Основные этапы истории разработки материалов для замещения дефектов костных тканей - Реферат

За последние 30 лет использовано более 40 различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для лечения, восстановления и замены более 40 различных частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокона, костную ткань. Разработка заменителей костной ткани знаменует, по словам проф. Л. Хенча, революционный этап в развитии человечества: «Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни в области использования керамики в медицинских целях. Это инновационное применение специально спроектированных керамических материалов для замены и лечения больных или поврежденных частей тела» [1,с.1705]. Эту область современного материаловедения именуют биокерамикой, она охватывает материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочные материалы в стоматологии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, медико-косметические средства [2].

Состав и строение естественной костной ткани – биологические аспекты. В состав костей входят как органические, так и неорганические вещества; количество первых тем больше, чем моложе организм; в связи с этим кости молодых животных отличаются гибкостью и мягкостью, а кости старых – твёрдостью и хрупкостью.

Минеральная составляющая кости – это кальций дефицитный, изоморфно-замещенный гидроксиапатит Са9(HPO4)(PO4)5(OH)2 с изоморфными замещениями c Na, Mg ® Ca; CO3 ® PO4, OH. Кристаллы гидроксиапатита присутствуют в кости в форме пластин с размерами 50×20×5 нм, ориентированных определенным образом по отношению к оси коллагеновых волокон. У взрослого человека количество минеральной части составляет около 60 – 70 % веса кости, а органическое вещество (главным образом коллаген) – 30 – 40 %. Выделяют до семи уровней организации костной ткани – кости, остеон, ламели, волокно, фибрилла, гидроксиапатит и коллаген, а также различные характеры укладки коллагеновых молекул. Органический костный матрикс и неорганическая составляющая образуют своеобразный композиционный материал.

В костях различают плотное и губчатое костное вещество. Первое отличается однородностью, твёрдостью и составляет наружный слой кости; оно особенно развито в средней части трубчатых костях и утончается к концам; в широких костях оно составляет 2 пластинки, разделённые слоем губчатого вещества; в коротких оно в виде тонкой плёнки одевает кость снаружи. Губчатое вещество состоит из пластинок, пересекающихся в различных направлениях, образуя систему полостей и отверстий, которые в середине длинных костей сливаются в большую полость.

Понятие биоматериалов, их свойства и этапы становления. Биоматериалами называют материалы, функционирующие в контакте и во взаимодействии с живыми тканями, органами и организмами. К биоматериалам предъявляется ряд требований, связанный с их специфической функцией. Первые биоматериалы упоминаются еще в древнем мире: около 2000 тысяч лет назад люди стали применять драгоценные металлы – золото, серебро, а в последствии платину в качестве различных имплантатов. Дальнейшее развитие биоматериалов было связано с такими направлениями, как разработки по шовным материалам, контактным линзам, материалам по замещению дефектов костной ткани.

В качестве шовного материала издавна применяли волокна сухожилий животных, волос, шелковые и хлопчатобумажные нити, металлическую проволоку и другие материалы. Значительный вклад в научную разработку вопросов применения шовного материала внес Н.И.Пирогов, перечислив необходимым качества такого материала:

1. шовный материал должен вызывать минимальные нарушения и воспаление в тканях
2. шовный материал должен иметь гладкую, ровную поверхность;
3. шовный материал не должен абсорбировать содержимое раны, набухать, вызывать брожение и становиться источником заражения;
4. нить при достаточной прочности и эластичности не должна быть объемной и склеиваться с окружающими тканями [4].

Применяемы сегодня шовные материалы должны также хорошо скользить в тканях и прочно завязываться в узел, быть эластичным, достаточно растяжимым, чтобы не вызывать сдавления и некроза тканей при нарастающем отеке; быть биологически совместимым с живыми тканями, обладая при этом минимальной реактогенностью; биодеградация нитей должна совпадать со сроками заживления раны; шовный материал не должен обладать гигроскопическими свойствами, разбухать и оказывать аллергизирующего воздействия на организм. Усиленный научный поиск материала, отвечающего всем этим требованиям, еще не увенчался полным успехом, в связи, с чем в современной хирургической практике используется более 30 видов шовного материала [5].

Впервые идею использовать контактную коррекцию высказал Леонардо да Винчи в 1508 году. В архиве его работ находится рисунок глаза с заполненной водой ванночкой – прообразом современных контактных линз. В 1888 году А. Фик описал первую стеклянную линзу, обладающую оптической силой.

До 1960-х годов контактные линзы изготавливали только из органического стекла (PMMA). Жесткие PMMA линзы были некомфортны при ношении, вызывали ощущение инородного тела в глазу и не пропускали к роговице глаза необходимый для ее нормального функционирования кислород [7].

Материалы для замещения дефектов костных тканей. В качестве первых имплантатов с глубокой древности вплоть до XVIII века применялись драгоценные металлы, в основном золото и серебро, позднее также платина. В XIX веке в клиническую практику вошло использование высококачественных нержавеющих сталей. На смену им в начале XX века пришли высокопластичные танталовые, легкие титановые и высокопрочные кобальтовые и молибденовые сплавы. Большинство имплантатов на сегодняшний день металлические, широкое применение которых обусловлено их прочностью, жесткостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Создание титановых имплантатов. В 1965 профессор Ингвар Бранемарк возглавлял группу исследователей в Университете Гетеборга (Швеция) проводивших исследования, которые, в конечном счете, привели к открытию явления остеоинтеграции (приживления титана в костной ткани). Исследования Бранемарка были направлены на изучение аспектов восстановления и регенерации кости после травмы. На основании этого явления был сделан вывод о биоинертности титана, а последующие исследования привели к созданию наиболее прогрессивной системы протезирования за всю мировую историю стоматологии и ортопедии.

В качестве корпуса оптической камеры Бранемарк решил использовать титан. Этот металл был обнаружен в 1791, но его чистая форма была получена более чем через 100 лет. Его коммерческое производство требовало развития новых методов механической обработки, чтобы достигнуть той структуры поверхности, которая воспринимается живыми тканями. Титан обладает высокой стойкостью к химическому воздействию, и является более стойким к коррозии, чем безупречная нержавеющая сталь. Благодаря этим свойствам, чистый титан стал идеальным металлом для экспериментов Бранемарка. Кроме того, этот металл был рекомендован хирургом-ортопедом Хансом Эмневсом из Лунда, который исследовал различные металлы, используемые в качестве бедренных протезов. Бранемарк получил образец металла, изготовленного Avesta Jernverk, и начал использовать чистый титан для изготовления камер. Было установлено явление остеоинтеграции титана, которое привело к широкому использованию титана в качестве материала костного имплантата. Бранемарк установил и описал основные принципы полного сращения титановой структуры с костью это - высокая точность компонентов и минимальная травма костной ткани, компоненты должны быть полностью стерильны, чтобы избежать инфицирования. [8]
Титановые имплантаты широко применяются и сегодня, спустя 50 лет. Основной проблемой в применении титана для медицинского назначения является возможная цитотоксичная реакция организма на биоинертный материал. Во избежание подобной реакции на титановые имплантаты принято наносить биосовместимые покрытия, как правило, включающие в свой состав ионы кальция, фосфора и кислорода, стимулирующие рост костной ткани.

На кафедре ПМиФП НИТУ МИСИС разработан новый класс материалов - многокомпонентные биосовместимые и биоактивные наноструктурные пленки и покрытия для сильно нагруженных имплантатов, применяемых в ортопедии, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Данный класс тонкопленочных наноматериалов в системах типа Ti-( Ca, P, Zr, Ta, Si)-( C, N, O) имеет уникальное сочетание необходимых для медицинского применения физических, физико-механических, трибологических, биологических, химических свойств [9]. Комбинация высокой твердости и упругого восстановления характеризует многокомпонентное наноструктурное покрытие как новый уникальный твердый и в то же время упругий материал, что является важнейшим фактором для материалов медицинского назначения, работающих под нагрузкой.[10,11]

Также в НИТУ МИСИС создан новый титановый сплав для ортопедической импланталогии - псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов. Данный материал может использоваться для изготовления имплантатов (штифтов), внедряемых в костную ткань. Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов в объеме состоит из сплава титана, ниобия и тантала. Материал имеет двухфазную структуру, включающую механически неустойчивую бета-фазу и орторомбический мартенсит. Поверхность материала покрыта защитной пленкой из оксида титана. Такая структура обеспечивает механические свойства, схожие со свойствами кости: необычно низкие для металлов значения твердости и модуля упругости и высокое упругое восстановление. Учитывая все достоинства новых сплавов, можно предположить, что импланты из них способны заменить существующие импланты из титана и нитинола[12].

Появление имплантатов из никелида титана. В начале 60-х годов в «Naval Ordnance Laboratory» (США) были обнаружены эффект памяти формы и сверхэластичные свойства в сплавах никеля и титана равного состава. В зарубежной литературе этот сплав был назван нитинолом по химической формуле TiNi и аббревиатуре названия лаборатории. Позже это название было вытеснено химическим — никелид титана. Изначально сплав использовался в военной и авиационной промышленности.

В СССР в начале 70-х годов в Сибири были развернуты широкомасштабные исследования по внедрению в медицину нового поколения материалов. В основе этого лежало открытие явления гистерезисного запаздывания биологических тканей, сделанное Г.Э. Гюнтером. «Живая ткань» в ответ на любое воздействие, включая механическое, в начальный момент «думает», как ей поступить, т.е. ее реакция не мгновенна, а проявляется с некоторым запаздыванием. При снятии воздействия внешних факторов реакция «живой ткани» также запаздывает, и это проявляется в том, что она некоторое время сопротивляется снятию самих внешних факторов, например, сопротивляется снятию напряжения, оставаясь в напряженном состоянии. Величина гистерезиса тканей является их конкретной характеристикой. Это означает, что оптимальный имплантат должен обладать биомеханической совместимостью с тканями организма, т.е. быть по поведению подобным живой ткани. Этому требованию удовлетворяли изделия из сплавов никеля и титана [13 – 15]. Однако широкое применение этих сплавов сдерживается сложностью металлургического производства никелида титана, очень сложной технологией переработки полуфабриката в изделие с гарантированными температурами срабатывания и силовыми характеристиками и, как следствие — высокой стоимостью [16, 17].

В середине 90-х годов ХХ века технология производства изделий из никелида титана значительно изменилась. Так, в «МАТИ – Медтех» при Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского разработана оригинальная технология изготовления изделий из сплавов на основе никелида титана. Использование новой технологии позволяет управлять структурой никелида титана на наноуровне и создавать изделия с заранее заданными температурными и силовыми характеристиками [18]. В последние годы в Томском НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы разработаны пористые имплантаты из сплава ТН-1П на основе никелида титана. Отличием их от монолитного никелида титана является взаимодействие с тканями в виде прорастания ткани в поры имплантата [19].

В НИТУ МИСИС активные исследования материалов с памятью формы ведутся в лаборатории термомеханической обработки (ТМО) кафедры ПДСС. Данное научное направление сформировалось на кафедре в конце 70-х годов. Создаются новые материалы, а также новое уникальное медицинское оборудование на их основе. Например, дилататор желчных протоков предназначен для неоперативного лечения желчекаменной болезни, в частности при осуществлении дилатирования протоков эндоскопическим способом. Он позволяет восстановить просвет пораженных органов с возможностью последующего извлечения после выполнении им своих функций [20].

Ловушка для извлечения инородных тел из полых органов используется в хирургии полых трубчатых органов человека. Ловушка содержит рабочую часть в виде бранш. Рабочая часть выполнена для продольного перемещения внутри катетера и захвата конкремента поворотом за счет геликоидальной формы [21].

Совместно с учеными и врачами Московского научно-исследовательского института глазных болезней им. Гельмгольца разработан и запатентован способ хирургического лечения высокой осложненной близорукости и устройство для его осуществления. Данная разработка предназначена для хирургического лечения высокой осложненной близорукости. Осуществляют размещение устройства, представляющего собой трансплантат, выполненный в виде лент, на задний полюс глаза [22].