Біоматеріали, біосумісність, биодеградация, термінологія, визначення та класифікація

Для того щоб розглянути питання, пов`язані з розвитком тих чи інших реакцій на імплантати, які використовуються в травматології і ортопедії, необхідно зупинитися на основних термінах і визначеннях, що використовуються в медичному матеріалознавстві. Згідно з рекомендаціями оргкомітетів V і VI всесвітніх конгресів з біоматеріалів, які пройшли в 1998 і 2000 роках, а також міжнародної організації зі стандартизації ISO (ISO / TR 9966), ГОСТом Р 51148-98 під біоматеріалами увазі нежиттєздатний матеріал, призначений для контакту з живою тканиною для виконання функцій медичного призначення. Біоматеріал повинен бути біосумісним і може бути біодеградіруемимі.

біосумісність (БС) - це забезпечення бажаної реакції живих тканин на нежиттєздатні біоматеріали. Біосумісним є матеріал, який має здатність виробляти відповідний відгук господаря при специфічному його використанні. Це визначення сформульовано на нараді робочої групи, що пройшов у Амстердамі (Williams, 1987). Автори роблять акцент на тому, що біосумісність - це не повна відсутність токсичності або інших негативних властивостей, а вимога того, щоб матеріал при імплантації поводився адекватно, що дозволяє виконати поставлене завдання. В.І. Севастьянов (1999), аналізуючи наявну інформацію, виділяє такі основні властивості біосумісних матеріалів:

• Біоматеріали не повинні викликати місцевої запальної реакції;
• Біоматеріали не повинні надавати токсичного і алергічного дії на організм;
• Біоматеріали не повинні володіти канцерогенну дію;
• Біоматеріали не повинні провокувати розвиток інфекції;
• Біоматеріали повинні зберігати функціональні властивості протягом передбаченого терміну експлуатації.

біосумісні матеріали і пристрої діють або функціонують гармонійно і злагоджено при знаходженні в організмі або контакті з біологічними рідинами, не викликаючи захворювання або хворобливих реакцій. Слід підкреслити, що ніякої біоматеріал, ймовірно, за винятком того, що буде отриманий за допомогою генної інженерії і клонування, не може бути абсолютно біосумісним. Зокрема, ендопротези кульшового, колінного, гомілковостопного і інших суглобів з часом втрачають свої біомеханічні характеристики. При цьому в процесі тертя і багаторазових циклічних навантажень на компоненти протеза (поліетилен, металеві частини, цемент) утворюються численні мікрочастинки, які легко переміщуються в організмі, блокують функцію фагоцитуючих клітин і визначаються в печінці, нирках і легенях. Все це може привести до різного роду ускладнень, аж до розвитку злоякісних новоутворень.

Отже, реально існуюча практика дозволяє говорити лише про існування щодо біосумісних і безпечних біоматеріалів. Вони можуть перебувати в організмі протягом тривалого періоду часу, достатнього для виконання своєї функції, не викликаючи в ньому розвитку негативних реакцій. Рівень відносної биосовместимости для різних біоматеріалів може бути різним. Це інтегральний показник, і його важко визначити кількісно. У кожному конкретному випадку потрібно використовувати свій підхід і ставитися з обережністю до отриманих результатів (ISO / TR 9966: +1989 (Е)).

Процес розкладання нежиттєздатних матеріалів при контакті з живими тканинами, клітинами і біологічними (тілесними) рідинами отримав назву биодеградация (БД). Механізм біодеградації може бути найрізноманітніший - від корозії металів, фагоцитозу кальціофосфатов і колагену, до Хімічного заміщення коралів на гідроксиапатит.

біодеградіруемие матеріали і пристрої можуть частково або повністю розчинятися, поглинатися макрофагами, включатися в метаболічні та біохімічні процеси і / або замінюватися живою тканиною.

Протилежним біодеградації властивістю є біоустойчівость, яка характеризує здатність матеріалу протистояти в розрахунковому інтервалі часу комплексному впливу навколишнього середовища і тканин, зберігаючи при цьому свої вихідні фізико-хімічні, механічні та біологічні, а також функціональні властивості.

Для характеристики біоматеріалів, що імплантуються в кісткову тканину, Osborn і Newesely (1980) запропонували терміни: біотолерантние, біоінертні і біоактивні. На 2-й конференції з біоматеріалів (Честер, 1992) після всебічного обговорення був обраний ряд нових визначень і роз`яснень по вже існуючій термінології, використовуваної для характеристики біоматеріалів, які використовуються в травматології і ортопедії.

Біотолерантние матеріали включаються в кістку через механізми дистантного остеогенеза. При цьому вони відокремлюються від кісткової тканини проростають масивним фіброзним шаром. Як приклад таких речовин можуть бути метакрилати або віталіум, ПМА, вітаміни (Osborn, Hewesely, 1980 Bruijn, 1993).

Біоінертні матеріали практично не взаємодіють з навколишніми тканинами, не викликають утворення вираженого фіброзного шару і стимуляцію остеогенезу. При цьому кістка може формуватися в безпосередній близькості від поверхні імплантату. Прикладом таких сполук може бути металокераміка з оксиду титану, ванадію, цирконію та алюмінію. Біоінертні матеріали, як правило, мають на своїй поверхні захисний шар, який перешкоджає виходу з імплантату іонів і проникненню в нього агресивних молекул з навколишнього біологічної рідини (Hench, Wilson, 1993- Nevelos, 2000- Murakami et al., 2000- Mu et al ., 2000- Villermaux, 2000).

Товщина сполучнотканинною капсули при введенні біоінертних матеріалів не повинна перевищувати 50 мкм. При цьому виражені біологічні реакції з боку кісткової (остеогенез), м`якою, лімфоїдної тканин практично не виявляються (Thull, 1992).

З теоретичних позицій, біоінертні матеріали не повинні зазнавати змін в своєму складі і фізико-хімічні властивості за весь час перебування в організмі або біоактивних середовищах. Вони представлені переважно діелектриками, що перешкоджає прояву електрохімічних і електричних явищ навколо імплантату.

Інтеграція таких біоматеріалів з кісткою мінімальна і може здійснюватися за рахунок проникнення сполучної тканини в мікропори виробів, розміри яких визначають, в кінцевому рахунку, величину механічної фіксації. У реальній практиці цей процес протікає трохи інакше, оскільки частина металу у вигляді іонів і мікрочастинок, за рахунок руйнування захисної плівки при навантаженнях і деформації, все ж надходить в організм, що може призводити до розвитку несприятливих реакцій (Thull, 1996- Mu, 2000) .

Як і при розгляді биосовместимости біоактивних матеріалів, слід ще раз підкреслити, що ніякий матеріал, імплантований в живу тканину, не є інертним. На межі поділу тканину-імплантат спостерігається відгук, який залежить від багатьох факторів.

під біоактивними матеріалами (БАМ) мають на увазі біоматеріали, призначені для зв`язування їх з біологічними системами з метою підвищення ефективності лікування, освіти або заміщення будь-якої тканини, органу при виконання тих чи інших функцій організму (Williams et al., 1992). В даний час серед сімейства БАМ виділяють 5 основних категорій:

1. Кальціофосфатная кераміка.
2. Скло і склокераміка.
3. Біоактивні полімери.
4. Біоактивні гелі.
5. Композити.

Загальним характерним властивістю для всіх біоактивних імплантатів, що застосовуються в травматології та ортопедії, є утворення карбонатного гідроксіапатітовие (КГА) шару на їх поверхні при імплантації. КГА еквівалентний за складом і структурі мінеральної фазі кістки. КГА шар росте у вигляді полікристалічних агломератів, до складу яких включаються колагенові фібрили. За рахунок цього відбувається зв`язування неорганічної поверхні імплантату з органічними компонентами тканин. Таким чином, межа розділу між біоактивним імплантатом і кісткою майже ідентична природно виникають кордонів розділу між кістками і сухожиллями і зв`язками. Біомеханічні властивості такого біоматеріалу найбільш повно відповідає природним градиентам напруг, ніж у інших БМ (Groot, 1981, 1993- Jarcho, 1981, 1993- Hennch et al., 1984- Kokaburo, 1992 Neo et al., 1992 Okumura, 1992) .

Фактори, що впливають на біологічний відгук на кордоні розділу між ортопедичним імплантатом і навколишнього його тканиною

По механізму освіти апатитового шару біоактивні матеріали можна поділити на три групи (Williams et al., 1992 Bruijn, 1993):

1. формують апатити при власній біодеградації (гідроксиапатит, &beta - трикальций фосфат і т.п.);
2. формують апатитовий шар при насиченні навколишнього середовища кальцій-фосфатами і іонами силікону, що виходять з матеріалу (гелі і полімери);
3. формують апатитовий шар шляхом абсорбції іонів кальцію і фосфату з навколишніх біологічних рідин і тканин (скло і склокераміка).

У більш широкому сенсі биоактивность може розглядатися як властивість, що характеризує ступінь впливу біоматеріалу на протягом патофізіологічних і морфологічних процесів у зоні контакту з біологічним об`єктом (Єрмакова та ін., 1990). В якійсь мірі ця позиція перегукується з думкою інших авторів (Hench, Wilson, 1986), які мають на увазі під біоактивними матеріалами підклас поверхнево-активних матеріалів, які при імплантації утворюють зв`язок з навколишньою тканиною, яка має кордон розділу імплантат-кістка.

З нашої точки зору, биоактивность матеріалу в травматології та ортопедії є інтегральним показником і має оцінюватися, в першу чергу, з позиції його здібності до процесів інтеграції з кістковою тканиною, з включенням механізмів остеокондукціі і остеоіндукціі. З цих позицій, найоптимальнішими біоактивними матеріалами є матеріали, які є природними метаболітами кісткової тканини, наприклад колаген, еластин, гідроксиапатит, трікальціофосфат і т.п. Кондукція відображає здатність біоактивних матеріалів до адгезії, поширенню по поверхні і підтримці проліферації клітин-мішеней. Якщо мова йде про кісткової тканини, то біоактивні матеріали повинні добре пов`язувати остеогенні клітини, сприяти їх експансії за рахунок міграції, хемокінез по своїй поверхні і підтримувати процеси проліферації і диференціювання. Остеоіндуктивні біоматеріали самостійно стимулюють утворення і зростання кісткової тканини на поверхні імплантату.

У травматології і ортопедії деякі автори виділяють ще одну групу, що отримала назву костеосвязивающіе імплантати (КСІ). Вони можуть розглядатися як підгрупа біоактивних і біотолерантних матеріалів, що володіють здатністю до встановлення зв`язку між біоматеріалом і кістковим матриксом (Williams, 1992 Hench, Wilson, 1993). При цьому кісткова тканина може проникати в імплантат механічним шляхом (механічне зв`язування), за рахунок, наприклад, вростання в пори матеріалу. Такий процес спостерігається при використанні пористих матеріалів, зокрема коралів, металів, отриманих за допомогою порошкової металургії, кальціофосфатов, полімерів та ін. Інший механізм лежить через освіту хімічних зв`язків між імплантатом і кісткою - хімічне зв`язування, що спостерігається, наприклад, при використанні деяких полімерів і біостекол. Третій шлях взаємодії імплантату і кісткової тканини реалізується за рахунок включення біоматеріалу в структуру кісткової тканини через механізми біодеградації, ремоделювання і остеоінтеграції (біологічне зв`язування). З точки зору біомеханіки, найміцнішу і функціональну зв`язок дають лише імплантати третього типу, до яких відносяться кальціофосфатние (КФ) біоматеріали (Groot, 1981- LeGeros, 1991).

Всі ускладнення, що виникають при імплантування біоматеріалів, які використовуються в травматології і ортопедії, можна поділити на два великі класи. Один включає в себе ускладнення, що виникають в результаті пошкодження имплантируемого матеріалу. Як приклад можна привести такі процеси як корозію, розчинення, біодеградацію, втома, деформація, тертя, руйнування матеріалу і т.д.

Інший клас ускладнень розвивається внаслідок складних біологічних процесів, що протікають навколо матеріалу, що включають загальні і локальні реакції організму на появу будь-якого стороннього тіла. Розглянемо спочатку більш детально біологічні реакції, що виникають в організмі при введенні імплантатів.


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системи зовнішньої фіксації і регуляторні механізми оптимальної біомеханіки