Биосовместимые материаллы

Подарочный сертификат

Подарочный сертификат

ФОТО

DisaPhoto

Discount2

Главная>> Научные статьи>> Биосовместимые материаллы



Научные подходы к созданию биосовместимых  материалов, применяемых в стоматологии.

Автор: Олейник П.М. врач-стоматолог ортопед


В современной медицине широко применяются и исследуются биотехнические изделия и системы, в которых различные элементы и части взаимодействуют с биологическими жидкостями, мягкими и твердыми тканями организма. Это относится и к изделиям, предназначенным для  ортопедической стоматологии и челюстно-лицевой  хирургии. Материалы данных изделий должны обладать определенным комплексом биологических, физико-химических, медико-технических свойств, придающих им заданный уровень совместимости с биосредой. Исследования в области биомедицинских материалов и технологий ведутся в нескольких основных направлениях:

- изучение процессов взаимодействия материалов с биологическими жидкостями и тканями,

- разработка методов получения материалов и покрытий с заданными параметрами биосовместимости,

- создание количественных методов оценки свойств биосовместимых материалов и изделий,

- совершенствование методов экспериментально-клинического применения изделий из биосовместимых материалов.

Наибольшее значение в повышении эффективности процессов диагностики, терапевтического и хирургического лечения, восстановления функций либо замены органов, реабилитации пациентов имеет разработка методов получения материалов и покрытий, а также изделий, обладающих качествами биологической и механической совместимости. К медико-техническим изделиям, широко применяемым в указанных целях, относятся шовные нити, искусственная кожа, катетеры, трубки, протезы сосудов, клапаны сердца, кардиостимуляторы, мешки для крови, суставные эндопротезы, костные остеофиксаторы, офтальмологические линзы и протезы и стоматологические имплантаты. Эти медико-технические изделия могут взаимодействовать с кровью, лимфой, тканевой жидкостью, слюной, в отдельных случаях с желчью, желудочным соком и, кроме того, испытывать действие механических нагрузок.

Необходимая биосовместимость изделий в данных условиях достигается, в основном, за счет применения определенных металлических и неметаллических материалов. Они не должны вызывать иммунных реакций биосреды и организма, кроме того, их способность сохранять требуемые качества должна обеспечивать заданное функционирование изделий.

Биологическая совместимость материалов обусловлена определенным уровнем их биологических и физико-химических свойств, к которым относятся токсичность, стимулирование опухолеобразования, воздействие на кровь, стерилизуемость, рентгеноконтрастность, а также электрические, магнитные, оптические, химические свойства. Механическая совместимость определяет такое поведение изделий под действием функциональных механических нагрузок, которое не создает в биосреде механических повреждений, резорбции или некроза.

Биосовместимые металлы и сплавы могут подвергаться электрохимическому воздействию биосреды с опасностью их коррозии и появления металлоза прилегающих тканей. Органические полимеры в этих условиях могут приобретать структурные изменения за счет реакций водопоглощения и гидролиза с переходом продуктов распада в окружающую биосреду. Неорганические полимеры обладают физико- химической стойкостью, но могут иметь пониженную обрабатываемость и недостаточный уровень механических свойств. Поэтому в зависимости от характера биосовместимости материалов среди них выделяют биотолерантные, биоинертные и биоактивные.

Биотолерантные и биоинертные материалы, окруженные биосредой, с большей или меньшей активностью адсорбируют на своей поверхности протеины плазмы крови и волокна фибрина, образующие затем слой фиброзной ткани соответствующей толщины. Этот слой ограничивает плотность формирующихся структур мягких либо твердых биотканей на поверхности материала и не обеспечивает высокой стабильности функционирования изделия в биосреде.

Биоактивность материалов оказывает наиболее благоприятное влияние на их взаимодействие с биосредой. На поверхности таких материалов адсорбируется тонкий слой аморфных белковых структур, через который обеспечивается физико-химическая связь материала со средой. В этих условиях происходит ионизация атомов биоактивного материала и диффузия образовавшихся ионов в аморфный слой и биосреду. За счет протекания биоэлектрохимических реакций развивается деструкция материала, и в образующиеся несплошности происходит прорастание биоструктур окружающей среды, так что в результате формируется биотехническая система «изделие – биосреда». Этим достигается высокая стабильность положения изделия и эффективность его функционирования в организме. Приведенные качества биоактивности проявляют материалы, включающие некоторые биоинертные органические полимеры, кальцийфосфатные соединения, биостекла, биоситаллы, углеродные материалы.

Особенно важное значение имеет биоактивность материалов при изготовлении и применении имплантатов значительных сроков действия, используемых в стоматологической и ортопедической хирургии. Так, приживление и функционирование стоматологических имплантатов, эндопротезов в существенной степени зависит от нормального заживления имплантационной раны и протекания дальнейших процессов в зоне контакта имплантата с биосредой. Большую роль в этих условиях играют явления свертывания крови, представляющие несколько сложных стадий протеиновых реакций с коагуляцией тромбоцитов, образованием фибрина и кровяного сгустка. Данные процессы обусловливают быстрое заживление раны, но могут отрицательно сказываться на последующем функционировании имплантата. На поверхности костных имплантатов в этих условиях может создаваться слой фиброзной ткани, ограничивающий трофику прилегающей кости и процессы остеогенеза. Это препятствует образованию плотных костных структур и остеоинтеграции имплантата, стабилизирующей его положение и функционирование. В результате появляется опасность смещения имплантата, возникновения воспалительных процессов и его отторжения.

Предотвращение указанных явлений и формирование биоактивных свойств материалов достигается за счет создания их определенного химического состава, молекулярного строения и фазово-структурного состояния. Технологические процессы формирования оксидных биопокрытий характеризуются большим разнообразием, при этом они должны придать покрытию необходимые адгезионные свойства и качества биоактивности, включающие определенный фазовый состав, структурную пористость и морфологическую гетерогенность поверхности. В этих условиях происходит адсорбция аморфных белковых структур на поверхности покрытия, что обеспечивает его физико-химическую связь с биосредой. Благодаря данной связи возникает ионизация атомов материала покрытия с последующей диффузией ионов в белковый слой и в биосреду. Протекающие биоэлектрохимические реакции вызывают деструкцию материала, и в образующиеся несплошности прорастают костные структуры окружающей ткани, происходит остеоинтеграция с образованием прочной биотехнической системы «имплантат – кость».

Вышеназванные биоактивные материалы  с приведенными поверхностными характеристиками получают при помощи довольно сложных технологических процессов. Данные материалы часто используют для создания биоактивных покрытий на имплантатах из титана, циркония, никелида титана, имеющих биоинертные свойства. Технологические методы получения биоактивных покрытий включают золь-гелевые процессы, прессование и спекание материалов, вакуумно- конденсационное и газотермическое напыление. Существенными технико-экономическими достоинствами среди названных методов обладает способ плазменно-дугового напыления, позволяющий получать покрытия из различных биосовместимых материалов с заданными качествами биоактивности на имплантатах сложной формы.

В последние годы развиваются исследования, связанные с влиянием электрического заряда диэлектрических имплантационных материалов на повышение характеристик их биоактивности, в частности, за счет придания им тромборезистентности. При этом учитывается наличие природного отрицательного заряда клеток тромбоцитов, что дает возможность использовать методы электризации диэлектрических биоактивных материалов и покрытий для придания им электретного (заряженного) состояния с монополярным отрицательным зарядом, обеспечивающим тромборезистентность. Это позволяет исключить опасность тромбообразования, значительно улучшить трофику кости и процессы остеогенеза, а также снизить до минимума вероятность отторжения имплантатов.

При применении костных титановых имплантатов с электретным танталооксидным покрытием значительно сокращаются сроки остеоинтеграции имплантатов, восстановление нормальных функций костных структур, окончательная реабилитация организма.

Применяемые титановые стоматологические имплантаты с плазмонапыленными биопокрытиями обусловливают значительную продолжительность приживления в костной ткани челюсти, составляющую 4-6 месяцев. При этом доля случаев послеоперационного отторжения имплантатов достигает 3-4% . Проведенные в Саратовском государственном техническом университете исследования свойств плазмонапыленных гидроксиапатитовых покрытий на титановых стоматологических имплантатах, а также параметров пленки нестехиометрического диоксида титана, полученной при электрохимическом оксидировании титановых имплантатов, показали, что данные покрытия имеют регулируемую долю структурных и молекулярных несплошностей. В процессе электризации таких покрытий воздействием сильных электрических полей, коронного разряда в среде углекислого газа, а также потока электронов указанные микронесплошности могут играть роль «электронных ловушек», способствующих эффективному формированию отрицательного монополярного заряда и созданию электретного состояния . Подобное физическое состояние диэлектрических биопокрытий значительно повышает их биоактивность за счет действия на окружающую биоткань слабого внешнего электрического поля и стимулирования протекания ряда биофизических и биохимических реакций. При этом «замороженный» в диэлектрике электрический заряд может способствовать развитию на отрицательно-монополярной поверхности материала интенсивных сорбционных процессов по отношению к витаминам, протеинам, антибиотикам, что ускоряет остеоинтеграционный и реабилитационный периоды, ведет к сокращению сроков приживления имплантатов до 1-2 месяцев.

Имплантология как отрасль медицины в современных условиях развивается ускоренными темпами благодаря ее возможностям полного восстановления нарушенных либо утраченных функций органов и систем организма. Это достигается за счет применения имплантатов – медикотехнических изделий из небиологического материала, контактирующих с биологической средой в течение продолжительного времени. Наиболее широко используются костные имплантаты в стоматологии и ортопедии для замены утраченных либо исправления поврежденных костных структур организма. Стоматологические имплантаты, предназначенные для лечения заболеваний и исправления дефектов челюстно-лицевой системы, представляют искусственные корни зубов или специальные пластины для сращения и коррекции поврежденной костной ткани челюсти либо костей черепно-лицевой области.  Костные имплантаты испытывают биологическое влияние среды, а также  действие механических функциональных нагрузок. Поэтому часто применяются имплантаты комбинированной конструкции, характеризуемые наличием прочной металлической основы из биоинертных титана, циркония либо тантала и имеющие покрытие из биокерамического материала, который может представлять специально сформированный слой металлооксида. Свойства биосовместимости обусловливают способность оксидного покрытия к интеграции с окружающей биотканью и обеспечивают наиболее эффективное функционирование имплантата.

Функционирование биоструктур организма характеризуется протеканием биоэлектрохимических процессов, которые сопровождаются образованием биопотенциалов, а также появлением биотоков, что приводит к спонтанному возникновению явлений поляризации биоструктур. За счет этого формируется их электретное состояние и создаются собственные электрические поля, влияющие на процессы жизнедеятельности. Поэтому придание диэлектрическому оксидному покрытию электретного состояния приближает его качества к свойствам биоткани, улучшает их взаимодействие и стимулирует протекание интеграции. При этом поддерживаются процессы вещественного обмена, микроциркуляции биожидкостей, развивается регенерация биоткани без опасности тромбообразования, воспалительных осложнений и отторжения имплантата. Кроме того, на поляризованной  поверхности покрытия протекают интенсивные сорбционные явления по отношению к витаминам, протеинам, антибиотикам, что обеспечивает ускоренное и эффективное приживление имплантата в операционной ране. Наиболее значимым показателем электретного оксидного покрытия является высокая тромборезистентность, исключающая в начальный период остеоинтеграции образование тромбов в микрососудах, расположенных вблизи функциональной поверхности имплантата. Тромборезистентность достигается за счет создания в покрытии отрицательно-гомополярного заряженного состояния и внешнего квазистатического поля, воздействие которого на биоткань вызывает отталкивание тромбоцитов, имеющих природный отрицательный заряд. Поэтому при формировании заряда покрытия ему, как правило, придается отрицательный знак, что обеспечивается путем инжектирования электронов в структуру биоматериала и их закрепления в, так называемых, «электронных ловушках».

Электретное состояние диэлектриков может создаваться с использованием их внутренней, а также внешней релаксационной поляризации, для чего применяются такие способы, как термоэлектризация, короноэлектризация, фотоэлектризация, радиоэлектризация, механоэлектризация, трибоэлектризация . При этом необходимо учитывать, что биокерамические оксидные покрытия не обладают дипольной структурой, поэтому их электризация осуществляется путем внешней поляризации за счет накопления зарядов в «ловушках» - структурных дефектах и микронесплошностях. Кроме того, из- за сложности формы и малых размеров костных имплантатов, а также фотонепрозрачности их материалов и покрытий применение к ним механо-, трибо- и фотоэлектризации оказывается затруднительным либо невозможным, а термоэлектризация создает только слабые поверхностные заряды с коротким периодом существования квазистатического поля. Таким образом, для получения объемного гомополярного отрицательного заряда повышенного значения и увеличенной стабильности целесообразно использовать способы радиационной поляризации диэлектрических оксидных биопокрытий путем b-облучения, а также поляризации в условиях коронного разряда.

Электризация путем b-облучения.

В данных условиях электретное состояние покрытия возникает за счет воздействия на него потока быстрых электронов, причем способ реализуется как при действии электрического поля, так и в его отсутствие. При действии электрического поля оксидированный имплантат размещается между двумя тонкими электродами, так что длина свободного пробега электронов превышает толщину покрытия, и электроны b-облучения могут проникать насквозь. Электрическое поле, воздействующее на покрытие, имеет напряженность порядка 20 кВ/см, что вызывает направленное смещение свободных заряженных частиц и их закрепление в структурных «ловушках». Электронный поток с энергией около 10 МэВ формируется в ускорителе и выходит из его окна, где на расстоянии 0,1…0,3 мм располагается верхний электрод системы, имеющий вид сетки. В результате воздействия пронизывающих покрытие электронов на его поляризованную структуру в течение нескольких минут происходит усиление направленного смещения заряженных частиц и возрастание величины гомополярного отрицательного заряда покрытия. Без применения электрического поля радиационная электризация осуществляется при размещении имплантата с покрытием на электроде в вакуумной камере ускорителя, где создается электронный поток с энергией 2,5 МэВ.

Воздействие потока заключается в проникновении электронов на глубину до 0,4 мм, их закреплении в «ловушках» и формировании отрицательного заряда во внешнем слое покрытия с образованием положительного заряда на его внутренней приграничной поверхности. В результате b-облучения оксидное биопокрытие костных имплантатов приобретает гомополярный отрицательный заряд повышенной стабильности с продолжительностью существования от нескольких недель до нескольких месяцев. Величина плотности заряда составляет примерно 10-8 Кл/см2, что близко соответствует плотности естественного заряда костной ткани. В этих условиях происходит стимулирование процессов остеогенеза, ускорение остеоинтеграции электретного имплантата и его приживления в кости. Последующее функционирование имплантата протекает с предотвращением возможности образования фиброзной прослойки, опасности расшатывания имплантата, воспаления окружающих тканей и отторжения.

Электризация в условиях коронного разряда.

Применение методов поляризации для изготовления костных имплантатов связано со значительными технологическими трудностями, в то же время короноэлектризация по сравнению с вышеуказанными методами является технологически более простой и эффективной.

Сущность короноэлектризации состоит в создании коронного разряда на поверхности оксидного покрытия с помощью поляризующих электродов в виде тонких игл либо струн, расположенных вблизи коронируемой поверхности. Приложенное к электродам повышенное напряжение создает за счет малой площади их поверхности большую напряженность электрического поля с высокой его неоднородностью, чем вызывается ионизация и пробой воздушного промежутка при низких значениях тока. Возникающий коронный разряд между самими поляризующими электродами и поверхностью покрытия формирует поток ионов и лавину электронов, направленную к покрытию и инжектирующую электроны в его поверхностный слой, при соединении покрытия с массой через металлический имплантат.

В результате коронирования покрытия образуется гомополярный отрицательный заряд, формирующий стабильное электретное состояние поверхностного слоя. Наиболее перспективным является применение коронирования для электризации оксидных биопокрытий небольшой толщины на имплантатах малого габарита, к которым относятся, например, стоматологические костные конструкции, ортопедические остеофиксаторы и эндопротезы.

Рассмотренные способы электризации путем b-облучения и коронирования должны пройти комплексное исследование их влияния на качества биоактивности оксидных покрытий металлоимплантатов. На основе результатов исследования должна проводится отработка конструктивно- технологических параметров для создания технологии получения костных имплантатов с электретными покрытиями, обладающими высокими качествами биоактивности.

Первые положительные результаты применения электретных пленок пятиокиси тантала в медицине были получены в следующих областях: в ортопедической стоматологии - использование имплантатов с электретным покрытием, что исключало местные воспалительные осложнения, сокращало сроки приживления имплантатов. В травматологии и ортопедии применение электретных покрытий при эндопротезировании устраняло эффект отторжения медицинского инструментария, способствовало ускорению развития костной ткани при лечении переломов. При изучении периферического кровообращения в зоне перелома трубчатых костей на фоне действия электретов уже к концу второй недели отмечалось образование сети сосудов, тогда как в группе стандартного лечения аналогичная реакция была значительно слабее. Однонаправленные эффекты были получены и при исследовании рентгенологической картины.

Стимулирующее влияние электретов  обнаружено и в отношении регенерации поврежденных периферических нервных стволов: чувствительная функция нерва восстановилась раньше и более полно, чем в группе стандартного лечения, за счёт улучшения роста аксонов, миелинизации и торможения развития в них соединительной ткани. Скорость проведения возбуждения по двигательным волокнам нерва увеличивалась в среднем на 10 м/с.

Одним из наиболее перспективных способов использования электретных покрытий в стоматологии является применение дентальных имплантатов с нанесенной на их поверхность электретной пленкой пятиокиси тантала (Ta2O5). Нанесение на поверхность имлантатов электретного пленочного покрытия из пятиокиси тантала способствует наиболее оптимальному протеканию процессов остеоинтеграции, сводит к минимуму риск развития ближайших и отдаленных воспалительных осложнений, позволяет надеяться на благоприятный исход имплантации даже у прогностически неблагоприятной категории пациентов.

Электризация биосовместимых диэлектриков является новым научно-производственным направлением в создании современных биоактивных материалов, обладающих комплексом ранее неизученных электрических свойств. Разработка и совершенствование специализированного исследовательского оборудования, использование наукоемких технологий открывают перспективы значительного роста эффективности применения в медицине электретных биодиэлектриков.



Главная>> Научные статьи>> Биосовместимые материаллы

 

Поиск

Как нас найти

Стоматология в Минске

УЗИ в Минске

Наш адрес:

Беларусь, г. Минск,

ул. Притыцкого,
д. 83 - 29Н

 

Увеличенное изображение

 

Телефоны:

Velcom:
(029) 313-29-29

 

MTC:
(029) 255-25-46

 

Город:
(017) 253-29-29

Время работы:

Пн - Пт с 9-00 до 20-00

Выходной:

Суббота, воскресенье

Partners

Каталог TUT.BY Аптеки, лекарства, медучреждения