Биокерамика

Биокерамика и биостекло — это керамические материалы, которые являются биосовместимыми. Биокерамика — это важный подвид биоматериалов. Биокерамика варьируется по биосовместимости от керамических оксидов, которые инертны в организме, до другой крайности — рассасывающихся материалов, которые в конечном итоге заменяются организмом после того, как они помогли восстановиться. Биокерамика используется во многих типах медицинских процедур. Биокерамика обычно используется в качестве жесткого материала в хирургических имплантатах, хотя некоторые виды биокерамики являются гибкими. Используемые керамические материалы не совпадают с керамическими материалами типа фарфора. Скорее, биокерамика тесно связана либо с собственными материалами организма, либо с чрезвычайно прочными оксидами металлов.

История

До 1925 года в качестве материалов для имплантационной хирургии использовались преимущественно относительно чистые металлы. Успех этих материалов был неожиданным, учитывая относительно примитивные хирургические методы. 1930-е годы ознаменовали начало эпохи более совершенных хирургических методов, а также первое использование сплавов, таких как виталий.

В 1969 году Л. Л. Хенч и другие обнаружили, что различные виды стекол и керамики могут связываться с живой костью. Хенч был вдохновлен этой идеей по пути на конференцию по материалам. Он сидел рядом с полковником, который только что вернулся с войны во Вьетнаме. Полковник поделился, что после ранения тела солдат часто отторгали имплантат. Хенч был заинтригован и начал исследовать материалы, которые были бы биосовместимы. Конечным продуктом стал новый материал, который он назвал биостеклом. Эта работа вдохновила на создание новой области под названием биокерамика. С открытием биостекла интерес к биокерамике быстро возрос.

26 апреля 1988 года в Киото, Япония, состоялся первый международный симпозиум по биокерамике.

Приложения

Керамика теперь широко используется в медицине в качестве зубных и костных имплантатов. Хирургическая металлокерамика используется регулярно. Заменители суставов обычно покрываются биокерамическими материалами для снижения износа и воспалительной реакции. Другие примеры медицинского использования биокерамики — кардиостимуляторы, аппараты для диализа почек и респираторы.

Механические свойства и состав

Биокерамика предназначена для использования в системах экстракорпорального кровообращения (например, диализ) или в инженерных биореакторах; однако, она наиболее распространена в качестве имплантатов. Керамика показывает многочисленные применения в качестве биоматериалов из-за своих физико-химических свойств. Она имеет преимущество в том, что она инертна в организме человека, а ее твердость и устойчивость к истиранию делают ее полезной для замены костей и зубов. Некоторые виды керамики также обладают превосходной устойчивостью к трению, что делает ее полезной в качестве материалов для замены неисправных суставов. Такие свойства, как внешний вид и электроизоляция, также являются проблемой для определенных биомедицинских применений.

Некоторые биокерамические материалы включают оксид алюминия (Al₂O₃), поскольку их срок службы больше, чем у пациента. Материал может использоваться в косточках среднего уха, глазных протезах, электроизоляции для кардиостимуляторов, отверстиях катетеров и в многочисленных прототипах имплантируемых систем, таких как сердечные насосы.

Алюмосиликаты обычно используются в зубных протезах, в чистом виде или в составе керамических полимерных композитов. Керамические полимерные композиты являются потенциальным способом заполнения полостей, заменяя амальгамы, предположительно обладающие токсическим эффектом. Алюмосиликаты также имеют стекловидную структуру. В отличие от искусственных зубов из смолы, цвет зубной керамики остается стабильным. Цирконий, легированный оксидом иттрия, был предложен в качестве замены оксиду алюминия для костно-суставных протезов. Основными преимуществами являются большая прочность на разрыв и хорошая устойчивость к усталости.

Стекловидный углерод также используется, поскольку он легкий, устойчив к износу и совместим с кровью. Он в основном используется при замене сердечного клапана. Алмаз может использоваться для тех же целей, но в виде покрытия.

Керамика на основе фосфата кальция в настоящее время является предпочтительным материалом для замены костной ткани в ортопедических и челюстно-лицевых применениях, поскольку по структуре и химическому составу она похожа на основную минеральную фазу кости. Такие синтетические материалы для замены костной ткани или каркасные материалы обычно пористые, что обеспечивает увеличенную площадь поверхности, которая способствует остеоинтеграции, включая колонизацию клеток и реваскуляризацию. Однако такие пористые материалы обычно обладают более низкой 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. Фосфаты кальция, обычно встречающиеся в биокерамике, включают гидроксиапатит (ГАП) Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂; трикальцийфосфат β (β TCP): Ca₃ (PO₄)₂; и смеси HAP и β TCP.

Таблица 1: Применение биокерамики

Таблица 2: Механические свойства керамических биоматериалов

Многоцелевой

Ряд имплантируемых керамических материалов на самом деле не были разработаны для конкретных биомедицинских применений. Тем не менее, им удается найти свой путь в различные имплантируемые системы благодаря своим свойствам и хорошей биосовместимости. Среди этих керамических материалов можно назвать карбид кремния, нитриды и карбиды титана и нитрид бора. TiN был предложен в качестве поверхности трения в протезах тазобедренного сустава. В то время как тесты на клеточных культурах показывают хорошую биосовместимость, анализ имплантатов показывает значительный износ, связанный с отслоением слоя TiN. Карбид кремния — еще одна современная керамика, которая, по-видимому, обеспечивает хорошую биосовместимость и может использоваться в костных имплантатах.

Специальное использование

Помимо использования из-за их традиционных свойств, биоактивная керамика нашла особое применение из-за своей биологической активности. Фосфаты, оксиды и гидроксиды кальция являются распространенными примерами. Другие природные материалы — как правило, животного происхождения — такие как биостекло и другие композиты представляют собой комбинацию минерально-органических композитных материалов, таких как ГАП, оксид алюминия или диоксид титана, с биосовместимыми полимерами (полиметилметакрилат): ПММА, поли(L-молочная) кислота: ПЛМК, поли(этилен). Композиты можно разделить на биорезорбируемые и небиорезорбируемые, причем последний является результатом комбинации биорезорбируемого фосфата кальция (ГАП) с небиорезорбируемым полимером (ПММА, ПЭ). Эти материалы могут стать более распространенными в будущем из-за многочисленных возможностей комбинирования и их способности сочетать биологическую активность с механическими свойствами, аналогичными свойствам кости.

Биосовместимость

Антикоррозийные, 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, то есть в качестве каркасов для регенерации кости, растворимость биокерамики является важным параметром, а медленная скорость растворения большинства биокерамики по сравнению со скоростью роста кости остается проблемой при ее 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 в ходе различных исследований in vitro и in vivo. Потребности в производительности необходимо учитывать в соответствии с конкретным местом имплантации.

Обработка

Технически керамика состоит из сырья, такого как порошки и натуральные или синтетические химические добавки, способствующие либо уплотнению (горячему, холодному или изостатическому), либо затвердеванию (гидравлическому или химическому), либо ускоряющие процессы спекания. В зависимости от используемой формулы и 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 размеров пор и выравнивания пор. Для кристаллических материалов размер зерна и кристаллические дефекты обеспечивают дополнительные пути для улучшения биодеградации и остеоинтеграции, которые являются ключевыми для эффективной костной пластики и материалов для костной трансплантации. Этого можно достичь путем включения добавок для измельчения зерна и путем придания дефектов кристаллической структуре с помощью различных физических средств.

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.

Коммерческое использование

Обычные биоактивные материалы, доступные в продаже для клинического использования, включают биоактивное стекло 45S5, биоактивную стеклокерамику A/W, плотный синтетический HA и биоактивные композиты, такие как смесь полиэтилена и HA. Все эти материалы образуют интерфейсную связь с прилегающей тканью.

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 бедренных костей для замены тазобедренного сустава. MAC Bioceramics имеет самую длинную клиническую историю для керамических материалов из оксида алюминия, производя оксид алюминия HIP Vitox® с 1985 года. Некоторые фосфаты с дефицитом кальция и структурой апатита были, таким образом, коммерциализированы как «трикальцийфосфат», хотя они не демонстрировали ожидаемую кристаллическую структуру трикальцийфосфата.

В настоящее время многочисленные коммерческие продукты, описываемые как HA, доступны в различных физических формах (например, гранулы, специально разработанные блоки для определенных применений). Композит HA/полимер (HA/полиэтилен, HAPEXTM) также доступен для продажи в ушных имплантатах, абразивах и плазменно-напыляемом покрытии для ортопедических и зубных имплантатов.

Биокерамика также используется в устройствах с каннабисом или дельта-8 в качестве фитилей для испарения таких экстрактов.

Будущие тенденции

Биокерамика была предложена в качестве возможного лечения рака. Было предложено два метода лечения: гипертермия и радиотерапия. Лечение гипертермией включает имплантацию биокерамического материала, содержащего феррит или другой магнитный материал. Затем область подвергается воздействию переменного магнитного поля, которое вызывает нагревание имплантата и окружающей области. В качестве альтернативы биокерамические материалы могут быть легированы β-излучающими материалами и имплантированы в раковую область.

Другие тенденции включают инженерную биокерамику для конкретных задач. Текущие исследования включают химию, состав, микро- и наноструктуры материалов для улучшения их биосовместимости.