Материалы для биологических применений

Содержание
Саратовский Государственный Университет
1. Предисловие .................................................................................................... 3
Факультет нано- и биомедицинских технологий
2. Введение........................................................................................................... 5
3. Материалы, применяемые в офтальмологии............................................. 10
4. Кровезаменители ........................................................................................... 14
5. Материалы для создания искусственной кожи .......................................... 16
6. Материалы, применяемые в сосудистой хирургии ................................... 20
Н. О. Бессуднова
7. Клеевые композиции..................................................................................... 23
8. Материалы, применяемые для лечения заболеваний и травм опорнодвигательного аппарата. ........................................................................... 26
Материалы для биологических
применений
9. Первое поколение биоматериалов............................................................... 29
10. Второе поколение биоматериалов............................................................ 33
Учебно-методическое пособие
11. Биоматериалы третьего поколения. .......................................................... 39
12. Биоматериалы четвертого поколения ....................................................... 46
13. Заключение .................................................................................................. 50
14. Список используемых источников........................................................... 51
Саратов
2007
1
2
1.
комплексе.
Предисловие
В
учебном
пособии
описываются
основные
этапы
развития
биоматериалов, рассматриваются в хронологическом порядке материалы
различных поколений (с первого по четвертое). Особое внимание уделяется
методам создания новых истинно интеллектуальных структур. Акцент
сделан на практическое использование биоматериалов. Учебное пособие
снабжено
многочисленными
подтверждающими
примерами
социальную
из
значимость
клинической
и
медицины,
приоритетность
этого
научного направления.
Разработка и внедрение данного пособия в учебный процесс позволит
студентам приобрести систематизированные знания в изучаемом вопросе и
поможет разобраться в современных мировых тенденциях развития
материаловедения.
Инновационный характер работы подчеркивает приведенное описание
современных интеллектуальных биоматериалов последнего поколения.
Структура пособия такова, что оно может быть гибко сориентировано на
различный уровень подготовки студентов в рамках двухуровневой системы
образования. Учебное пособие целесообразно использовать в учебном
процессе
кафедр
факультета
нано-
и
биомедицинских
технологий
университета. Целесообразно адресовать пособие студентам и магистрантам.
Полученные
знания
квалифицированным
дадут
и
возможность
сформироваться
конкурентноспособным
им
как
специалистам,
востребованным на рынке труда.
Пособие также будет полезным для углубленного изучения предмета
ординаторами и аспирантами медицинских факультетов университетов и
ВУЗов.
Учебное пособие соответствует целям и задачам ИОП в рамках
внедрения инновационных технологий образования в университетском
3
4
2.
естественным натуральным зубам. Он также является источником фтора,
Введение
За последние несколько сот лет средняя продолжительность жизни
который предупреждает дальнейшее развитие кариеса. Однако он все же не
человека значительно увеличилась. При этом увеличилось и количество
вполне «интеллектуален» по сравнению с естественной эмалью зубов,
людей с ограниченными физическими возможностями. В настоящее время
которая анизотропна по механическим свойствам и способна к регенерации.
одним из наиболее эффективных способов лечения заболеваний является
Другой
пересадка органов. Однако, существует серьезная проблема — нехватка
растворимые нити из полилактидной кислоты. Что может быть более
трансплантируемых тканей и органов. Поэтому в последнее время активно
интеллектуальным, чем нить, которая исчезла, когда потребность в ней
разрабатываются новые материалы и медицинские устройства, которые
отпала. При создании нового материала важно помнить, что биоматериал
могли бы заменить естественные трансплантаты.
должен быть биосовместимым и не вызывать отторжения организмом. Что
Договоримся о некоторых обозначениях. Под биоматериалом будем
же такое биосовместимость? Определим биосовместимость как способность
понимать любой материал, который используется для замены органа
сосуществовать с живым организмом для исполнения определенной
человека или работает в непосредственном контакте с ним (см. таблицу
функции. Реакция организма не должна противоречить безопасной и
ниже). Существует и
более формальное определение биоматериала.
эффективной работе биоматериала. Кроме того, биоматериал должен быть
Биоматериалом является любое вещество, отличное от лекарств, или
неядовитым и не вызывать нежелательной реакции на продукты частичного
комбинация веществ, синтетических или естественных по происхождению,
износа вследствие трения. Большое значение имеют также механические,
которые могут использоваться в течение некоторого периода времени как
химические и физические свойства материала.
целый орган или его часть для улучшения функционирования или замены
Пожалуй, одной из самых важных проблем, встающих при
какой-либо ткани, органа или жизненной функции тела. При этом следует
новых медицинских материалов, является их безопасность. Введение
различать понятия биоматериала и
биоматериала в организм иногда приводит к большим проблемам. Часто это
биологического материала, который
Все существующие биоматериалы в каком-то смысле могут считаться
поскольку
они
учитывают
интеллектуального
биоматериала
из
хирургии
—
применении
обусловлено неправильным выбором материала. В настоящее время раз-
имеет естественное происхождение, например коллаген, целлюлоза и.т.д.
«интеллектуальными»,
пример
индивидуальные
работаны требования, предъявляемые
медицинского
назначения
должны
к биоматериалу. Все материалы
проходить
строгую
проверку
на
интеллектуальные
безопасность, и только после этого их можно использовать. Тем не менее,
биоматериалы, которые реагируют на поведение организма, появились лишь
несмотря на множество испытаний, никогда нельзя быть уверенным, что
в последнее время.
биоматериал абсолютно безопасен, и поэтому большое значение имеет
особенности
пациента.
Однако
действительно
Приведем хорошо известный пример из стоматологии. Для лечения
послепродажное наблюдение за материалом. Это позволяет понять его
зубов с 1968 года используют стеклоиономерный цемент. Этот материал
недостатки, так и оценить достоинства.
можно считать интеллектуальным, поскольку по цвету он близок к
Успешность применение нового материала определяется его свойствами и
степенью биосовместимости. Поэтому разработка новых материалов должна
5
6
быть основана на междисциплинарном взаимодействии материаловедов,
практической медицине.
инженеров, биологов и медиков.
Примеры биоматериалов и устройств
Орган или ткань
Примеры
Устройство,
задающее
ритм
сердца,
искусственный клапан, искусственное сердце
Кожа
Растворимые хирургические нити, «пластыри»
тканей
Глаза
Контактные линзы, искусственные хрусталики и
линзы
Уши
Искусственные слуховые косточки среднего уха,
искусственная
Кости/суставы
суставы,
ушная
костные
улитка
Искусственные
пластины,
внутрикостные
стержни, костный цемент
Почки,
мочевыводящие пути Механизм диализа почки, катетеры,
Вставные
черепные
пластины,
Череп/мозг
внутричерепной жидкости
Зубы
пломбы и протезы
шунты
Проиллюстрируем сказанное выше живыми примерами из клиники.
Рассмотрим
ретроспективно
биоматериалы,
которые
применяются
в
7
8
Вопросы для самостоятельного изучения
3.
Материалы, применяемые в офтальмологии
В офтальмологии наиболее часто применяют
1. Необходимость разработки новых материалов
изготовления контактных линз,
2. Проблемы биосовместимости и безопасности материалов
частей роговицы, для изготовления глазных протезов.
3. Примеры биоматериалов и биологических материалов
полимеры для
искусственных хрусталиков, для замены
Глазной протез представляет собой имплант, напоминающий внешне
передний отдел глаза человека. Им
заполняют пространство в орбите,
освободившееся после удаления глазного яблока.
Краткая историческая справка.
30-40 годы ХIХ века, германия, США - производство протезов из
силикатных стекол
Первая половина ХХ века – опробованы алюминий, каучук, слоновая
кость, фарфор и другие материалы.
1944 год, Англия - разработана технология
изготовления
глазных
протезов из полиметилметакрилатов.
В настоящее время разработаны протезы с 26 расцветками склеры и
105 расцветками радужки.
Противопоказание к применению искусственных глаз из стекла повышенная чувствительность к материалу протеза.
Глазные протезы
В последние годы разработаны и применяются глазные протезы из
тефлона и силиконовой резины. Особенность этих материалов заключается в
том,
что они термостойки. Следовательно, возможна их многократная
стерилизация.
Преимущество пластмассовых протезов:
1. долговечность,
2. меньшая чем у стеклянных протезов теплопроводность,
3. могут быть изготовлены любой сложной формы.
Был создан внутригазничный имплант с магнитом.
9
Недостаток такого
10
протеза – его повышенная подвижность.
Известны
случаи
Преимущество:
применения
силиконовой
резины
для
протезирования.
глаза,
проницаемость кислорода у них в 100 раз выше, чем у метилметакрилата.
2.Мягкие. Изготавливаются из гидрогелей
Контактная коррекция зрения
инжекционного формования.
Контактная линза, надеваемая непосредственно на роговую оболочку
Преимущества:
должна
быть
проницаемой
деформирующему действию
для
кислорода,
противостоять
века в процессе моргания и хорошо
1.менее заметны на роговице,
2.не вызывают дискомфорта и раздражения.
смачиваться слезной жидкостью. Возможность использования контактной
Недостатки:
линзы определяется ее
1.меньшая прозрачность,
взаимодействием с роговицей. Одна из функций
эпителия роговицы состоит в том, чтобы извлечь кислород из воздуха и
передать его через слезную жидкость для пополнения энергии метаболизма.
Если роговица не обеспечена достаточным количеством кислорода,
то
происходит накопление молочной кислоты, эпителий набухает, роговица
2
утолщается. Расход кислорода эпителием роговицы составляет 3.5 мкл/см ч.
Для переноса этого объема кислорода парциальное давление
роговицы
в эпителии
должно составлять 15-20 мм. рт. ст. Этот расчет полностью
распространяется на контактные линзы. При их ношении потребление
роговицей кислорода не должно измениться.
1.Жесткие.
Изготавливают
из
2.меньшая долговечность по сравнению с жесткими линзами.
Гидрогели – мягкие эластичные материалы, представляющие собой
сшитые
набухшие в воде полимеры. В безводных условиях
стекловидный полимер,
из которого вырезают
получают
линзы, а затем их
гидратируют с образованием с образованием мягкого эластичного геля.
Материалом для мягких контактных линз служит водный коллаген,
главной составляющей которого является Poly-HEMA.
Мягкие контакные линзы толщиной 0,03-0,05 мм, изготовленные из
силоксанового
Модификации контактных линз:
методом реакционно-
каучука,
по
кислородопроницаемости
значительно
превосходят линзы из других полимеров.
полметилметакрилата.
Обладают
Недостатки:
хорошими физико-химическими, оптическими свойствами, физиологически
1. плохо смачиваются,
инертны и легко режутся. Обмен слезной жидкостью происходит во время
2. неудобны для длительного ношения.
мигания. Слезная жидкость приносит новые порции кислорода, так что в нем
нет недостатка.
Недостатки:
1.носят ограниченное количество часов,
2.требуют тщательной подгонки по размеру и форме.
В настоящее время применяют и ряд других материалов, в частности,
полимер поли и ацетобутират целлюлозу.
11
12
Вопросы для самостоятельного изучения
4.
Кровезаменители
Кровезаменители - это материалы, применяемые в течение необходимого
1.Строение глаза
времени с лечебной целью в качестве заменителей или корректоров состава
2. Понятие протеза глаза
крови. Их
3.Показания к изготовлению искусственного глаза из стекла
патологческих состояниях.
4.Преимущества и недостатки протезов, выполненных из различных
материалов.
Критерии
выбора
материала
для
протезирования
в
применяют для трансфузионной терапии при различных
Применяемые препараты делят на шесть групп:
1. кровезаменители с функцией переноса кислорода
офтальмологии
2. регуляторы кислотно-основного и вводно-солевого равновесия
5.Тонкостенные глазные протезы
3. противошоковые
6. Виды контактных линз
4. для лечения интоксикаций
7. Материалы для изготовления контактных линз.
5. препараты для парентерального питания
8. Критерии выбора материала для изготовления контактных линз.
6. препараты комплексного действия
8. Структура гидрогеля
Требования, предъявляемые к кровезаменителям:
9. Структура Poly-HEMA
1. препараты должны полностью выводиться из организма
10. Требования к искусственной роговице
2. не должны вызывать сенсибилизацию организма
11. Синтетические материалы для замены частей роговицы
3. должны быть нетоксичными
12.Склероимплантаты и материалы для их изготовления
4. не должны изменять физико-химических свойств
13
14
Вопросы для самостоятельного изучения
5.
Материалы для создания искусственной кожи
1. Состав крови
Проблема получения искусственной кожи связана с необходимостью
2. Биологическое действие крови
лечения ожогов, травм, повреждений.
3. Кровезаменители гемодинамического (противошокового) действия
Материал
4. Декстрин. Желатин.
требованиям:
5. Кровезаменители дезинтоксикационного действия
1.препятствовать
искусственной
кожи
обезвоживанию
должен
удовлетворять
следующим
травмированию обезвоженных частей
тела,
2. способствовать пропусканию водных паров
3. препятствовать проникновению в рану микроорганизмов
4. способствовать более быстрой регенерации
Краткая историческая справка
1962 год- применение формалиновой губки из поливинилалкоголя.
Эксперименты проводились также с губкой из силикона
и пеной из
полиуретана. Губка из силикона плохо приживлялась, полиуретановая пена
хорошо приживалась, Но через неделю полностью распадалась в результате
гидролизации.
В качестве имплантатов используют:
1.марли из нейлона и из силиконов
2.сверхтонкие газопроницаемые пленки из ненаполненного силиконового
каучука
3. пленки, получаемые отверждением кровяной плазмы
4. фибриновые пленки
5. марля, обработанная жирами
Разработаны методики лечения с использованием поли-2-оксиметакрилата и
полиэтиленгликоля, а также нетканого полотна из коллагена.
Преимущества коллагена нетканого полотна:
1.хорошо усваивается живым организмом,
2.способен переводить ферменты в раствор,
15
16
3.не имеет иммунной активности,
снимать и заменять. На поверхности раздела между силоксановым
4.стимулирует регенерацию тканей,
эластомером и коллагеновым покрытием помещают эпидермические клетки
5. хорошее прилипание к раневой поверхности,
кожи.
6. хорошее адсорбирование экссудата,
легкое образование рубца,
7. нет отторжения и воспалительного процесса
При применении Poly-HEMA и PEG на раневую поверхность наносят PEG и
посыпают порошком Poly-HEMA. Полимеры покрывают рану пленкой.
Преимущества пленки:
1. эластична,
2.способна пропускать водяные пары,
3. простота диффузии растворенных веществ через пленку,
4. не пропускает микроорганизмы,
5. препятствует развитию микрофлоры.
Искусственные мембраны на основе силоксановых эластомеров могут
функционировать подобно человеческой коже.
В настоящее время разрабатываются однослойные и многослойные
мембраны различных конструкций. Например, применяются однослойные
мембраны из
лекарств.
силоксанового каучука с множеством каналов для ввода
Внешний
слой
мембраны
изготовлен
из
прозрачного
силоксанового эластомера и предназначен для защиты раны от инфекции и
дегидратации, а нижний слой представляет собой пористый полимерный
материал на основе коллагена. Эту двухслойную мембрану не надо снимать
и заменять новой. Она может оставаться на ране в течение пятидесяти сутолсрока, достаточного для заживления небольших ожогов. После заживления
раны верхний слой самопроизвольно удаляется по мере того, как нарастает
кожа, а нижний разлагается ферментами.
Заживление больших ран
происходит медленнее, чем разрушение мембраны, поэтому ее нужно
17
18
Вопросы для самостоятельного изучения
6.
Материалы, применяемые в сосудистой хирургии
Искусственные
кровеносные
сосуды
применяют
для
замены
1. Строение кожи.
патологически измененных участков кровяного русла и создания обходных
2. Реологические свойства кожи.
путей в системе кровообращения. В качестве заменителей сосудов были
3. Определение искусственной кожи. Показания к применению.
опробированы нейлон, тефлон, орлон, дакрон. Искусственные сосуды из
4. Производство и отделка нетканого полотна
дакрона и тефлона выполняются из пряжи с большим числом элементарных
5. Лиофилизированная кожа
нитей и по структуре материала они могут быть тканными, вязанными и
плетенными. В последнее время выпускают сосуды с велюровой структурой
ткани. Эта структура представляет собой модифицированную поверхность
вязанного материала, полученную путем петлевания нитей.Такая структура
обеспечивает эластичность сосуда. В зависимости от анатомических
особенностей
участков
пересадки
искусственные
сосуды
могут
изготавливаться гофрированными для участков с большими изгибами и
разветвленного типа для участков с ветвлениями
В настоящее время разрабатываются «полурассасывающиеся» протезы
и протезы из антимикробных волокон. «Полурасасывающиеся»
протезы
производят из полиэфирных нитей и коллагена. У таких протезов низкая
пористость в момент имплантации. В дальнейшем происходит замещение
коллагена
тканями
организма.
Протезы
из
антимикробных
волокон
изготавливают на основе производных поливинилового спирта и их смесей с
полиэфирными и фторуглеродными волокнами.
В настоящее время протезирование артерий большого диаметра
производится достаточно успешно. Однако не существует заменителей для
коронарных
артерий.
При
протезировании
вен
большого
диаметра
необходимо использовать нетромбирующиеся поверхности импланта.
Баллонные катетеры
Основные материалы, применяемые для изготовления баллонных
сегментов катетеров, - полиэтилен и поливинилхлорид.
19
Для улучшения
20
скользящих качеств
базисной трубки катетера используют различные
Вопросы для самостоятельного изучения
покрытия ее поверхности (гидрогелевое, например). Баллонные катетры,
1. Строение стенки артерии
выполненные из полиэтилена, позволяют развивать большое давление.
2.Искусственные кровеносные сосуды. Синтетические материалы для
Коронарные
проводники
играют
важную
роль
при
установке
их изготовления.
баллонного катетера. Они имеют тефлоновые или гепариновые покрытия.
1.Понятие атеросклероза
Дистальный кончик производят с платиновым напылением для увеличения
2. Система кровообращения и ее функции
рентгеноконтрастности.
3. Анатомия и физиология сердца
Коронарные стенты.
4. Болезни клапанов сердца
Расширяемые баллоном стенты производятся из нержавеющей стали и
5. Показания к проведению коронарной ангиопластики
из танталовых сплавов, и подразделяются на два основных вида: матричные
6. Материалы, применяемые для изготовления баллонных катетеров
(пластинчатые, сетчатые) и проволочные (спиралевидные). У танталовых
7.Материалы,
стентов по сравнению со стентами из нержавеющей стали лучшая
визуализация. Современные стенты из стали имеют рентгеноконтрастные
метки из золота и платины. Для уменьшения реакции сосудистой стенки на
применяемые
для
изготовления
коронарных
проводников
8. Проводниковые катетеры. Интродьюсеры. Материалы для их
изготовления.
имплантацию стента они выпускаются с алмазным напылением, покрытые
гепарином, радиоактивными веществами.
Клапаны сердца
Для
титан
или
изготовления жестких деталей клапанных протезов применяют
ли стеллит. Створки клапанов выполняют изи силиконовой резины
фторсодержащих
полиуретанов.
Лучшим
материалом
считается
натуральная латексная резина. Створки клапанов обшивают дакроновой
велюровой манжеткой.
В последние годы в качестве новых материалов для изготовления
клапанов сердца рассматриваются материалы на основе углерода.
21
22
7.
линз к роговице, поскольку при наложении швов роговица повреждается.
Клеевые композиции
Искусственная роговица может быть приклеена к ткани с целью
Наиболее Распространенные клеи, используемые в хирургии:
предупреждения эрозии тканей и просачивания влаги вокруг протеза глаза.
1. Клеи на основе смеси синтетического и натурального каучука.
2. Цианкрилаты. Их быстрое затвердевание, вызванное полимеризацией-
Полиуретановый клей КЛ-3 применяется при урологическихоперациях у
больных по поводу удаления камней почек и мочеточников, аномалий
их главное преимущество.
3. Эпоксиды. Обладают высокой прочностью. Недостаток – низкая
скорость образования химических связей делает их малопригодными
развития почек и др.
Клеи на основе полиуретанов используются также
периферических
для хирургии
4. Полиуретаны. Они имеют родство с органическими молекулами живых
нервов
в
нейрохирургии.
Иногда для остеосинтеза применялись столярный клей, желатин,
клеевого
эпиневрального шва с помощью медицинского полиуретанового клея КЛ-3 в
сочетании с биодеструктируемой
тканей.
Создание
в пластике
обеспечивает
полиуретановой пленкой-подложкой
полное восстановление поврежденного нерва. Клей КЛ-3
фибриноген, резорциновая смола. Однако их склеивающая способность
применялся при бесшовных операциях на головном мозге. В сочетании с
недостаточно велика.
лекарственными препаратами
КЛ-3 применялся также при лечении
высокую склеивающую способность у
злокачественных опухолей головного мозга. Клеевая композиция КЛ-3
метилового эфира цианкрилатной кислоты. Под различными названиями он
использовалась для лечения кишечных и бронхиальных свищей, а также в
стал производиться в Японии, Германии, США. Цианкрилаты проявляют
челюстно-лицевой и общей хирургии.
В 1959 году Кувер открыл
склеивающуюспособность в отношении большинства материалов при
обычной температуре и во влажной среде. Склеивающий эффект наступает
быстро и проявляется
при переходе клея из мономерного состояния в
полимерное без изменения объема и выделения тепла. Одним из наиболее
важных свойств
цианкрилатных клеев является их стерильность. Они
обладают бактерицидным и бактериостатическим действием. Однако,
доказано, что клеи могут проявлять раздражающее действие, например, на
нервную и мозговую ткани.
Клеи применяются при операциях га сердце, сосудах, легких, почках.
Цианкрилатные клеи применяются для заполнения полостей в костной
ткани, которые образуются после удаления опухолей.
Клеи применяются в офтальмологии для приклеивания пластмассовых
23
24
Вопросы для самостоятельного изучения
8. Материалы, применяемые для лечения заболеваний и травм
опорно-двигательного аппарата.
В ортопедии нередко возникает необходимость лечения замещения
1. Классификация медицинских клеев
2. Состав КЛ-3
дефектов костной ткани, замены сустава, мышц и сухожилий.
3. Состав цианакрилатных клеев
Требования, предъявляемые к материалам:
4. Процесс биодеструкции циакрина в организме
1. биоинертность,
5. Скорость репаративных процессов при клеевом остеосинтезе
2. механическая прочность,
6. Классификация
шовных
материалов.
Свойства.
Показания
к
3. устойчивость к циклическим нагрузкам.
Эндопротез
применению.
компонентов
опорно-двигательного
аппарата
должен
обеспечивать;
1.высокую прочность,
2.высокую податливость,
3.выравнивание напряжений по объему эндопротеза,
повышение энергии деформирования
благодаря спиральной структуре
материала и конструкции.
Для фиксации переломов конечностей используют пластинки, крепящиеся
на винтах. Фиксация суставов проводится путем сквозного соединения
концов кости с помощью штифта и последующего соединения
штифтов
наружним приспособлением для компрессии, чаще всего винтом и гайкой.
Фиксация позвоночника остается сложной задачей. Разработано огромное
количество
методик
фиксации,
например
шинирование,
соединение
металлических пластинок со специальными отростками сквозными болтами,
крючками, стержнями. В качестве материалов для различных фиксаторов
обычно применяют сталь и титан.
Есть ряд исследований по применению керамических материалов для
целей протезирования костей. Однако, керамическая конструкция отделена
от костной ткани
слоем соединительной ткани. Пористая керамика
обеспечивает имплантатам биологическую фиксацию за счет врастания в
поверхностные поры кости без соединительно-тканной прослойки. К
25
26
недостатком такой конструкции следует отнести
высокую хрупкость и
Вопросы для самостоятельного изучения
низкую сопротивляемость ударным нагрузкам.
Окись
циркония,
пористый
гидроксилапатит
имеют
высокие
показатели прочности и модуль упругости.
Углеродные
композиционные
материалы
1. Строение костной ткани. Пять
структурных уровней компактной
костной ткани. Возрастные изменения ткани.
представляют
собой
сплетение углеродных нитей, связанных пиролитическим углеродом, что
придает им большую устойчивость при циклических нагрузках. Особенность
материала- сочетание высокой прочности и низкого модуля упругости, что
позволяет избежать травматизации костной ткани.
2. Применение имплантатов в ортопедии
3. Использование керамических материалов для целей протезирования
костей. Ограничения применения керамических эндопротезов.
4. Возможность
применение
композиционных
материалов
для
изготовления эндопротезов.
5. Пути повышения износостойкости материалов
27
28
9.
получившие проникающие ранения осколками стекол из ПММА, после
Первое поколение биоматериалов.
Идея использования искусственных материалов с целью замены
органов и тканей человека известна
давно. Однако реальное развитие
биоматериалов стало возможным лишь в конце XIX столетия после
заживления ран не страдали от отравления этим материалом. На основе этого
наблюдения в 1940-х годах ПММА начали применять для замены роговицы
глаза.
появления анестезии, понятий асептики и антисептики и открытия рентгена.
ПММА оказался очень эффективным материалом для фиксации
До тех пор попытки использовать биоматериалы не были успешными.
имплантатов из нержавеющей стали, и с этой целью его используют до сих
Нерешенными проблемами оставались также растворение инородной
пор.
костной ткани и отторжение имплантатов. Проблема инфицирования остро
стоит и в наше время, так как
внедриться
в
имплантат
и
переносимые кровью бактерии могут
сформировать
биологическую
пленку,
Несколькими годами позже хирург-ортопед Брэйнмарк случайно открыл необычную реакцию организма на титан. Он исследовал на кролике
течение крови через периферийные кровеносные сосуды при помощи
стеклянного окошка, помещенного в титановое кольцо. Когда исследователь
защищающую их, например, от антибиотиков.
Костные пластины для фиксации переломов конечностей используют
попытался удалить это окошко, то оказалось, что сплав прирос к хрящу.
более ста лет. Давно известно, что инородные тела типа пуль могут
Дальнейшие эксперименты показали, что реакция организма на титан
существовать в организме человека многие годы. Это навело на мысль о
отличается от реакции на нержавеющую сталь или хром-кобальтовые
возможности использовать внутренние протезы. Однако, первые попытки
сплавы. В случае нержавеющей стали вокруг имплантата образуется
были неудачными, главным образом, из-за неправильного выбора материала
герметизирующий
имплантата. Приведем пример. В организме человека ванадиевая сталь
организма на внедрение инородного тела характерна и для многих
корродируют. После появления нержавеющих сталей и хромокобальтовых
синтетических полимерных материалов, в том числе и ПММА. Вокруг титана
сплавов позволило достичь хороших результатов при фиксации переломов.
волокнистая ткань не образуется, и металл контактирует непосредственно с
волокнистый
материал.
Такая
защитная
реакция
Вспомним некоторые любопытные факты из истории медицины.
костью, в результате роста которой он оказывается как бы вросшим в нее.
Первая попытка замены головки бедра была предпринята еще в 1938
Брэйнмарк
назвал
такую
реакцию
организма
оссеинтеграцией,
году, положительных результатов удалось достичь только после 1958 года,
характеризуемой связью кости непосредственно с имплантатом, без
когда Чарнли разработал клеющий материал для фиксации протеза. Этим
образования защитной волокнистой капсулы. Это открытие привело к
материалом был синтетический ПММА, называемый также оргстеклом.
созданию бесклеевой фиксации искусственных суставов из сплава Ti6Al4V и
Ранее ПММА применяли в стоматологии с целью протезирования, а
зубных протезов из чистого титана.
использовать его для фиксации протеза головки бедра предложил Д. Смит,
В сердечно-сосудистой хирургии было замечено, что некоторые материалы работают в контакте с кровью лучше, чем другие. При порезе
дантист из Манчестерского университета.
Со времен Второй мировой войны было известно, что летчики,
защитное поведение организма состоит в местном сворачивании крови и
формировании уплотнения, останавливающего кровотечение. Так как вставка
29
30
имплантата без местного повреждения ткани пока невозможна, то, когда
Вопросы для самостоятельного изучения
кровь входит в контакт с инородным телом, происходит ее частичное
1.Первые биоматериалы. «Глухие материалы»
сворачивание. Это осложняет разработку устройств, непосредственно
2. Многофункциональность ПММА
контактирующих с кровью, например искусственных кровеносных сосудов,
3. Реакция организма на титан, сталь и хромкобальтовые сплавы.
искусственного сердца, оксигенаторов и аппаратов диализа почки.
4. Мотивация к появлению интеллектуальных материалов
Постепенно стало понятно, что разные материалы вызывают принципиально различную реакцию живого организма. Для преодоления проблем,
связанных с использованием синтетических материалов, необходимо было
разработать интеллектуальные биоматериалы — «материалы, активно
взаимодействующие
с
биологическим
окружением
для
достижения
желаемого результата».
31
32
Сравнение механических свойств кортикальной кости и некоторых
10. Второе поколение биоматериалов
имплантируемых материалов
В процессе разработки биоматериалов первого поколения стало очевидно,
что они имеют множество недостатков, особенно при длительных сроках
Материал
Прочность
Модуль Удлинение (%)
использования. Если имплантат несет значительную механическую нагрузку,
упругост
важно, чтобы механические напряжения передавались от него к кости. Кость
и (ГПа)
является исключительно интеллектуальным материалом. Если она не
при
испытывает нагрузки, то уменьшает свою прочность. От этой проблемы
растяжении
страдают космонавты, проводящие долгое время в невесомости. Напротив, в
(МПа)
местах, где кость испытывает высокие нагрузки, она пытается их
Кортикальная
136
18
1
компенсировать, образуя дополнительные костные слои. Примером является
кость
костная мозоль, появляющаяся при заживлении перелома. Если нагрузка
Ti6AI4V
860
110
12
слишком высока, кость нарастает, чтобы снизить уровень напряжения и
Нержавеющая
550
200
50
избежать разрушения. При лечении зубов интеллектуальное поведение кости
сталь
используют,
Отливки
из 650
240
10
чтобы
сдвинуть
их
положение
по
эстетическим
или
функциональным причинам. Такое поведение зубной ткани является
сплава Сг-Со
основанием ортодонтии.
Форма и жесткость протеза тазобедренного сустава сильно отличаются от
характеристик натуральной кости (см. табл. ниже). Успех использования
Большая нагрузка может привести к разрушению имплантата ил
первых протезов был частично обусловлен возрастом пациентов, которые в
и окружающего его волокнистого материала. Кроме того, микросдвиги в
большинстве своем были старше 65 лет. Такие люди не слишком активны, и
области контакта кости с ПММА-цементом могут привести к разрушению
напряжения, которые испытывают имплантат и окружающая кость, не так
соединения или потере герметичности волокнистого материала вокруг
высоки, как у молодых и активных пациентов. Однако существует спрос и на
имплантата.
замену сустава физически активным людям. Это накладывает серьезные
Работа с титаном показала, что некоторые материалы могут стимулировать
требования к имплантату.
чрезвычайно интересную реакцию кости. Возможность бесклеевой фиксации
сплавов титана инициировала разработки имплантатов, испытывающих в
процессе эксплуатации более низкие нагрузки, что увеличивает их
долговечность. Титан и его сплавы являются оссеинтегрируемыми, и после
заживления возможен их прямой контакт с костью без образования мягкой
волокнистой оболочки.
33
34
Некоторые исследователи объясняли оссеинтеграцию титана появ-
более стоек к действию кислот. Трикальцийфосфат [Са3(РО4)2] существует в
лением поверхностной окисной пленки ТЮ2, однако это, видимо, только
двух формах, называемых а- и в-трикальцийфосфатами. Обе формы имеют
одна из причин наблюдаемого явления. Сейчас признано, что второй
высокую стойкость к растворению. Эти материалы могут образовывать
причиной является осторожное хирургическое вмешательство, позволяющее
непосредственную связь с живой костью без формирования защитной во-
избежать омертвения костной ткани.
локнистой ткани. Образование химической связи фосфаткальциевой ке-
Внедрение некоторых биоматериалов в костную ткань стимулирует по-
рамики с костью состоит в частичном растворении приповерхностного слоя
явление на их поверхности новой кости и заживление области хирургичес-
керамики и формировании кристаллов СО3-апатита с включенными
кого вмешательства. Примером таких материалов являются синтетический
биомолекулами окружающей жидкости.
гидроксиапатит, биоактивные стекла (например, так называемое биостекло)
и некоторые стеклокерамики. Хотя механизм их действия достоверно не
Разработка синтетических фосфатов кальция привела к появлению целого
известен, существуют две теории, подтверждаемые экспериментальными
набора
данными. Согласно первой, на поверхность такого материала из биологи-
использования
ческого окружения адсорбируются определенные белки, которые стимули-
материалов является невысокая прочность. Поэтому гидро-ксиапатит может
руют рост костных клеток и процесс заживления. В некоторых биоматериа-
применяться лишь в имплантатах, не несущих значительной механической
лах типа биостекла этому предшествуют ионообменные реакции на
нагрузки, например при лечении зубных лунок.
поверхности внедрения и появление слоя фосфата кальция. Считается, что
Один из способов преодоления этого недостатка состоит в нанесении на
эта реакция способствует формированию прямых химических связей между
металлическую подложку слоя покрытия из керамического фосфата кальция.
биостеклом и минеральной фазой новообразованной костной ткани.
Одним из методов ее исполнения является плазменное напыление. В этом
Фосфаткалъциевая керамика
случае
Поскольку минеральная микрофаза кости и ткани зубов состоит из солей
поверхностным покрытием, а не подложкой. Подложка обеспечивает
фосфата кальция, исследователи начали изучать возможность использования
прочность, а покрытие — биологическую реакцию организма на имплантат.
этого материала в качестве потенциального заменителя кости. Минеральная
Такой подход к разработке интеллектуальных биоматериалов основан на
фаза кости подобна гидроксиапатиту [Са|0(РО4)6(ОН)2], но имеет меньшую
эмпирических наблюдениях. Чтобы прогнозировать реакцию организма на
степень
биоматериал, необходимо понимать механизм его взаимодействия с живой
кристалличности
микровключений,
в
том
и
числе
содержит
целый
трикальцийфосфат,
набор
фосфатных
углеродапатит
и
материалов,
в
которые
качестве
биологическая
должны
исследоваться
искусственной
реакция
кости.
определяется
на
предмет
Недостатком
главным
этих
образом
тканью. К счастью, одновременно с разработкой новых материалов быстро
различные ионные примеси типа фтора, магния и натрия. Фторапатит
развивалась и биологическая наука.
[Ca10(PO4)6(F)2] имеет химическую структуру, похожую на гидроксиапатит.
Биоактивные стекла
Единственное отличие состоит в замене гидроксильных групп ионами фтора.
Состав биоактивных стекол разработан так, чтобы их поверхность вступила в
Фторапатит устойчивее гидроксиапатита при повышенных температурах и
химическую
35
реакцию
с
определенными
компонентами
окружающей
36
физиологической среды и образовалась химическая связь ткани с внедрением
Вопросы для самостоятельного изучения
Покрытие защищает внедрение от постепенной коррозии. Первыми
1.Кость как интеллектуальный материал
искусственными материалами, которые срастались с живой костью, были
2. Бесклеевая фиксация сплавов титана
стекла с составом Na2O-CaO-SiO2-P2Os. Их открыли в начале 1970-х годов и
3.Синтетический гидроксиаппатит.
назвали биостеклами. Биостекло ускоряет сращивание внедрения и кости.
4. Состав и свойства биоактивных стекол
Когда биостекло находится в водной среде, ионы кальция и фосфатов
5. Фосфаткальциевая керамика
выщелачиваются из внедрения и формируют обогащенный фосфатом
кальция поверхностный слой, который обеспечивает срастание биостекла с
костью.
Взаимное
срастание
путем
образования
коллагеновых
пальцеобразных выростов было описано Хенчем с соавторами. Сейчас
известно, что с живой костью срастаются различные виды стекол и
стеклокерамик. Некоторые из них используются в хирургии, например, для
создания искусственных косточек среднего уха и зубных лунок (челюстных
альвеол). Биоактивные стекла используют также для создания искусственных
позвонков, подвздошных костей и гранул для заполнения дефектов костей.
Отметим, что применение фосфаткальциевой керамики ограничено ее низкой
прочностью.
37
38
11. Биоматериалы третьего поколения.
печивают их взаимную фиксацию. Эти рецепторы включают иммуно-
Поверхность раздела материала и живой ткани
глобулины, селектины и интегрины. Протеины взаимодействуют с ре-
После внедрения биоматериала в тело вокруг него собираются мак-
цепторами и связывают клетку с межклеточной матрицей, которая
рофаги. Если внедрение мелкое и фаги способны его охватить, они пытаются
аналогична супу с разнообразными питательными компонентами типа
разрушить внедрение. Это явление было названо фагоцитозом. Если же
цитокинов и компонентов роста.
инородный объект слишком велик, макрофаги прикрепляются к его
Важно, чтобы на поверхность внедрения адсорбировались нужные белки,
поверхности, в результате чего образуется коллагеновая защитная ткань.
обеспечивающие положительную биореакцию организма и в конечном счете
Образование
но
успешное использование внедрения. Если при контакте материала с кровью
регулируется оно процессами наномасштаба, и реакция организма на
происходит ее сворачивание, из него нельзя делать устройства гемодиализа,
биоматериал определяется свойствами поверхности.
искусственные кровеносные сосуды или сердечные клапаны. Контактная
Атаки макрофагов и последующего образования соединительной ткани
линза должна легко смачиваться слезой, поскольку в противном случае она
можно избежать выбором биоматериала (например, Ti) или нанесением
повредит оболочку роговицы глаза. Аналогично, недостаточная связь протеза
покрытия на его поверхность. Применимость первого способа ограничена
зуба
малым количеством материалов, вызывающих желательную биореакцию
проникновения бактерий в промежуток между протезом и живой тканью.
организма. Создание покрытия является способом «перехитрить» механизм
Маловероятно, что существующие сейчас материалы смогут удовлетворить
естественной защиты организма. Внедрение герметизируется тонким слоем
многочисленным требованиям к взаимодействию различных клеток с
материала, вызывающего положительную реакцию организма.
поверхностью имплантата. Следовательно, для принятия организмом
Поведение клеток зависит от их взаимодействия с поверхностью внедрения,
биоматериала
другими клетками, субстратом и межклеточной матрицей. Следовательно,
желательного взаимодействия с биосредой. Характер этого взаимодействия
успех использования устройства зависит от сложного взаимодействия клеток
определяется особенностью применения биоматериала. Если материал имеет
и материала. Реакция клеток на синтетический материал имеет большое
высокую прочность, но не вызывает требуемой биореакции организма, на
значение при заживлении раны. Взаимодействие клетки с поверхностью
него можно нанести покрытие, стимулирующее эту реакцию.
внедрения определяет характер ее поведения, например силу взаимодействия
Установив факторы, определяющие взаимодействие поверхности внедрения
с соседями, рост, скорость перемещения и размножения и т.д. После
и клетки, можно осознанно модифицировать поверхность биоматериала для
внедрения биоматериала в ткань из межклеточной матрицы на поверхность
изменения биореакции организма. Один из таких методов состоит в
высаживаются белки типа фибронектина, проламина, витронектина и
химической
молекулы, способствующие фиксации клеток. Микробиологи установили,
определенных белков, а другой — в прививке биоактивных молекул на его
что поверхность клеток покрыта множеством рецепторов, которые обес-
поверхность. Особенности поверхностной модификации определяются
соединительной
ткани
является
макропроцессом,
со
слизистой
его
оболочкой
поверхность
модификации
приводит
нужно
поверхности
к
инфицированию
обработать
биоматериала
для
для
из-за
получения
адсорбции
характером требуемой реакции организма. Если имплантат подвергается
39
40
воздействию бактерий, как, например, искусственные голосовые связки,
адгезия клеток нежелательна. Напротив, для ортопедических имплантатов
Эксперименты с плазменнонапыленными полимерами с кислотной фун-
адгезия необходима.
кциональностью показали, что на них высаживаются клетки кожи, но при
Модификация поверхности
наличии диабетической язвы клетки перемещаются в обратном направлении,
Взаимодействие внедрения и клетки было исследовано на ионообменных
с поверхности в область раны. Это открытие привело к созданию нового
материалах (заряженных полимерах), самособирающихся монослоях (ССМ)
метода заживления ран.
и плазменно-напыленных полимерах.
Напыляя через соответствующие маски несколько полимеров с различными
ССМ получают в результате адсорбции упорядоченных органических
функциональными группами, на подложке можно получить рисунок с
молекул на поверхность золота. Они являются моделью для исследования
различным химическим составом отдельных областей. Такие образцы имеют
взаимодействия клетки и имплантата. Химический состав поверхности ССМ
различную гидрофобность или гидрофильность отдельных областей и, как
создается специальными концевыми группами адсорбированных цепей, что
следствие, способность осаждать клетки и белки. Пространственное
делает этот материал идеальным объектом для исследования адсорбции
изменение химического состава поверхности является очень интересным
белков и адгезии клеток. ССМ позволяет исследовать взаимодействие клеток
направлением развития инженерии живых тканей. Например, напыленные
с поверхностью имплантата, но его клиническое использование ограничено,
азотсодержащие полимеры стимулируют осаждение нервных клеток и рост
потому что подложкой является стекло, покрытое слоем золота. Напротив,
нейронов. Влияние химического состава поверхности на осаждение
полимерные покрытия, полученные плазменным напылением, в сочетании с
определенных клеток можно использовать для управления высаживанием
различными
нужных клеток в определенных областях. Пространственно-упорядоченные
подложками
имеют
огромный
потенциал
практического
использования.
структуры
Модифицированные поверхности способны влиять на поведение клетки,
электростимуляции нейронов. Выращивая нейроны в ограниченном объеме,
управляя природой белкового слоя, высаживающегося на поверхность в
можно исследовать их взаимодействие. А это, в свою очередь, позволяет
биосреде. Клетки способны «чувствовать» высадившиеся белки с помощью
регенерировать нейроны, ориентированные в нужном направлении.
рецепторов. Как правило, желательно осаждение определенных клеток на
Создание поверхностных рисунков с помощью плазменного напыления
поверхность внедрения, их рост и быстрое деление. Так, наличие на
помогает получать объекты сложной трехмерной структуры, что позволяет,
поверхности карбоксильной кислоты увеличивает адгезию и ускоряет де-
например, стимулировать рост множества клеток в нужных местах.
ление клеток кожи, а азот влияет на поведение нервных клеток.
Биологическая модификация поверхности
Интересная
особенность
некоторых
плазменнонапыленных
нервных
клеток
создавались
для
направленной
покрытий
Биологическая модификация состоит в изменении поверхностных свойств
состоит в способности отторгать в некоторый момент клетки. Это явление
материала при помощи нанесения ковалентно связанных биоактивных
вызвало удивление первых исследователей. Если клетка охотно садится на
молекул, на которые реагирует окружающая среда на клеточном или
поверхность, почему в некоторый момент она ее покидает?
молекулярном уровне. Разработаны различные модели, позволяющие изучать
41
42
влияние подложки на поведение клетки. Биоактивную поверхность создают,
аргинин-глицин-аспартата значительно улучшает связь костных клеток и
высаживая на подложку биологически активные лиганды естественного или
имплантата.
синтетического
Модификация, обеспечивающая совместимость с кровью
происхождения.
Они
могут
состоять
из
рецепторов
клеточных мембран, антител, адгезионных пептидов, ферментов, клейких
В настоящее время большинство искусственных кровеносных сосудов
углеводов, лектина, мембранных липидов и компонентов матричных
сделано из политетрафторэтилена (тефлона) или тканого полиэфира. В
гликозаминогликанов.
случаях, когда существует сильный поток крови (например, в аорте), эти
материалы оказались вполне приемлемыми. Однако при малом потоке крови,
Для прививки лигандов необходимо выбрать подходящую подложку,
когда диаметр кровеносного сосуда меньше 4 мм, эффективное сечение
поверхность которой можно модифицировать плазменным напылением.
сосуда постепенно уменьшается, и через восемь лет оно снижается до 10% от
Такая поверхность должна содержать химически активные компоненты для
исходного значения.
закрепления биоактивных лигандов (рис. 9.12), выбор которых зависит от
Механизмы взаимодействия лейкоцитов с клетками эндотелия, т.е. клетками
желательного поведения клетки.
стенки кровеносного сосуда, очень сложны. В частности, селектин приводит
Антибактериальная модификация
к вращению лейкоцитов, а интегрин — прилипанию к кровеносному сосуду.
Несмотря на стерильность современной хирургии, имплантаты часто
По этой причине один из потенциально наиболее эффективных методов
вызывают бактериальную инфекцию. Белок фибриноген легко высаживается
создания
из плазмы на поверхность, где к нему присоединяются бактерии
высаживание на нем клеток эндотелия, — прививка к поверхности белка
стафилококка или другие типы инфекции. Для предотвращения высаживания
типа фибронектина или олигопептида.
гемосовместимого
биоматериала,
который
инициирует
бактерий поверхность модифицировали фосфонированным полиуретаном.
Для этого в цепочку полиуретана был встроен ли-ганд фосфорилхолин.
С этой целью был разработан так
Кроме того, к полимерной смеси мстилсндифи-нилендиизоцианата с
Смесь поликарбонатуретана и полигидроксибутилакрилата обрабатывается, в
полиокситетраметиленом
группы
результате чего на поверхности появляется карбоксильная группа, на
оказались
которую легко высаживаются пептиды. Следующая стадия состоит в
глицерофосфорилхолина.
пришивались
Для
бактерий
боковые
эти
материалы
называемый карбодиимидный метод.
значительно менее привлекательными.
присоединении карбодиимидкарбоксила, после чего карбодиим группа
Модификация, обеспечивающая связь с костью
замещается нуклеофильной аминной группой и образуется устойчивый
Клетки кости имеют поверхностные рецепторы (интегрины), которые легко
ковалентно связанный пептид.
образуют связь с аргинин-глицин-аспартатными областями белков типа
фибронектина и витронектина из внеклеточной матрицы. Для селективной
адсорбции белка к биоматериалу можно привить короткую пептидную цепь,
содержащую клеточный адгезив. Исследования показали, что использование
43
44
Вопросы для самостоятельного изучения
12. Биоматериалы четвертого поколения
Травмы и болезни могут привести к потере живой ткани или утрате
1. Проблемы взаимодействия материала и живой ткани
организмом способности исполнять некоторую функцию. Клиническое
2.Модификация поверхности. Биологическая модификация поверхности.
лечение в подобных случаях состоит в замене потерянной ткани или
3. Антибактериальная модификация
восстановлении утраченной функции с помощью синтетических
4. Модификация,
обеспечивающая
совместимость
с
кровью.
Карбодиимидный метод.
биоматериалов и медицинских устройств. Для улучшения характеристик
биоматериалов значительные усилия были направлены на выяснение
5. Модификация, обеспечивающая связь с костью
взаимодействия биоматериала с живой тканью. В результате появились
материалы второго
поколения, часто называемые биоактивными. Однако лучшим «материалом»
для любого человеческого органа остается здоровая живая ткань. Новой
философией разработки биоматериалов стала инженерия живых тканей. Она
состоит в биологических и технических методах создания функциональных
тканей, заменяющих или улучшающих работу больных и патологических
частей организма. Практически эту идею реализуют путем выращивания
живых клеток на биоматериале в присутствии биоактивных молекул. После
этого живые клетки и производимую ими внеклеточную матрицу вместе с
подложкой вводят в организм как единую клеточно-биоматериальную
структуру. Из-за применения искусственных подложек инженерия живых
тканей тесно связана с материаловедением. Термин «заменяющая медицина»
был введен Клеменсом ван Блиттерсвийком (Нидерланды) для определения
методов лечения, основанных на совместном использовании биоматериалов
и выращенных живых тканей. Инженерия живых тканей является одной из
наиболее быстро развивающихся областей науки. Журнал «Тайм» поместил
специалистов по инженерии живых тканей в самом верху таблицы «лучших
рабочих мест будущего». Особенность инженерии живых тканей состоит в
совместной работе биологов, химиков и материаловедов. Интерес к ней
подпитывается политикой заботы о здоровье пожилого населения, а также
45
46
ожиданием огромного воздействия на методику клинического лечения
клеток, их роста и дифференцирования. Для того, чтобы использование
различных болезней.
биоинженерных тканей стало рутиной, необходимо дальнейшее развитие
До сих пор в качестве подложки биоматериалов часто использовали
биоматериаловедения, биологии и медицины. В частности, необходим
биодеградирующие материалы типа полилактида. Их считали идеальными,
прогресс в технологии выращивания клеток (включая стволовые) и
поскольку желательно, чтобы после имплантации материал постепенно
биокультур.
исчезал. До настоящего времени попытки усовершенствовать такие
подложки практически не предпринимались, хотя некоторые продукты их
распада могут подавлять рост и дифференцирование клеток. Одним из
перспективных направлений исследований является разработка биологически
модифицированных биоматериалов, поверхность которых несет некую
информацию для живых клеток, взаимодействующих с этой поверхностью.
Информация может состоять в определении того, где клетки должны и где не
должны высаживаться, в определении их ориентации или дифференциации.
Ожидается, что подобные разработки обеспечат биоинженерам широкий
выбор подложек. Вероятно, что появятся биоматериалы, поверхность
которых будет содержать интеллектуальные биодеградирующие слои и
биологически активные пептиды или лекарства. Такие работы ведутся, и уже
есть примеры модификации поверхности для управления высаживанием
определенных клеток. Используя поли(п-изопропилакриламид), Окано с
соавторами разработал биоматериал с термически активной поверхностью,
которая при температуре выше 32°С гидрофобна, а ниже 32°С —
гидрофильна. Таким образом, после роста клеток при температуре 37°С их
можно удалить с поверхности, понизив температуру до 32°С. Это свойство,
вероятно, будут использовать для снятия выращенной кожи с подложки
перед перенесением на рану.
Несмотря на прогресс в описанной области, создание истинно интеллектуальных подложек — это задача будущего. В настоящее время для
выращивания определенных тканей не часто удается создать правильную
морфологическую и биохимическую окружающую среду для высаживания
47
48
Вопросы для самостоятельного изучения
13. Заключение
Традиционно основными требованиями, предъявляемыми к биомате-
1.Понятие инженерии живых тканей
риалам, являются нетоксичность и высокая механическая прочность. Если
2.Биологически модифицированные биоматериалы
сто лет назад биоматериалы развивались методом проб и ошибок, то в
3. Интеллектуальные биодеградирующие слои
настоящее время принят более осторожный подход. Недостатком многих
4.Проблема выращивания стволовых клеток
медицинских устройств является недостаточно длительный срок работы.
Появление второго поколения биоактивных материалов не только улучшило
медицинские
устройства,
но
и
изменило
стратегию
их
развития.
Современные исследования основаны на попытках получить желательную
реакцию живой ткани на биоматериал. Такие разработки позволяют создать
медицинские устройства, восстанавливающие или заменяющие больные
ткани и органы. Сложность подобных работ состоит в изменении
окружающей биологической среды при болезни, что затрудняет успешное
оперативное вмешательство. Разработка новых медицинских устройств,
биоматериалов и тканей, несомненно, будет играть все более важную роль в
лечении болезней. Будущее развитие биоматериалов явится результатом
совместных усилий материаловедов, биологов и врачей. Вероятно, новые
биоматериалы будут сильно отличаться от биоматериалов прошлого. Они
станут намного более интеллектуальными в том смысле, что будут
взаимодействовать
с
биосредой,
способствуя
восстановлению
физиологических функций организма и живых тканей. Окончательной целью
лечения будет восстановление здоровой ткани и исчезновение остатков
имплантированного биоматериала.
Материаловедение для биологических и медицинских применений –
сравнительно молодая отрасль науки. Ее интенсивное развитие обусловлено
разработкой изучением наиболее функциональных и безопасных материалов,
способствующих улучшению здоровья и условий жизни человека.
49
50
14. Список используемых источников
1. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и
применение. М.: Техносфера, 2006. -224 с.
2. Бегун П.И. Гибкие элементы медицинских систем. – СПб.: Политехника,
2002.-296 с.
3.Вагнер
Е.А.
и
др.
Углеродный
материал
нового
поколения
в
эндопротезировании костей и суставов.-Пермь:Пермский Университет,
1993.-64 с.
4. Искусственные органы. /Под ред. В.И. Шумакова.-М.:Медицина, 1990.278с.
5. История сердечно-сосудистой хирургии./Подред. Л.А. Бокерия.- М.:НЦ
ССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, 1997.-177с.
6. Медицинская биофизика. / Под ред. В.О. Самойлова. – Л.:Изд-во ВМА им.
Кирова, 1986. –С.258-269.
7.Медицинские
и
биоматериалы/П.А.Арсентьев,
Н.В.Комисаренко,
Е.Ю.Макарычева/Под ред. М.С.Старостиной –М.:Издательство МЭИ, 1999.72 с.
8.Шиф Л.В.Глазное протезировваниею – М.:Медицина, 1981.- 136 с.
9.В. И. Шумаков, В.Е. Толпеин, Д.В. Шумаков. Искусственное сердце и
вспомогательное кровообращение.- М.:Янус-К, 2003, 376 с.
10.Williams D. F., Black, J. and Doherty P. J. (1992) «Consensus of 2nd
Conference on Definitions in Biomaterials», Biomaterial-Tissue Interfaces, 10,
525.
51