Биокерамика и биостекла – это биосовместимые керамические материалы . [1] Биокерамика является важной разновидностью биоматериалов . [2] [3] Биосовместимость биокерамики варьируется от керамических оксидов , которые инертны в организме, до другой крайности - рассасывающихся материалов, которые в конечном итоге заменяются организмом после того, как они способствуют восстановлению. Биокерамика используется во многих видах медицинских процедур. Биокерамика обычно используется в качестве жесткого материала в хирургических имплантатах , хотя некоторые виды биокерамики могут быть гибкими. Используемые керамические материалы отличаются от керамических материалов фарфорового типа. Скорее, биокерамика тесно связана либо с собственными материалами тела, либо представляет собой чрезвычайно прочные оксиды металлов .
До 1925 года материалы, используемые в имплантологии, в основном представляли собой относительно чистые металлы. Успех этих материалов был неожиданным, учитывая относительно примитивные хирургические методы. 1930-е годы ознаменовали начало эры более совершенных хирургических методов, а также первого использования таких сплавов, как виталлий .
В 1969 году Л. Л. Хенч и другие обнаружили, что различные виды стекла и керамики могут прикрепляться к живой кости. [4] [5] Хенч был вдохновлен этой идеей по дороге на конференцию по материалам. Он сидел рядом с полковником, только что вернувшимся с войны во Вьетнаме. Полковник рассказал, что после ранения тела солдат часто отказывались от имплантата. Хенч был заинтригован и начал исследовать биосовместимые материалы. Конечным продуктом стал новый материал, который он назвал биостеклом . Эта работа вдохновила новую область под названием биокерамика. [6] С открытием биостекла интерес к биокерамике быстро вырос.
26 апреля 1988 года в Киото, Япония, состоялся первый международный симпозиум по биокерамике. [7]
Керамика сейчас широко используется в медицине в качестве зубных и костных имплантатов . [8] [9] Регулярно используются хирургические металлокерамики . Замены суставов обычно покрывают биокерамическим материалом для уменьшения износа и воспалительной реакции. Другими примерами медицинского применения биокерамики являются кардиостимуляторы , аппараты для диализа почек и респираторы. [6]
Биокерамика предназначена для использования в системах экстракорпорального кровообращения ( например, диализе ) или инженерных биореакторах; однако чаще всего они используются в качестве имплантатов . [10] Керамика находит множество применений в качестве биоматериалов благодаря своим физико-химическим свойствам. Их преимуществом является то, что они инертны для человеческого тела, а их твердость и устойчивость к истиранию делают их полезными для замены костей и зубов. Некоторые виды керамики также обладают превосходной устойчивостью к трению, что делает их полезными в качестве материалов для замены неисправных суставов . Такие свойства, как внешний вид и электрическая изоляция, также важны для конкретных биомедицинских применений.
Некоторые биокерамики содержат оксид алюминия (Al 2 O 3 ), поскольку срок их службы дольше, чем у пациента. Материал может быть использован в косточках среднего уха , глазных протезах, электроизоляции кардиостимуляторов, отверстиях катетеров и в многочисленных прототипах имплантируемых систем, таких как сердечные насосы. [11]
Алюмосиликаты обычно используются в зубных протезах в чистом виде или в керамико-полимерных композитах . Керамо-полимерные композиты являются потенциальным способом пломбирования полостей, заменяя амальгамы, обладающие подозрением на токсическое действие. Алюмосиликаты также имеют стекловидную структуру. В отличие от искусственных зубов из смолы, цвет зубной керамики остается стабильным [10] [12] Цирконий, легированный оксидом иттрия, был предложен в качестве заменителя оксида алюминия в костно-суставных протезах. Основными преимуществами являются большая прочность на разрушение и хорошая устойчивость к усталости.
Также используется стеклоуглерод, поскольку он легкий, устойчив к износу и совместим с кровью. Чаще всего его используют при замене сердечного клапана. Алмаз можно использовать для того же применения, но в виде покрытия. [11]
Керамика на основе фосфата кальция в настоящее время представляет собой предпочтительный материал-заменитель кости в ортопедии и челюстно-лицевой области, поскольку по структуре и химическому составу она аналогична основной минеральной фазе кости. Такие синтетические заменители кости или материалы каркаса обычно являются пористыми, что обеспечивает увеличенную площадь поверхности, что способствует остеоинтеграции, включая колонизацию клеток и реваскуляризацию. Однако такие пористые материалы обычно обладают меньшей механической прочностью по сравнению с костью, что делает высокопористые имплантаты очень хрупкими. Поскольку значения модуля упругости керамических материалов обычно выше, чем у окружающей костной ткани, имплантат может вызывать механические напряжения на границе с костью. [10] Фосфаты кальция, обычно встречающиеся в биокерамике, включают гидроксиапатит (HAP) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ; трикальцийфосфат β (β TCP): Ca 3 (PO 4 ) 2 ; и смеси HAP и β TCP.
Таблица 1: Применение биокерамики [11]
Таблица 2: Механические свойства керамических биоматериалов [11]
Ряд имплантированной керамики на самом деле не предназначен для конкретных биомедицинских применений. Однако благодаря своим свойствам и хорошей биосовместимости им удается найти применение в различных имплантируемых системах. Среди такой керамики можно назвать карбид кремния , нитриды и карбиды титана , нитрид бора . TiN был предложен в качестве поверхности трения в протезах бедра. Хотя тесты на клеточных культурах показывают хорошую биосовместимость, анализ имплантатов показывает значительный износ , связанный с отслаиванием слоя TiN. Карбид кремния — еще одна современная керамика, которая, по-видимому, обеспечивает хорошую биосовместимость и может использоваться в костных имплантатах. [10]
Помимо традиционных свойств, биоактивная керамика нашла особое применение благодаря своей биологической активности . Распространенными примерами являются фосфаты, оксиды и гидроксиды кальция. Другие природные материалы — обычно животного происхождения — такие как биостекло и другие композиты, представляют собой комбинацию минерально-органических композитных материалов, таких как HAP, оксид алюминия или диоксид титана, с биосовместимыми полимерами (полиметилметакрилат): ПММА, поли(L-молочная) кислота. : PLLA, поли(этилен). Композиты можно разделить на биорезорбируемые и небиорезорбируемые, причем последние являются результатом сочетания биорезорбируемого фосфата кальция (ГАП) с небиорезорбируемым полимером (ПММА, ПЭ). Эти материалы могут получить более широкое распространение в будущем из-за множества возможностей комбинирования и их способности сочетать биологическую активность с механическими свойствами, аналогичными свойствам кости. [11]
Антикоррозионные, биосовместимые и эстетические свойства биокерамики делают ее вполне подходящей для медицинского использования. Циркониевая керамика обладает биоинертностью и нецитотоксичностью. Углерод — еще одна альтернатива с механическими свойствами, аналогичными кости, а также совместимостью с кровью, отсутствием реакции со стороны тканей и нетоксичностью для клеток. Биоинертная керамика не имеет связи с костью, известной как остеоинтеграция. Однако биоактивность биоинертной керамики может быть достигнута путем формирования композитов с биоактивной керамикой. Биоактивная керамика, в том числе биостекла, должна быть нетоксичной и образовывать связь с костью. В приложениях для восстановления костей, т.е. в качестве каркасов для регенерации костей, растворимость биокерамики является важным параметром, и медленная скорость растворения большинства биокерамик по сравнению со скоростью роста кости остается проблемой при их лечебном использовании. Неудивительно, что большое внимание уделяется улучшению характеристик растворения биокерамики при сохранении или улучшении ее механических свойств. Стеклокерамика обладает остеоиндуктивными свойствами с более высокой скоростью растворения по сравнению с кристаллическими материалами, тогда как кристаллическая керамика из фосфата кальция также проявляет нетоксичность для тканей и биорезорбцию. Армирование керамическими частицами привело к выбору большего количества материалов для применения в имплантатах, включая композиты керамика/керамика, керамика/полимер и керамика/металл. Было обнаружено, что среди этих композитов керамико-полимерные композиты выделяют токсичные элементы в окружающие ткани. Металлы сталкиваются с проблемами, связанными с коррозией, а керамические покрытия на металлических имплантатах со временем разрушаются при длительном использовании. Керамо-керамические композиты обладают преимуществом благодаря сходству с костными минералами, биосовместимости и готовности к формованию. Биологическую активность биокерамики необходимо учитывать при различных исследованиях in vitro и in vivo . Потребности в производительности необходимо учитывать в соответствии с конкретным местом имплантации. [11]
Технически керамика состоит из сырья, такого как порошки и натуральные или синтетические химические добавки , способствующие либо уплотнению (горячему, холодному или изостатическому), схватыванию (гидравлическому или химическому), либо ускорению процессов спекания . В зависимости от рецептуры и используемого процесса формования биокерамика может различаться по плотности и пористости, как цементы , керамические отложения или керамические композиты. Пористость часто желательна в биокерамике, включая биостекла. Для улучшения характеристик трансплантированной пористой биокерамики доступны многочисленные методы обработки для контроля пористости , распределения пор по размерам и выравнивания пор. Для кристаллических материалов размер зерен и дефекты кристаллов обеспечивают дополнительные пути усиления биодеградации и остеоинтеграции, которые являются ключевыми для эффективных материалов для костных трансплантатов и костных трансплантатов. [10] Этого можно достичь путем включения присадок, измельчающих зерно, и путем придания дефектов кристаллической структуре различными физическими способами.
Развивающаяся технология обработки материалов, основанная на биомиметических процессах, направлена на имитацию природных и биологических процессов и дает возможность изготовления биокерамики при температуре окружающей среды, а не с помощью традиционных или гидротермальных процессов [GRO 96]. Перспектива использования таких относительно низких температур обработки открывает возможности для создания минерально-органических комбинаций с улучшенными биологическими свойствами за счет добавления белков и биологически активных молекул (факторов роста, антибиотиков, противоопухолевых средств и т. д.). Однако эти материалы имеют плохие механические свойства, которые можно частично улучшить за счет объединения их со связывающими белками. [10]
Обычные биоактивные материалы, коммерчески доступные для клинического использования, включают биоактивное стекло 45S5, биоактивную стеклокерамику A/W, плотную синтетическую ГК и биоактивные композиты, такие как смесь полиэтилена и ГК. Все эти материалы образуют межфазную связь с прилегающей тканью. [12]
Биокерамика из оксида алюминия высокой чистоты в настоящее время коммерчески доступна от различных производителей. Британский производитель Morgan Advanced Ceramics (MAC) начал производство ортопедических устройств в 1985 году и быстро стал признанным поставщиком керамических головок бедренной кости для замены тазобедренного сустава. Компания MAC Bioceramics имеет самую долгую клиническую историю в области керамических материалов на основе глинозема, производя оксид алюминия HIP Vitox® с 1985 года. [13] Таким образом, некоторые фосфаты с дефицитом кальция и апатитовой структурой были коммерциализированы как «трикальцийфосфат», хотя они и не имели ожидаемой кристаллической структуры. трикальцийфосфата. [13]
В настоящее время многочисленные коммерческие продукты, называемые ГК, доступны в различных физических формах (например, гранулы, специально разработанные блоки для конкретных применений). Композит ГК/полимер (ГК/полиэтилен, HAPEXTM) также коммерчески доступен для изготовления ушных имплантатов, абразивов и покрытий, наносимых плазменным напылением, для ортопедических и зубных имплантатов. [13]
Биокерамика также используется в устройствах для каннабиса или дельта-8 в качестве фитилей для испарения таких экстрактов. [14]
Биокерамика была предложена в качестве возможного метода лечения рака . Предложены два метода лечения: гипертермия и лучевая терапия . Лечение гипертермии включает имплантацию биокерамического материала, содержащего феррит или другой магнитный материал. [15] Затем эта область подвергается воздействию переменного магнитного поля, в результате чего имплантат и окружающая его область нагреваются. Альтернативно, биокерамические материалы могут быть легированы β-излучающими материалами и имплантированы в раковую область. [2]
Другие направления включают инженерную биокерамику для конкретных задач. Текущие исследования включают химию, состав, микро- и наноструктуру материалов для улучшения их биосовместимости. [16] [17] [18]