Биосовместимые материалы
Согласно определению W. Wagner (1991) биосовместимые материалы – это материалы, имеющие небиологическое происхождение и применяемые в медицине для достижения взаимодействия с биологической системой.
Биосовместимым с костной тканью может считаться материал, который в достаточной степени инертен относительно остеоиндукции и активен относительно остеокондукции.
Объяснить это положение можно следующим образом. Остеоиндуктивными свойствами обладают только специфические белки – остеоиндукторы [Reddy A., 1989; Wozney J., 1989]. Поэтому подобные свойства присущи только биологическим материалам и препаратам, содержащим эти белки и специфические факторы роста.
Таблица 1
Биологические материалы, применяемые в хирургической стоматологии и имплантологии
Небиологические материалы не могут вызвать экспрессию генов, отвечающих за митоз и дифференциацию остеогенных клеток в остеобласты, и, следовательно, любая активность этих материалов по отношению к геному стволовых мезенхимальных клеток, скорее всего, будет оказывать неадекватное или негативное воздействие на процесс остеоиндукции.
Исходя из вышесказанного, материал имплантата, с одной стороны, не должен воздействовать на геном клеток организма, ингибировать белки-остеоиндукторы, угнетать митоз остеогенных клеток, а в дальнейшем деятельность остеобластов и остеоцитов. С другой стороны, поверхность материала должна обеспечивать адсорбцию белков и адгезию клеток, органического и минерального компонентов костного матрикса, а также его физико-химическую связь с поверхностью имплантата.
С точки зрения активности по отношению к остеокондукции и взаимодействию с костным матриксом V. Strunz (1984) и J. Osborn (1985) разделили биосовместимые материалы на биоактивные, биоинертные и биотолерантные.
Биоактивные небиологические материалы – это материалы, которые включаются в ионный обмен и метаболизм костного матрикса и частично или полностью замещаются костной тканью в процессе её регенерации.
Характерной особенностью этих материалов является полная либо частичная их деградация (рассасывание) со временем и замещение нормальной костной тканью [Strunz V., 1984].
Биоактивными материалами являются кальций-фосфатные соединения, сульфат кальция, биостекло и материалы на основе некоторых высокомолекулярных полимеров.
Кальций-фосфатные материалы (трикальцийфосфат и гидроксиапатит) получают не только из биологического сырья, но и методами химического осаждения, синтеза или спекания [Lynch S., Genco R., Marx R., 1999; Spiekermann H. et al., 1995].
Являясь аналогом главного компонента минеральной основы кости, гидроксиапатит обладает выраженными остеокондуктивными свойствами, обеспечивает адгезию белков и клеток костной ткани, активно включается в ионный обмен и метаболизм костного матрикса, поддерживает ионные и ковалентные связи с минералами кости [Hislop W., Finlay P., Moos K., 1993; Lynch S., Genco R., Marx R., 1999; Pinholt E., Bang G., Haanaes H., 1991].
Создавая оптимальные условия для остеокондукции, гидроксиапатит в то же время подвергается остеокластической резорбции, растворяется в жидкой среде и рассасывается в течение 6-10 месяцев [Bguer G., 1990; Donohue W., Mascres С., 1993; Wagner W., 1991]. Причём его резорбция в губчатом слое кости происходит быстрее, чем в компактном [Piattelli A. et al., 1993].
В клинической практике применяется и нерассасывающийся гидроксиапатит, который представляет собой композиционный гидроксиапатитно-керамический материал в виде блоков или крупных гранул, полученных при спекании. Этот материал подвергается частичной резорбции, причём отдельные гранулы или фрагменты блоков, инкорпорированные вновь образованной костью, могут сохраняться на протяжении 3–5 лет [Лысенок Л.Н., 1997; Hoogendoorn H. et al., 1984].
Трикальцийфосфат не является аналогом аморфных кальций-фосфатных соединений минеральной части костного матрикса. Вместе с тем этот материал метаболически достаточно активен. In vivo большая его часть трансформируется в гидроксиапатит, а оставшаяся часть растворяется [Lynch S., Genco R., Marx R., 1999].
Сульфат кальция, или «парижский пластырь», – один из первых биосовместимых остеопластических материалов. Впервые был использован Dreesman в 1892 г. для заполнения костных дефектов. Этот материал обладает остеокондуктивными свойствами, хорошо переносится тканями, резорбируется в течение месяца, при этом происходит его замещение костной тканью [Островский А.В., 1999; Peltier L., Lillo R., 1955; Peltier L., 1961].
Сульфат кальция широко используется в оториноларингологии, ортопедии и травматологии [Coetzee A., 1980]. Может применяться при операции синус-лифт, а также хирургическом лечении заболеваний пародонта в качестве остеопластического материала [Shaffer C., App G., 1971].
Стекло – неорганический твердый материал, состоящий из трёх основных химических соединений: SiO2, CaCO3 и Na2CO3. К биосовместимым относятся стёкла, в состав которых входят: SiO3 или SiO2 (30–45 %), Р2О5 или Р2О2 (6 %), СаО (15–25 %) и Na2O (около 25 %) [Островский А.В., 1999; Хенч Л., 1998].
Разновидностью биосовместимого стекла являются некоторые виды ситаллов. С физической точки зрения ситалл – это закристаллизованное стекло. Биосовместимые ситаллы имеют схожий химический состав со стеклом, но кроме SiO3, P2O5, СаО и Na2O могут содержать ещё ряд соединений: MgO, А12О3, Та2О5 и др. [Хенч Л., 1998; Зубов Ю.Н., Дудко А.С., Пикулик Л.Н., 2000].
Биологическая активность биосовместимых стёкол и ситаллов проявляется за счёт химической деградации (растворимости) в жидких биологических средах поверхности этих материалов. В результате на поверхность выходят ионы кальция и соединения фосфора, способствующие образованию на поверхности материала кристаллов апатитов, которые формируют центры минерализации остеоида и обеспечивают физико-химическую связь матрикса кости с поверхностью материала [Штрунц В., Гросс У., Мэннер К., 1998].
Биоактивные полимеры молочной и лимонной кислот применяются в качестве рассасывающихся барьерных мембран [Островский А.В., 1999; Vernino A. et al., 1999]. К подобным полимерам также относятся композиционные материалы на основе высокомолекулярного полиэтилена с минеральными наполнителями – гидроксиапатитом или гидроксидом кальция, применяемые для остеопластики дефектов и наращивания костной ткани [Воложин А.И. и др., 1999; Ashman A., 1992; Yukna R., 1990].
Биоинертные материалы
К этой группе относятся материалы, поверхность которых может обеспечить физико-химическую связь с костным матриксом, но при этом практически не включающиеся в метаболизм костной ткани и не подвергающиеся деградации на протяжении всего периода взаимодействия с окружающими тканями.
Биоинертные материалы или их поверхность являются простейшей по химическому составу керамикой, имеющей обычные ионные связи. Основу её составляют оксиды, представляющие собой химическое соединение металла и кислорода.
Наиболее известной керамикой из группы биоинертных материалов является алюмооксидная (АI2О3).
Внутрикостные имлантаты, изготавливаемые из оксида алюминия, имеют поли– и монокристаллическую структуру. Алюмооксидная керамика с поликристаллической структурой имеет белый цвет; моно-кристаллическая прозрачна, по химическому составу и структуре идентична сапфиру [Kawahara H., Hirabayashi M., Shikita T., 1980; Spiekermann H. et al., 1995].
Алюмооксидная керамика имеет выраженный отрицательный заряд поверхности за счёт радикалов ионов О2, что связывает молекулы эндогенных протеинов и может обеспечить физико-химическую связь костного матрикса с поверхностью материала [Zetterqvist L., Anneroth G., Nordenram E., 1991; Spiekermann H. et al., 1995].
К биоинертным металлам относятся титан и некоторые его сплавы, а также цирконий. Титан – легкий, прочный металл, обладающий высокой устойчивостью к коррозии. Титан имеет небольшой коэффициент теплопроводности и немагнитен [Галицкий Б.А., Абелев М.М., Шварц Г.Л., Шевелкин Б.Н., 1968; Helsen J. A., Breme H.J., 1998]. Широко распространён в природе и составляет 0,44 % массы земной коры. Титан содержится практически во всех камнях, песке, глине и других грунтах, а также в воде и метеоритах. В незначительных количествах он находится во всех живых организмах и растениях [Ершов Ю.А. и др., 1993].
Химическое соединение в виде оксида титана было открыто в 1791 г. английским геологом W. Georg, а в 1795 г. немецкий химик М.Н. Klatproth выделил титан как химический элемент.
Спустя 100 лет титан стал доступен для промышленной разработки. В 1910 г. инженер-металлург М. Hunter выделил из минералов ильменита и рутила тетрахлорид титана.
В 1950 г. благодаря лабораторным магниетермическим процессам был получен технически чистый титан, который содержит около 99,95 % титана, а в качестве основных примесей кислород, азот и железо в минимальных количествах.
Таблица 2
