Современные биоматериалы (1106331)
Текст из файла
Современные биоматериалыОсновная черта нового тысячелетия – возрастающий интерес кувеличению качества и продолжительности человеческой жизни. Достижениеподобной цели предполагает, в частности, создание материалов дляискусственных органов и тканей. За последние 30 лет использовано более 40различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для лечения,восстановления и замены более 40 различных частей человеческого тела,включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервныеволокона, костную ткань. Разработка заменителей костной ткани знаменует, пословам проф.
Л. Хенча, революционный этап в развитии человечества:“Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратитьбесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновениюземледельческой цивилизации и радикально улучшило качество ипродолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни вобласти использования керамики в медицинских целях.
Это инновационноеприменение специально спроектированных керамических материалов длязамены и лечения больных или поврежденных частей тела” [1]. Эту областьсовременного материаловедения именуют (не вполне, впрочем, справедливо)биокерамикой, она охватывает материалы для эндопротезов в травматологии иортопедии, пломбировочные материалы в стоматологии, имплантаты вчелюстно-лицевой хирургии, медико-косметические средства.В настоящее время рынок биокерамики имеет емкость ∼2.3 млрд.$,прогнозируемый годовой прирост составляет 7-12 %, объемы требуемыхматериалов оцениваются на уровне десятков тонн [1,2]. Число больных,нуждающихся в операциях по восстановлению целостности кости, довольновелико: для США эта цифра составляет 1 млн.
человек и более ежегодно (изних свыше 300 тыс. – протезирование тазобедренного и коленного суставов,такой же порядок имеют зубные имплантаты). Динамика продвижения идеи нарынок биоматериалов имеет ряд особенностей, связанных с прохождениемдлительных тестов и сертификаций, в силу этого обстоятельства лишь немногиеиз рассматриваемых ниже материалов могут считаться рекомендованными кприменению. Текущее состояние рынка имплантатов может рассматриватьсякак ожидание массированного вторжения новых идей и материалов.Биокерамика должно обладать определенными химическими свойствами(отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевымижидкостями, отсутствие коррозии), механическими характеристиками(прочность, трещиностойкость, сопротивление замедленному разрушению,износостойкость), биологическими свойствами (отсутствие реакций со стороныимунной системы, срастание с костной тканью, стимулирование остеосинтеза).По характеру отклика организма на имплантат биоматериалыклассифицируют следующим образом:1) токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте) - большинствометаллов;2) биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные) - керамика наоснове Al2O3 , ZrO2 ;3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костнойтканью) - композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция,керамика на основе фосфатов кальция, биостекла.Основной недостаток биоинертной керамики – низкая долговечностьвследствие экранирования механических нагрузок, приводящее к резорбциикостной ткани, прилегающей к имплантату, и утрату последнего.
Тем не менее,подобные материалы, по-видимому, не имеют пока альтернативы, какзаменители тазобедренного сустава.К наиболее ярким представителям биоактивных материалов относятсябиостекла (наиболее используется состав "45S5": 24.5 % Na2O, 24.5 % CaO,45.0% SiO2, 6% P2O5; варьируя состав, можно изменять биоактивность стекол иих резорбируемость) и материалы на основе гидроксиапатита (ГАП) –Ca10(PO4)6(OH)2 (плотная и пористая керамика; ГАП-покрытия наметаллических имплантатах; композиты ГАП–полимер, моделирующие, как,например, композит ГАП–коллаген, состав и структуру кости). К сожалению,невысокие механические характеристики подобных материалов не позволяютсоздавать крупные нагружаемые имплантаты.Перспективы в области разработки биоматериалов связаны с развитиемвсего спектра имеющейся на сегодня биокерамики.
Особый интереспредставляют исследования, исповедающие “регенерационный” подход [1], вкотором акцент делается не на замещение дефекта имплантатом с подходящимимеханическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материала изамену его костной тканью (т.е. на первое место у таких материалов выходятбиологические свойства).Литература1. 1. L.L.Hench Bioceramics. J.Am.Ceram.Soc., 1998, 81 (7), p.1705-28.2. W.Suchanek, M.Yashimura Processing and properties of hydroxyapatite-basedbiomaterials for use as hard tissue replacement implants.
J.Mater.Res., 1998, 13(1), p. 94-117.Вопросы по лекции:1) Классификация материалов по отклику организма (поХенчу)2) Достоинства и недостатки биокерамики на основе оксидациркония3) Имплантируется макропористый блок из фосфатакальция – какие возможны варианты его фиксации4) Предложите три способа нанесения покрытия изфосфата кальция на титановый имплантат5) Как можно объяснить высокую биоактивностьматериалов типа Bioglass RБиоматериалы: проблемы иперспективыДля лечения, восстановления и замены:• кожных покровов, мышечной ткани• кровеносных сосудов• нервных волокон• костной ткани– эндопротезы в травматологии и ортопедии– стоматология (пломбировочные материалы),челюстно-лицевая хирургия– медико-косметические средства (кремы, пасты)Manymillennia ago, the discovery that fire wouldirreversibly transform clay into ceramic pottery led to an agrariansociety and an enormous improvement in the quality and length of life.Another revolution has occurred in the use of ceramics during the pastfour decades to improve the quality of life.
This revolution is theinnovative use of specially designed ceramics for the repair,reconstruction, and replacement of diseased or damaged parts of thebody. Ceramics used for this purpose are termed «bioceramics».Larry L. Hench. Bioceramics. J.Am.Ceram.Soc., 81,1705(1998)Запоследние30 летиспользовано более 40 различных материалов(керамика, металлы, полимеры)длязамены более 40 различных частейчеловеческого телаРис.1. Строение трубчатой костиТребования, предъявляемые к биоматериалам• химические свойства– отсутствие нежелательных химическихреакций с тканями и межтканевымижидкостями– отсутствие коррозии, или растворение сконтролируемой скоростью• механические свойства– прочность ( σ с )– трещиностойкость ( К I c )– сопротивление замедленному разрушению(усталости) ( n в log(t/τ) = –nlog(σ/σ c ) )– износостойкость• биологические свойства– отсутствие реакций со стороны имуннойсистемы (биосовместимость)– срастание с костной тканью– стимулирование остеосинтезаОтклик организма на имплантатЕсли материалтоксичный– окружающие ткани отмираютбиоинертный – образуется соединительнаяволокнистая тканьбиоактивный – образуется костная тканьбиорезорбируемый – происходит замена материалакостной тканьюА – Bioglass 45S5B – KGS стеклокерамикаС – S53P4D – стеклокерамика A/W(ГАП/волластонит)Е – плотная ГАП керамикаF – KGX стеклокерамикаG – Al2O3Стеклокерамические биоматериалыРис.
Биоактивность стекол и стеклокерамики системы Na2O–CaO–SiO2–P2O5 (содержание P2O5 – 6 %); составы области А – биоактивны исрастаются с костью; составы области В – биоинертны; составы области С– резорбируемы; использование составов области D – ограниченотехнологическими факторамиТабл . Состав и свойства некоторых биоматериалов.СвойстваСостав:Na2OK2OMgOCaOAl2O3SiO2P2 O 5CaF2B2O3Плотность(г/см3)Твердость (НV)по ВиккерсуПрочность МПана: сжатиена изгибМодуль Юнга,ГПаК1С, МПа⋅м1/2Bioglass45S524.50024.5045.06.000S45PZ2422457СтеклокерамикаCeravitalСтеклокерамикаCerabone5-100.5-32.5-530-35040-5010-50004.644.703416.20.5СтеклокерамикаIlmaplantL14.60.22.831.9044.311.25СтеклокерамикаBiovertHAp(>99.2%)β-TCP(>99.7%)3-83-82-2110-348-1519-542-103-2322.65723.072.83.16458 ± 9.46805006005001080215500100 - 160500-1000115-200460-687140-154100 - 15021816070 - 8880 - 11033 - 9022.50.5 - 1142353.07Биоактивное стекло Bioglass™Процессы, происходящие при срастании кости с биостекломСтроение интерфейса кость/биостеклоПрименение биостеклокерамикиИмплантация электродов длявосстановления слуха при повреждениислухового нерваПредсказаниебиокерамикидолговечностиВосстановление корней зубовОртопедические имплантаты из апатитволластонитовой (A/W) стеклокерамикиБиоинертная керамикаТабл .
Свойства керамики, применяемой в медицинеСвойствоAl2O399.9% Al2O3+MgO3.97Плотность (г/см3)Прочность на изгиб (МПа)500Прочность на сжатие (МПа)4100Модуль Юнга (ГПа)380Трещиностойкость КIc(МПа·м-1/2) 4Теплопроводность (Вт·м·К-1)30Твердость (по Виккерсу)2200Хим.составMg–PSZTZPZrO2ZrO25.74–6450-70020002007–1521200>6900–120020002107–1021200Трениеиизноснекоторых биоматериаловТрансформационное упрочнение ZrO2Фазовые диаграммы системы CaO – P2O5 – H2OРис. Схема фазовых соотношений при рН2О = 500 мм.рт.стРис. Изотермический разрез (t=370C)Фосфаты кальцияХимическая формулаОбозначениеСа/РCa(H2PO4)2·H2OCa(H2PO4)2CaHPO4·2H2OCaHPO4Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2OCa10(PO4)6(OH)2АморфныйMCPMMCPDCPDDCP (CP)OCPHAPACP0.50.5111.331.5 –1.671.33–1.67Ca3(PO4)2 (α–, β– )Ca4P2O9α–, β–TCP (C3P)TetCP (C4P)1.52ИнтервалрН< 1.52–46–7>5рПР(37 0C)раств.раств.6.637.0295.9117.229.542.4pIP(плазмы крови) = –lg ( [Ca2+]10[PO43–]6[OH–]2 ) = 96Структура гидроксиапатита – Ca10(PO4)6(OH)2Пр.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
