8 до 12 недель в контакте кости и углеродного имплантата не образовывалась фиброзная капсула, а кость врастала в микропоры (50–150 мкм) имплантата.

Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита (НИИГрафит) в Москве разработал и выпускает углеродные материалы типа ИНТОСТ для эндопротезов. Материал ИНТОСТ-3 получают путем газофазного нанесения углеродных покрытий на ультрадисперсные частицы непрокаленного кокса, находящиеся в псевдоожиженном слое, последующего прессования частиц в форме и карбонизации заготовок.

Углеродный материал ИНТОСТ-4 имеет сквозные поры диаметром 18–100 мкм. Его используют в качестве заместителей костных дефектов и для изготовления деталей эндопротезов коленного сустава, входящих в костно-мозговой канал. После имплантации костная ткань врастает в микропоры, обеспечивая фиксацию эндопротеза при отсутствии некроза (омертвения) окружающих тканей.

Полимерные композиты состоят из углеродных армирующих длинных или коротких волокон, заключенных в полимерную матрицу. Короткие волокна придают матрице меньшую прочность, чем длинные, но обеспечивают возможность переработки композитов в изделия высокопроизводительными методами экструзии и литья под давлением. Детали эндопротезов из композитов, содержащих углеродные волокна, формуют «горячим» прессованием стопки листов, которые состоят из пропитанных полимерным связующим углеродных волокон (препреги) или из чередующихся углеродных и полимерных волокон. Направления углеродных волокон в каждом слое параллельны или составляют некоторый угол с осью формуемой детали эндопротеза (от 0 до 90о). Заготовка образуется в результате сплавления полимерного связующего, содержащегося в разных слоях.

Полимерные армированные углеволокнами композиты для эндопротезов американского производства изготавливают на матрицах из полисульфонов или полиэфиркетонов. Последние имеют поликристаллическую структуру и химически более стойки, чем полисульфоны, имея одинаковые механические свойства. Структура полисульфонового армированного углеволокнами эндопротеза представлена на рис. 7. Ножка эндопротеза состоит из композитного сердечника в виде пучка однонаправленных углеродных волокон в полисульфоновой матрице. Сердечник окружен оплеткой из углеродных волокон, и эта система капсулирована в оболочке из полисульфона. Поперечные размеры ножки согласованы с размерами костно-мозгового канала, в который будет имплантирован эндопротез.

Рис. 7. Схема композитного эндопротеза тазобедренного сустава:
1 – головка, 2 – ножка, 3 – сердечник, 4 – оплетка, 5 –оболочка

НИИГрафит выпускает предназначенный для изготовления эндопротезов суставов композит ИНТОСТ-1, состоящий из коротких углеродных волокон и полиамидной матрицы. Его модуль упругости вдвое ниже, чем у костной ткани, но предел прочности при изгибе достаточно высок – 300 МПа. Благодаря низкому модулю упругости контактные напряжения на границе кость–композит распределяются равномерно и при бесцементной фиксации эндопротеза не вызывают резорбцию окружающих тканей. Из материала ИНТОСТ-1 изготавливают ножки эндопротезов тазобедренного, пястно-фалангового, межфаланговых суставов, фиксаторы для лечения переломов шейки бедра и длинных костей.

Краткий обзор совокупности материалов, применяемых для изготовления эндопротезов суставов, завершим анализом табл.10, в которой сопоставлены показатели прочности искусственных материалов и биологических тканей. Хотя показатели текучести приведены в таблице только для металлов и СВМПЭ, это не значит, что прочие материалы подвержены исключительно хрупкому разрушению. Биоткани имеют достаточно стабильную структуру, которая не повреждается практически до разрушения. Это подтверждает высказанную ранее мысль, что биоткани и металлы – принципиально разные материалы.

Самые твердые из анализируемых материалов – керамика и углерод. Они же вместе с металлами являются самыми прочными, гораздо прочнее биотканей. Это никак не умаляет достоинств искусственных материалов, т. к. прочность конструкций, к которым относятся эндопротезы, никогда не бывает излишней. Тем не менее, биоткани, значительно уступающие искусственным материалам по прочности, образуют естественные суставы, с которыми по трибологическим параметрам не могут сравниться никакие технические узлы трения, в том числе, искусственные суставы. Это – самая большая проблема эндопротезирования суставов.

Таким образом, анализ данных табл. 10 приводит к выводу о несовершенстве технических материалов как аналогов биотканей. Первые служат лишь для восприятия и передачи механических нагрузок, вторые являются управляемыми биологическими системами, свойства которых зависят от распределения биопотенциалов и наполнения биологическими жидкостями. Создание подобных систем с использованием в качестве компонентов технических материалов – благородная цель разработчиков искусственных суставов.

Таблица 10

Прочность биологических тканей и материалов для изготовления эндопротезов суставов

Материал	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Модуль упругости, ГПа
Керамика Алюминиевая Циркониевая – полученная методом ГИП – спеченная		550 1200 900		380 200 200
Металлические сплавы Протасул-10, кованый Нержавеющая сталь – холодная обработка – отожженная Сплав Ti (6%) – Al (4%) – V	1000 750 170 890	1200 1000 400 1000	10 9 45 12	200 200 200 105
Углерод и композиты Углерод, осажденный из газовой фазы Углеродные волокна – низкомодульные – высокомодульные Композит углерод–углерод – волокна параллельны – взаимно перпендикулярны Композит полисульфон–углерод, волокна параллельны		350–700 1720 2760 1200 500 2130	2–5 0,75 1,4 1,4	14–21 380 240 140 60 134
Биологические ткани Гидроксиапатит Кость Коллаген		100 80–150 50	0,001 1,5	114–130 18–20 1,2
Полимеры ПММА костный цемент СВМПЭ Силиконовая резина	23	75 40 7–10	3,5 500 600	2,8 0,5 0,0003

Главными проблемами использования технических материалов в эндопротезах суставов остаются биосовместимость и старение материалов в биологической среде организма. В связи с высокой ответственностью, которую налагает вживление искусственных органов, созданы и развиваются государственные системы контроля биоматериалов и имплантированных эндопротезов. Многолетнее доминирование металлов среди материалов для эндопротезов суставов в ХХI в. становится не столь абсолютным. Композиты моделируют физико-механические свойства костной ткани и в большей мере, чем другие материалы, соответствуют биологическому окружению. Современная тенденция материаловедения медицинской техники состоит в том, что уменьшается перетекание лучших технических материалов из машиностроения в медицину и начинается целевое создание материалов – аналогов биотканей, предназначенных, прежде всего для использования в эндопротезах.