Российская академия наук
Институт физико-химических проблем керамических материалов
С.М. Баринов, В.С. Комлев
Биокерамика на основе фосфатов кальция
Москва, 2005
Аннотация
Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. - М.: Наука, 2005. - с. - ISBN 5-02-033724-2 (в обл.).
Книга посвящена химии, технологии, исследованиям структуры и свойств материалов медицинского назначения на основе фосфатов кальция. Для реконструкции дефектов, возникающих в результате травм, заболеваний, операционного вмешательства в костной хирургии и стоматологии, до недавнего времени использовали только ауто- или аллотрансплантаты. В последние годы усилия исследователей при замещении костных дефектов направлены на создание синтетических материалов, наиболее перспективные из которых - материалы на основе фосфатов кальция. Порошки, гранулы, самотвердеющие цементы, керамика, покрытия из фосфатов кальция уже широко применяются в медицинской практике.
Для специалистов в области неорганической химии, медицинского материаловедения, биохимии и биомеханики, практической медицины, студентов, аспирантов.
Barinov S.M., Komlev V.S. Calcium phosphate based bioceramics. - M.: Science, 2005. -
Chemistry, technology, and results of structural study and properties evaluation of biomedical calcium phosphate base materials are discussed. To reconstruct defects due to diseases, trauma events and post-surgery, the allo- and autografting techniques have recently been applied. At present, attempts are directed towards the development and application of synthetic grafting materials, the most prospective of those being calcium phosphate materials. Powders, granules, self-setting cements, ceramics, and coatings are now widely used in medicine.
For specialists dealing in the fields of inorganic chemistry, medicine materials science, biochemistry and biomechanics, practical medicine, and also for high-school students and post-graduated students.
Оглавление
предисловие
Введение
1. Биологическая костная ткань: состав, строение, свойства
2. Ортофосфаты кальция
2.1 Структура ортофосфатов кальция
2.2 Изоморфные замещения
3. Синтез и спекание порошков ортофосфатов кальция
3.1 Синтез ортофосфатов кальция
3.2 Термическая стабильность и особенности спекания фосфатно-кальциевой керамики
4. Материалы на основе фосфатов кальция
4.1 Гранулы
4.2 керамика
4.3 Композиционные материалы
4.4 Фосфатно-кальциевые цементы
4.5 Покрытия
5. Некоторые аспекты взаимодействия фосфатов кальция с физиологической средой
Заключение
литература
Предисловие
В последние годы значительное внимание уделяется созданию керамических материалов медицинского назначения, предназначенных для использования при реконструкции дефектов костных тканей, образующихся в результате патологических изменений в организме, обширных хирургических вмешательств или травм. Использование материалов на основе фосфатов кальция, характеризующиеся биологической совместимостью с тканями организма и активностью по отношению к соединению с костной тканью и формированию новой костной ткани, предоставляет уникальные возможности в этом направлении. Разработано и изучено много вариантов использования керамических материалов в организме: от спеченных имплантатов, несущих физиологические нагрузки, до цементов, применяемых для пластики костных дефектов, керамических средств локализованной и пролонгированной доставки лекарственных препаратов в организм, биоактивных покрытий, обеспечивающих интеграцию имплантата с костной тканью, и пористых матриксов для клеточных технологий реконструкции костных тканей. Проблема керамики в медицине - междисциплинарная. В предлагаемой вниманию читателей книге рассмотрены, главным образом, аспекты химии и химической технологии материалов на основе ортофосфатов кальция; приводятся также результаты исследований, позволяющие сделать определенные выводы о перспективности тех или иных материалов и технологий. Книга имеет концептуальный характер, в ней изложены не только результаты собственных исследований авторов, но и сделана попытка обобщения и систематизации существующих в мировой литературе данных. Книга может представлять несомненный интерес для специалистов в области неорганической химии, керамической технологии, медицинского материаловедения и ученых, занятых в смежных областях - биологии, медицине.
Миллионы людей подвержены поражениям костных тканей в результате патологических заболеваний, таких как остеомиелит, остеосаркома, остеопороз, или травм. Современное состояние хирургии, например в онкологии, позволяет спасти жизнь многим пациентам за счет новой техники расширенных хирургических вмешательств, которые, однако, приводят к значительным послеоперационным костным дефектам. С античных времен медики ищут способы реконструкции костных тканей посредством замещения дефекта имплантатом для обеспечения возможности нормального функционирования поврежденного органа, например, нести физиологические нагрузки. Проблема состоит в материале для имплантата. В идеальном случае материал должен быть биологически совместимым с тканью, то есть вызывать адекватный отклик со стороны организма, не быть токсичным, не вызывать отрицательных иммунных и других реакций со стороны организма, не отторгаться организмом как инородное тело, и быть биологически активным, то есть образовывать непосредственную связь с биологической системой с образованием на нем или замещением его костной тканью и, желательно, индуцировать процессы образования костной ткани. Имплантат должен сохранять свои функциональные качества в течение определенного периода времени, не изменяя существенно свою структуру и механические свойства.
Многие материалы были опробованы для этой цели. Изначально предпочтение отдавалось биологически инертным, то есть не токсичным и устойчивым к биохимическим воздействиям организма материалам: коррозионно-стойким металлам (титан и его сплавы, нержавеющая сталь и др.), керамике (корундовая, диоксид-циркониевая керамика) и пластмассам (полиметилметакрилат, высокомолекулярный полиэтилен). Однако биоинертные материалы нашли лишь ограниченное применение в реконструктивно-восстановительной хирургии из-за неизбежных реакций отторжения. Возможно, наиболее распространенная конструкция из биоинертных материалов это эндопротез тазобедренного сустава. Способность его деталей к интеграции с костной тканью может быть достигнута нанесением биоактивных покрытий.
Для замещения костных дефектов используют термически обработанные для удаления органической составляющей алло - или аутографты. Первые представляют собой «мертвую» костную ткань донора, вторые – костную ткань самого пациента. Применение для имплантации аллографтов связано с опасностью инфицирования, отрицательных иммунных реакций, неконтролируемой резорбируемостью имплантата. Использование же аутографтов связано с необходимостью вторичных хирургических вмешательств для извлечения участка здоровой кости, что может быть проблематично для здоровья пациента и практически нереально в случае необходимости замещения объемных дефектов. Долгое время существовало мнение, что полной биологической совместимостью обладают только аутогенные ткани. Тем не менее, усилия исследователей были направлены на создание синтетических материалов, которые воспринимались бы организмом почти как аутогенная ткань.
Значительный прогресс достигнут при использовании биологически активных материалов на основе веществ, изначально близких по химическому и фазовому составу к костной ткани, либо способных к образованию таких веществ на своей поверхности в результате биомиметических процессов взаимодействия с окружающими тканями и жидкостями организма. К первой группе биоактивных материалов для костной имплантации относятся некоторые ортофосфаты кальция, структура, технология и свойства которых изучаются в течение многих лет [1-15], а также являются предметом интенсивных исследований в настоящее время, некоторые результаты которых рассмотрены в настоящей книге. Принципиально другой класс биоактивных материалов - это биостекла и биоситаллы [6,16-19].
Под понятием биологическая активность подразумевается способность синтетического материала активно взаимодействовать с окружающими тканями с образованием непосредственной связи с ними, проявляя остеокондуктивность и (или) остеоиндуктивность. Остеокондуктивность - это способность материала к адгезии и связыванию остеогенных клеток, обеспечению биологических потоков, неоваскуляризации, и поддержанию процессов пролиферации и дифференцировки клеток из окружающей живой ткани, с образованием непосредственной связи с костной тканью или быть постепенно замещаемым новообразующейся тканью, тогда как остеоиндуктивность - это способность материала индуцировать дифференцировку клеток в остеообразующие (хондроциты, остеобласты) из окружающих некостных тканей на его поверхности [20]. Возможно сочетание остеокондуктивного и остеоиндуктивного поведения, если материал оказывает влияние на функции клеток, например усиливая эффективность дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток в остеообразующие при культивировании первых на биоактивном материале.
Однако возможности непосредственного имплантирования конструкции, изготовленной из биоактивного керамического материала, для реконструкции органа с поврежденной костной тканью весьма ограничены. Причина состоит в низких показателях механической прочности, в том числе усталостной, и трещиностойкости биокерамики, биостекол и биоситаллов, которые существенно, в 10-100 раз ниже, чем у естественной костной ткани [21]. Особенно важное значение имеет рассогласование модулей упругости керамики и костной ткани. Для нормального функционирования кости опорно-двигательного аппарата необходимы физиологические нагрузки, экранирование которых материалом с более высоким модулем упругости (керамика) может привести к деградации костной ткани. Поэтому керамические имплантаты могут быть использованы только для не несущих значительные физиологические нагрузки органов, и с определенной степенью риска. При этом необходимо учитывать влияние среды организма, ускоряющие процессы разрушения материала (диссоциативная хемосорбция и другие механизмы так называемой "коррозии под напряжением") [21-24].