Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пористая биокерамическая гранула с ортобиологическим кальциевым составом производства Cam Bioceramics.

Биокерамика и биостекла - это биосовместимые керамические материалы . [1] Биокерамика - важная подгруппа биоматериалов . [2] [3] Биокерамика варьируется по биосовместимости от керамических оксидов , которые инертны в организме, до резорбируемых материалов, которые в конечном итоге заменяются организмом после того, как они помогли восстановить. Биокерамика используется во многих медицинских процедурах. Биокерамика обычно используется в качестве жесткого материала в хирургических имплантатах , хотя некоторые виды биокерамики являются гибкими. Используемые керамические материалы не такие, как фарфор.типа керамических материалов. Скорее, биокерамика тесно связана либо с собственными материалами тела, либо с чрезвычайно прочными оксидами металлов .

История [ править ]

До 1925 года материалы, используемые в хирургии имплантатов, были в основном относительно чистыми металлами. Успех этих материалов был удивительным, учитывая относительно примитивные хирургические методы. 1930-е годы ознаменовали начало эры более совершенных хирургических методов, а также первого использования сплавов, таких как виталлий .

В 1969 году Л.Л. Хенч и другие обнаружили, что различные виды стекла и керамики могут связываться с живой костью. [4] [5] Хенч был вдохновлен идеей по пути на конференцию по материалам. Он сидел рядом с полковником, только что вернувшимся с войны во Вьетнаме. Полковник поделился, что после ранения тела солдат часто отторгали имплант. Хенч был заинтригован и начал исследовать биосовместимые материалы. Конечным продуктом стал новый материал, который он назвал биостеклом . Эта работа вдохновила на создание новой области - биокерамики. [6] С открытием биостекла интерес к биокерамике быстро вырос.

26 апреля 1988 г. в Киото, Япония, прошел первый международный симпозиум по биокерамике. [7]

Приложения [ править ]

Протез бедра из титана с керамической головкой и полиэтиленовой вертлужной впадиной.

Керамика в настоящее время широко используется в медицине в качестве зубных и костных имплантатов . [8] [9] Хирургические керметы используются регулярно. Замены суставов обычно покрывают биокерамическими материалами, чтобы уменьшить износ и воспалительную реакцию. Другими примерами медицинского использования биокерамики являются кардиостимуляторы , аппараты для диализа почек и респираторы. [6] Мировой спрос на медицинскую керамику и керамические компоненты составил около 9,8 млрд долларов США в 2010 году. Согласно прогнозам, в последующие годы его ежегодный рост составит от 6 до 7 процентов, а мировая рыночная стоимость вырастет до 15,3 млрд долларов США. 2015 г. и достигнет 18,5 млрд долларов США к 2018 г. [10]

Механические свойства и состав [ править ]

Биокерамика предназначена для использования в системах экстракорпорального кровообращения ( например, диализ ) или инженерных биореакторах; однако чаще всего они используются в качестве имплантатов . [11] Керамика находит множество применений в качестве биоматериалов благодаря своим физико-химическим свойствам. Их преимущество в том, что они инертны по отношению к человеческому телу, а их твердость и устойчивость к истиранию делают их полезными для замены костей и зубов. Некоторые керамические материалы также обладают отличной устойчивостью к трению, что делает их полезными в качестве материалов для замены неисправных соединений . Такие свойства, как внешний вид и электрическая изоляция, также важны для конкретных биомедицинских приложений.

Некоторые биокерамики содержат оксид алюминия (Al 2 O 3 ), поскольку их срок службы больше, чем у пациента. Материал может использоваться в косточках внутреннего уха , глазных протезах, в электрической изоляции для кардиостимуляторов, отверстий катетеров и во многих прототипах имплантируемых систем, таких как сердечные насосы. [12]

Алюмосиликаты обычно используются в зубных протезах в чистом виде или в композитах из керамики и полимера . Керамические полимерные композиты - это потенциальный способ заполнения полостей, заменяющий амальгамы, предположительно обладающие токсическим действием. Алюмосиликаты также имеют стекловидную структуру. В отличие от искусственных зубов из полимера, цвет зубной керамики остается стабильным [11] [13]. Диоксид циркония, легированный оксидом иттрия, был предложен в качестве замены оксида алюминия для костно-суставных протезов. Основные преимущества - большая прочность на разрыв и хорошая устойчивость к усталости.

Стекловидный углерод также используется, поскольку он легкий, устойчивый к износу и совместим с кровью. Он в основном используется при замене сердечного клапана. Алмаз можно использовать для тех же целей, но в виде покрытия. [12]

Керамика на основе фосфата кальция в настоящее время является предпочтительным материалом для замены кости в ортопедических и челюстно-лицевых областях, 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, которая способствует остеоинтеграции, включая колонизацию клеток и реваскуляризацию. Однако такие пористые материалы обычно демонстрируют более низкую механическую прочность по сравнению с костью, что делает высокопористые имплантаты очень хрупкими. Поскольку значения модуля упругости керамических материалов обычно выше, чем у окружающей костной ткани, имплант может вызывать механические напряжения на границе раздела костей. [11]Фосфаты кальция, обычно содержащиеся 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 [12]

УстройстваФункцияБиоматериал
Искусственное тотальное бедро, колено, плечо, локоть, запястьеРеконструкция суставов с артритом или переломомГлинозем высокой плотности, покрытия из металлического биостекла
Костные пластины, винты, проволокаРемонт переломовКомпозит биостекло-металлическое волокно, композит полисульфон-углеродное волокно
Интрамедуллярные ногтиВыровнять переломыКомпозит биостекло-металлическое волокно, композит полисульфон-углеродное волокно
Удилища ХаррингтонаИсправить хроническое искривление позвоночникаКомпозит биостекло-металлическое волокно, композит полисульфон-углеродное волокно
Постоянно имплантированные протезыЗамените отсутствующие конечностиКомпозит биостекло-металлическое волокно, композит полисульфон-углеродное волокно
Спейсеры и разгибатели позвонковПравильная врожденная деформацияAl 2 O 3
СпондилодезОбездвиживаем позвонки для защиты спинного мозгаБиостекло
Замена альвеолярной кости, реконструкция нижней челюстиВосстановите альвеолярный гребень для улучшения посадки протезаПолитетрафторэтилен ( PTFE ) - углеродный композит, пористый Al 2 O 3 , биостекло, плотный апатит
Имплантаты для эндопротезирования костных зубовЗамените больные, поврежденные или расшатанные зубыAl 2 O 3 , биостекло, плотный гидроксиапатит, стекловидный углерод
Ортодонтические анкерыПредоставьте посты для приложения напряжения, необходимого для изменения деформацииAl 2 O 3 с покрытием из биостекла, виталлий с покрытием из биостекла

Таблица 2: Механические свойства керамических биоматериалов [12]

МатериалМодуль Юнга (ГПа)Прочность на сжатие (МПа)Прочность связи (ГПа)ТвердостьПлотность (г / см 3 )
Инертный Al 2 O 33804000300-4002000-3000 (HV)> 3,9
ZrO 2 (ПС)150-2002000 г.200-5001000-3000 (ВН)≈6,0
Графитовый20-25138NANA1,5–1,9
(LTI) Пиролитический углерод17–28900270-500NA1,7–2,2
Стекловидный углерод24–3117270-207150-200 (DPH)1,4–1,6
Биоактивный HAP73-1176001203503.1
Биостекло≈75100050NA2,5
AW Стекло Керамика11810802156802,8
Кость3-30130–18060–160NANA

Многоцелевой [ править ]

Некоторые имплантированные керамические изделия фактически не предназначены для конкретных биомедицинских применений. Однако им удается найти применение в различных имплантируемых системах благодаря своим свойствам и хорошей биосовместимости. К этой керамике можно отнести карбид кремния , нитриды и карбиды титана , нитрид бора . TiN был предложен в качестве поверхности трения в протезах бедра. Хотя тесты на культуре клеток показывают хорошую биосовместимость, анализ имплантатов показывает значительный износ , связанный с отслаиванием слоя TiN. Карбид кремния - еще одна современная керамика, которая, кажется, обеспечивает хорошую биосовместимость и может использоваться в костных имплантатах. [11]

Особое использование [ править ]

Помимо традиционных свойств, биоактивная керамика нашла особое применение благодаря своей биологической активности . Обычными примерами являются фосфаты, оксиды и гидроксиды кальция . Другие природные материалы - как правило, животного происхождения - такие как биостекло и другие композиты, содержат сочетание минерально-органических композитных материалов, таких как ГАП, оксид алюминия или диоксид титана, с биосовместимыми полимерами (полиметилметакрилат): ПММА, поли (L-молочная) кислота. : PLLA, полиэтилен. Композиты можно разделить на биорезорбируемые и небиорассасывающиеся, причем последний является результатом комбинации биорезорбируемого фосфата кальция (HAP) с небиорассасывающимся полимером.(ПММА, ПЭ). Эти материалы могут получить более широкое распространение в будущем благодаря многочисленным возможностям комбинирования и их способности сочетать биологическую активность с механическими свойствами, аналогичными свойствам кости. [12]

Биосовместимость [ править ]

Антикоррозионные, биосовместимые и эстетические свойства биокерамики делают ее вполне пригодной для использования в медицине. Цирконийкерамика обладает биоинертностью и нецитотоксичностью. Углерод - еще одна альтернатива с аналогичными механическими свойствами костей, а также совместимость с кровью, отсутствие тканевых реакций и нетоксичность для клеток. Биоинертная керамика не связывается с костью, так называемая остеоинтеграция. Однако биоактивность биоинертной керамики может быть достигнута путем формирования композитов с биоактивной керамикой. Биоактивная керамика, в том числе биостекла, должна быть нетоксичной и обеспечивать связь с костью. При восстановлении костей, то есть каркасах для регенерации костей, растворимость биокерамики является важным параметром, и низкая скорость растворения большинства биокерамических материалов по сравнению со скоростью роста костей остается проблемой при их лечебном использовании. Неудивительно,Большое внимание уделяется улучшению характеристик растворения биокерамики при сохранении или улучшении их механических свойств. Стеклокерамика проявляет остеоиндуктивные свойства с более высокими скоростями растворения по сравнению с кристаллическими материалами, в то время как керамика из кристаллического фосфата кальция также проявляет нетоксичность для тканей и биорезорбцию. Армирование керамическими частицами привело к выбору большего количества материалов для имплантатов, включая керамические / керамические, керамические / полимерные и керамические / металлические композиты. Было обнаружено, что среди этих композитов керамические / полимерные композиты выделяют токсичные элементы в окружающие ткани.в то время как кристаллическая керамика из фосфата кальция также проявляет нетоксичность для тканей и биорезорбцию. Армирование керамическими частицами привело к выбору большего количества материалов для имплантатов, включая керамические / керамические, керамические / полимерные и керамические / металлические композиты. Было обнаружено, что среди этих композитов керамические / полимерные композиты выделяют токсичные элементы в окружающие ткани.в то время как кристаллическая керамика из фосфата кальция также проявляет нетоксичность для тканей и биорезорбцию. Армирование керамическими частицами привело к выбору большего количества материалов для имплантатов, включая керамические / керамические, керамические / полимерные и керамические / металлические композиты. Было обнаружено, что среди этих композитов керамические / 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 применении. Керамика / керамические композиты пользуются преимуществом из-за сходства с минералами костей, демонстрируя биосовместимость и готовность к изменению формы. Биологическую активность биокерамики необходимо учитывать в различных исследованиях in vitro и in vivo . Необходимо учитывать потребности в производительности в соответствии с конкретным местом имплантации. [12]

Обработка [ править ]

Технически керамика состоит из таких сырьевых материалов, как порошки и натуральные или синтетические химические добавки , способствующие либо уплотнению (горячему, холодному или изостатическому), схватыванию (гидравлическому или химическому) или ускорению процессов спекания . В зависимости от используемого состава и процесса формования биокерамика может различаться по плотности и пористости, как цементы , керамические покрытия или керамические композиты. Для биокерамики, включая биостекло, часто требуется пористость. Для улучшения характеристик трансплантированной пористой биокерамики доступны многочисленные методы обработки для контроля пористости., распределение пор по размерам и выравнивание пор. Для кристаллических материалов размер зерна и кристаллические дефекты обеспечивают дополнительные пути для усиления биодеградации и остеоинтеграции, которые являются ключевыми для эффективных костных трансплантатов и материалов для костных трансплантатов. [11] Это может быть достигнуто путем включения легирующих добавок, уменьшающих размер зерна, и путем создания дефектов в кристаллической структуре с помощью различных физических средств.

Развивающаяся технология обработки материалов, основанная на биомиметических процессах, направлена ​​на имитацию природных и биологических процессов и предлагает возможность изготовления биокерамики при температуре окружающей среды, а не с помощью традиционных или гидротермальных процессов [GRO 96]. Перспектива использования этих относительно низких температур обработки открывает возможности для минеральных органических комбинаций с улучшенными биологическими свойствами за счет добавления белков и биологически активных молекул (факторов роста, антибиотиков, противоопухолевых агентов и т. Д.). Однако эти материалы имеют плохие механические свойства, которые можно частично улучшить, комбинируя их со связывающими белками. [11]

Коммерческое использование [ править ]

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 полиэтилен- ГК. Все эти материалы образуют межфазную связь с прилегающей тканью. [13]

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. MAC Bioceramics имеет самую долгую историю клинических испытаний керамических материалов на основе оксида алюминия, производя оксид алюминия HIP Vitox® с 1985 года. [14] Таким образом, некоторые кальций-дефицитные фосфаты со структурой апатита были коммерциализированы как «трикальцийфосфат», хотя они не демонстрировали ожидаемую кристаллическую структуру. трикальцийфосфата. [14]

В настоящее время многочисленные коммерческие продукты, описываемые как HA, доступны в различных физических формах (например, гранулы, специально разработанные блоки для конкретных применений). ГК / полимерный композит (ГК / полиэтилен, HAPEXTM) также коммерчески доступен для ушных имплантатов, абразивов и покрытий с плазменным напылением для ортопедических и дентальных имплантатов. [14]

Будущие тенденции [ править ]

Биокерамика была предложена в качестве возможного лечения рака . Было предложено два метода лечения: гипертермия и лучевая терапия . Лечение гипертермии включает имплантацию биокерамического материала, содержащего феррит или другой магнитный материал. [15] Затем на эту область воздействует переменное магнитное поле, которое вызывает нагрев имплантата и окружающей его области. В качестве альтернативы биокерамические материалы могут быть легированы β-излучающими материалами и имплантированы в злокачественную область. [2]

Среди других направлений - инженерная биокерамика для решения конкретных задач. Текущие исследования включают химический состав, состав, микро- и наноструктуры материалов для улучшения их биосовместимости. [16] [17] [18]

См. Также [ править ]

  • Ткани с керамической пропиткой

Ссылки [ править ]

  1. ^ П. Дюшейн, GW Hastings (редакторы) (1984) CRC металлические и керамические биоматериалы том 1 ISBN  0-8493-6261-X
  2. ^ a b Дж. Ф. Шакелфорд (редактор) (1999) Применение биокерамики MSF для керамических и стеклянных материалов в медицине ISBN 0-87849-822-2 
  3. ^ Х. Оониси, Х. Аоки, К. Савай (редакторы) (1988) Bioceramics vol. 1 ISBN 0-912791-82-9 
  4. ^ Хенч, Ларри Л. (1991). «Биокерамика: от концепции до клиники» (PDF) . Журнал Американского керамического общества . 74 (7): 1487–1510. CiteSeerX 10.1.1.204.2305 . DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1991.tb07132.x .  
  5. ^ Т. Ямамуро, LL Хенч, Дж. Уилсон (редакторы) (1990) Справочник CRC по биоактивной керамике, том II ISBN 0-8493-3242-7 
  6. ^ а б Кассинджер, Рут. Керамика: от волшебных горшков до искусственных костей . Брукфилд, Коннектикут: Книги двадцать первого века, 2003, ISBN 978-0761325857 
  7. ^ Oonishi, H .; Аоки, Х. (1989). Савай, К. (ред.). Биокерамика: Материалы 1-го Международного симпозиума по биокерамике . Ishiyaku Euroamerica. п. 443. ISBN. 978-0912791821. Проверено 17 февраля +2016 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  8. ^ D. Muster (редактор) (1992) Восстановление и замена твердых тканей биоматериалами ISBN 0-444-88350-9 
  9. ^ Киннари, Теему Дж .; Эстебан, Хайме; Гомес-Баррена, Энрике; Замора, Ньевес; Фернандес-Роблас, Рикардо; Ньето, Алехандра; Doadrio, Juan C .; Лопес-Норьега, Адольфо; Руис-Эрнандес, Эдуардо; Аркос, Даниэль; Валле-Реги, Мария (2008). «Бактериальная адгезия к многофункциональной биокерамике на основе SiO 2 ». Журнал биомедицинского исследования материалов Часть A . 89 (1): 215–23. DOI : 10.1002 / jbm.a.31943 . PMID 18431760 . 
  10. ^ Отчет о рынке: Мировой рынок медицинской керамики . Acmite Market Intelligence. 2011 г.
  11. ^ a b c d e f Бох, Филипп, Ньепс, Жан-Клод. (2010) Керамические материалы: процессы, свойства и применения. DOI : 10.1002 / 9780470612415.ch12
  12. ^ a b c d e f Тамараисельви, ТВ, и С. Раджешвари. «Биологическая оценка биокерамических материалов - обзор». Углерод 24,31 (2004): 172.
  13. ^ a b Хенч LL. Биокерамика: от концепции до клиники. J Amer CeramSoc 1991; 74 (7): 1487–510.
  14. ^ a b c Кокубо, Т. Биокерамика и их клиническое применение, Woodhead Publishing Limited, Кембридж, Англия, 2008 ISBN 978-1-84569-204-9 
  15. ^ Джон, Лукаш; Джанета, Матеуш; Шаферт, Славомир (2017). «Разработка макропористого магнитного биопокрытия на основе функционализированной метакрилатной сети, покрытой гидроксиапатитами и легированной нано-MgFe 2 O 4 для потенциальной терапии гипертермии рака». Материалы Наука и техника: C . 78 : 901–911. DOI : 10.1016 / j.msec.2017.04.133 . PMID 28576066 . 
  16. ^ Чай, Чоу; Леонг, Кам В. (2007). "Биоматериалы подход к расширению и прямой дифференциации стволовых клеток" . Молекулярная терапия . 15 (3): 467–80. DOI : 10.1038 / sj.mt.6300084 . PMC 2365728 . PMID 17264853 .  
  17. ^ Чжу, Сяолун; Чен, Цзюнь; Шайделер, Лутц; Altebaeumer, Thomas; Гейс-Герсторфер, Юрген; Керн, Дитер (2004). «Клеточные реакции остеобластов на микронные и субмикронные пористые структуры поверхности титана». Клетки Тканевые Органы . 178 (1): 13–22. DOI : 10.1159 / 000081089 . PMID 15550756 . S2CID 20977233 .  
  18. ^ Хао, L; Лоуренс, Дж; Чиан, KS (2005). «Адгезия клеток остеобластов на модифицированной лазером биокерамике на основе диоксида циркония». Журнал материаловедения: материалы в медицине . 16 (8): 719–26. DOI : 10.1007 / s10856-005-2608-3 . PMID 15965741 . S2CID 20642576 .