МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ БИОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ

На протяжении многих десятилетий металлические биоматериалы широко исследовались и использовались в медицине, взаимодействуя с биосредой человеческого организма: жидкостями, мягкими и твердыми тканями.

Биоматериал – нежизнеспособный материал медицинского назначения, предназначенный для выполнения своих функций при взаимодействии с биологическими системами [1].

Такой материал, чаще всего, используются в качестве хирургических имплантатов (для стоматологической и реконструктивной хирургии, и ортопедии) из-за высокой прочности и стойкости к разрушению, которые может обеспечить этот класс материалов. Однако важным недостатком металлических биоматериалов является их склонность к коррозии в физиологических условиях, поэтому большое количество металлов и сплавов было признано непригодными для имплантации в организм человека, как слишком реакционноспособные. Таким образом, список металлов, используемых в настоящее время в имплантируемых изделиях, ограничен.

Имплантируемые металлические изделия характеризуются комплексом свойств: биологических (отсутствие реакций со стороны иммунной системы, стимулирование остеосинтеза (сопоставление и сращивание отломков костей), срастание с костной тканью) и химических (отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями, отсутствие коррозии), а также механических характеристик (прочность, сопротивление замедленному разрушению (усталости), трещиностойкость и износостойкость), обеспечивающих высокий уровень совместимости биоматериалов с биосредой человеческого организма.

Исследования в области биоматериалов медицинского назначения ведутся в определенных направлениях:

• разработка способов получения материалов и покрытий с заданными параметрами биосовместимости;
• изучение процессов взаимодействия материалов имплантатов («неживого») с биосредой: тканями и жидкостями («живого»);
• совершенствование методов экспериментально-клинического применения металлических изделий из биологически совместимых материалов.

Наиболее важным в повышении эффективности процессов диагностики, терапевтического и хирургического лечения, восстановления функций или замены органов, реабилитации пациентов является разработка способов получения материалов и покрытий, а также изделий, обладающих характеристиками биологической и механической совместимости. Такие медико-технические изделия могут взаимодействовать с любой биосредой живого организма: с кровью, слюной, с желудочным соком, различными видами тканей и, кроме всего прочего, испытывать действие механических нагрузок.

Биосовместимость (биомеханическая и биохимическая) материала – это его способность выполнять действия терапевтического или диагностического характера в условиях приемлемого отклика организма-хозяина, то есть это биоматериал, который обладает способностью вырабатывать соответствующий отклик организма при специфическом его использовании. Биохимическая совместимость характеризуется отсутствием воспалительных процессов и иммунных реакций при введении имплантата в биосреду (костную ткань). Реакция тканей на введение искусственных материалов включает в себя сложные химические процессы взаимодействия агрессивных тканевых жидкостей с материалом, который отвечает на это образованием в прилежащих тканях и жидкостях продуктов коррозии. Биомеханическая совместимость характеризуется отсутствием перегрузок и сдвигов на поверхности раздела «имплантат – костная ткань», а давление на данную поверхность должно быть минимальным. В процессе функционирования система «имплантат – ткань» не может допустить изменений или перемещений структуры, приводящих к нарушению кровообращения, механическим повреждения, резорбции или некрозу. Приемлемый биоматериал должен быть по своим свойствам схож с живой тканью, то есть иметь близкую к ней диаграмму «напряжение – деформация» и обладать эластичностью [2].

Биосовместимые металлы и сплавы могут быть подвергнуты электрохимическому воздействию биосреды с опасностью их коррозии и появления металлоза прилегающих тканей.

Титан и сплавы на его основе используются в различных сферах деятельности человека, но наиболее важное свое применение нашли в качестве биоматериалов для медицинских изделий, благодаря уникальному сочетанию разнообразных свойств: высокой прочности, малой плотности, высокой коррозионной стойкости и хорошей биосовместимости. С точки зрения коррозионной стойкости титан превосходит другие хирургические металлы из-за образования на его поверхности очень устойчивого пассивного слоя TiO₂ (диоксида титана). Титан является внутренне биосовместимым и часто демонстрирует непосредственное расположение в кости. Другим благоприятным свойством титана является низкий модуль упругости (в два раза ниже, по сравнению с нержавеющей сталью и Co-Cr), что приводит к меньшему экранированию (способности снижать) напряжения и связанной с этим резорбции кости вокруг ортопедических и зубных имплантатов на основе титана. Кроме того, титан является более легким, чем прочие хирургические металлы, и вызывает меньше искажений при компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии [3].

Но по своим механическим свойствам титан плохо совместим с костной тканью, так как имеет более высокий модуль Юнга (105 ГПа). В процессе эксплуатации в системе «костная ткань – имплантат» большая часть нагрузки приходится на титановый имплантат, поэтому костная ткань не подвергается достаточному воздействию механических напряжений, что приводит к постепенной резорбции кости и ослаблению фиксации имплантата.

Статическая и усталостная прочность титана, однако, слишком малы для коммерческих имплантатов из чистого титана, которые должны использоваться в условиях нагрузки. Добавление легирующих элементов, таких как алюминий и ванадий, позволяет значительно улучшить механические свойства титана. Сплав Ti – 6Al – 4V является наиболее часто используемым хирургическим сплавом на основе титана. Несмотря на отличную пассивность и коррозионную стойкость Ti – 6Al – 4V, в тканях вокруг имплантатов были обнаружены повышенные концентрации ионов металлов (Al и V). Такое пассивное растворение и накопление ионов является опасным фактором для организма человека, потому как алюминий является элементом, участвующим в сильной неврологии, например, Болезни Альцгеймера и метаболических заболеваниях костей, например, остеомаляция (системное заболевание, характеризующееся недостаточной минерализацией костной ткани), а ионы ванадия считаются потенциально цитотоксичными (запускающими процесс омертвления) [3].

Специальная группа титановых сплавов, завоевавшая популярность во многих сферах биомедицинского применения, представляет собой сплавы Ni – Ti (нитинол) на основе интерметаллического соединения NiTi и содержащего 54 – 60 мас. % Ni. Нитинол обладает уникальными свойствами памяти формы и сверхэластичности (способность сплава при снятии нагрузки полностью возвращать приобретенную в процессе нагружения неупругую деформацию), которые используются в стентах, направляющих и других периферических сосудистых устройствах. Из-за высокого содержания титана, нитинольные сплавы обладают хорошей биосовместимостью и коррозионной стойкостью в естественных условиях. В то же время высвобождение ионов Ni вызывает беспокойство, поскольку они могут вызывать аллергические и канцерогенные эффекты, а также изменять поведение клеток [4].

Помимо памяти формы, нитинол в своем мартенситном состоянии обладает очень низким модулем упругости - менее половины, чем у чистого титана [4]. Это делает его привлекательным материалом для ортопедических, спинальных и зубных имплантатов, поскольку низкая жесткость сводит к минимуму напряжение кости вокруг имплантата.

В настоящее время больше усилий направлено на исследование и разработку титановых сплавов, состоящих исключительно из нетоксичных элементов. Ведутся активные исследования по созданию и использованию в медицине сплавов с памятью формы на основе титана без никеля, проявляющих свойство сверхупругости (свойство материала, подвергнутого нагружению до напряжения, значительно превышающего предел текучести, полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки). Одним из направлений по улучшению биосовместимости медицинских имплантатов является создание материалов на основе твердых растворов систем Ti – Nb – Ta. Так же ведутся активные исследования в медицине, по использованию сплавов из биоинертных металлов с низким модулем упругости. К примеру, сплавы системы Ti – Nb, при конкретном содержании ниобия, имеют модуль упругости 55-60 ГПа, что сравнимо с модулем упругости для плотной костной ткани. Наиболее важно, что они состоят только из биосовместимых, разрешенных к медицинскому применению компонентов [5].

Альтернативный подход к решению проблемы выброса вредных ионов заключается в том, чтобы полностью отказаться от концепции легирования и повысить механические свойства чистого титана и его сплавов за счет наноразмерного измельчения зерна. Возможность улучшения титана путем наноструктурирования показала, что в дополнение к улучшенным механическим свойствам, наблюдалась и более благоприятная реакция клеток на наноструктуру по сравнению с крупнозернистым титаном [6].

Таким образом, использование металлических биоматериалов (в основном на основе титана) для имплантируемых медицинских устройств стало неотъемлемой частью современной медицины, а наноструктурирование является альтернативным и перспективным способом дальнейшего повышения безопасности, эффективности и долговечности медицинских имплантатов из этих материалов.

Список литературы:

1. Комарова Е.Г. Закономерности формирования структуры и свойств микродуговых покрытий на основе замещенных гидроксиапатитов на сплавах титана и ниобия: дис. ... канд. техн. наук. – Томск, 2017. – С. 13-14.
2. Гюнтер В.Э. Проблемы биосовместимости металлических материалов // Стоматология. – М.: Издательство Медиа Сфера, 2013. – Т. 92, №3. – С. 11– 14.
3. Soumya N., Banerjee R. Fundamentals of Medical Implant Materials // ASM Handbook, Materials for Medical Devices. 2012. Vol. 23. P. 6 – 17.
4. Michiardi A., Aparicio C., Planell J. New oxidation treatment of NiTi shape memory alloys to obtain Ni free surfaces and to improve biocompatibility // J. Biomed. Mater. Res. B: Appl. Biomater. 2006. Vol. 77. № 2. Р. 249 – 256.
5. Конушкин С.В. Получение биоматериала Ti-Nb-Ta для медицинских изделий / Сборник тезисов Всероссийской научно-технической конференции студентов «Студенческая научная весна 2015: Машиностроительные технологии», – Москва, 2015. – C. 10.
6. Corrosion behaviour of ultra fine grained titanium in simulated body fluid for implant application / A. Balakrishnan, B.C. Lee, T.N. Kim [etc.] // Trends Biomater. Artif. Organs. 2008. V. 22. P. 54 – 60.