WikiDer > Биокерамика

Bioceramic
Пористая биокерамическая гранула ортобиологического состава кальция, произведенная Cam Bioceramics.

Биокерамика и биостекла находятся керамика материалы, которые биосовместимый.[1] Биокерамика - важная часть биоматериалы.[2][3] Биокерамика отличается биосовместимостью от керамики. оксиды, которые являются инертными в организме, в противоположность резорбируемым материалам, 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 хирургические имплантаты, хотя некоторые виды биокерамики гибкие. Используемые керамические материалы не такие, как фарфор типа керамических материалов. Скорее, биокерамика тесно связана либо с собственными материалами тела, либо чрезвычайно прочна. оксиды металлов.

История

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 лучших хирургических методов, а также первое использование сплавов, таких как виталлий.

В 1969 году Л. Л. Хенч и другие обнаружили, что различные виды стекол и керамики могут связываться с живой костью.[4][5] Хенч был вдохновлен этой идеей по дороге 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 биостекло. 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

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

Керамика в настоящее время широко используется в медицине в качестве стоматологический и кость имплантаты.[8][9] Хирургический металлокерамика используются регулярно. Замены суставов обычно покрывают биокерамическими материалами, чтобы уменьшить износ и воспалительную реакцию. Другие примеры медицинского использования биокерамики находятся в 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, при этом мировая рыночная стоимость увеличится до 15,3 млрд долларов США к 2015 году и достигнет 18,5 млрд долларов США к 2018 году.[10]

Механические свойства и состав

Биокерамика предназначена для использования в системах экстракорпорального кровообращения (диализ например) или инженерные биореакторы; однако они наиболее распространены как имплантаты.[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 при неисправности. суставы. Такие свойства, как внешний вид и электрическая изоляция, также важны для конкретных биомедицинских приложений.

Некоторые биокерамики содержат глинозем (Al2О3), поскольку их продолжительность жизни больше, чем у пациента. Материал можно использовать во внутренней слуховые косточки, глазные протезы, электрическая изоляция для кардиостимуляторов, отверстия катетеров и в многочисленных прототипах имплантируемых систем, таких как сердечные насосы.[12]

Алюмосиликаты обычно используются в зубных протезах, в чистом виде или из керамики и полимера композиты. 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 пластмассы, цвет зубной керамики остается стабильным.[11][13] Диоксид циркония, допированный оксидом иттрия, был предложен в качестве замены оксида алюминия для костно-суставных протезов. Основными преимуществами являются большая прочность на разрыв и хорошая устойчивость к усталости.

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

Фосфат кальцияВ настоящее время керамика на основе керамики является предпочтительным материалом для замены костей в ортопедических и челюстно-лицевых областях, поскольку по структуре и химическому составу они аналогичны 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 обладают меньшей механической прочностью по сравнению с костью, что делает имплантаты с высокой пористостью очень хрупкими. Поскольку модуль упругости Значения керамических материалов обычно выше, чем у окружающей костной ткани, имплантат может вызывать механические напряжения на границе раздела костей.[11] Фосфаты кальция, обычно содержащиеся в биокерамике, включают гидроксиапатит (ГАП) Ca10(PO4)6(ОЙ)2; трикальцийфосфат β (β TCP): Ca3 (PO4)2; и смеси HAP и β TCP.

Таблица 1: Применение биокерамики[12]

УстройстваФункцияБиоматериал
Искусственное бедро, колено, плечо, локоть, запястьеРеконструкция суставов с артритом или переломомГлинозем высокой плотности, металлические покрытия из 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 протезыЗаменить отсутствующие конечностиКомпозит биостекло-металлическое волокно, композит полисульфон-углеродное волокно
Спейсеры и разгибатели позвонковПравильная врожденная деформацияAl2О3
СпондилодезИммобилизируйте позвонки для защиты спинного мозгаБиостекло
Замена альвеолярной кости, реконструкция нижней челюстиВосстановите альвеолярный гребень для улучшения посадки протезаПолитетра фторэтилен (PTFE) - углеродный композит, пористый Al2О3, Биостекло, плотноапатитовое
Имплантаты для эндопротезирования костных зубовЗамените больные, поврежденные или расшатанные зубыAl2О3, Биостекло, плотный гидроксиапатит, стекловидный углерод
Ортодонтические анкерыПредоставьте посты для приложения напряжения, необходимого для изменения деформацииAl с покрытием из биостекла2О3, Виталлий с покрытием из биостекла

Таблица 2: Механические свойства керамических биоматериалов[12]

МатериалМодуль Юнга (ГПа)Предел прочности при сжатии (МПа)Прочность связи (ГПа)ТвердостьПлотность (г / см3)
Инертный Al2О33804000300-4002000-3000 (HV)>3.9
ZrO2 (PS)150-2002000200-5001000-3000 (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

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. Среди этой керамики можно назвать Карбид кремния, нитриды титана и карбиды, и нитрид бора. TiN был предложен в качестве поверхности трения в протезах бедра. Хотя тесты на культуре клеток показывают хорошую биосовместимость, анализ имплантатов показывает значительную носить, связанных с отслаиванием слоя TiN. Карбид кремния - еще одна современная керамика, которая, кажется, обеспечивает хорошую биосовместимость и может использоваться в костных имплантатах.[11]

Специальное использование

Помимо традиционных свойств, биоактивная керамика нашла особое применение благодаря своим свойствам. биологическая активность. Фосфаты кальция, оксиды, и гидроксиды являются общими примерами. Другие природные материалы - как правило, животного происхождения - такие как биостекло и другие композиты, содержат комбинацию минерально-органических композиционных материалов, таких как ГАП, оксид алюминия или диоксид титана, с биосовместимыми полимерами (полиметилметакрилат): ПММА, поли (L-молочная) кислота. : PLLA, поли (этилен). Композиты можно разделить на биорезорбируемые и небиорезорбируемые, причем последний является результатом комбинации биорезорбируемого фосфата кальция (HAP) с небиорассасывающимся полимер (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

Антикоррозионные, биосовместимые и эстетические свойства биокерамики делают ее вполне пригодной для использования в медицине. Цирконий керамика обладает биоинертностью и нецитотоксичностью. Углерод - еще одна альтернатива с аналогичными механическими свойствами костей, а также совместимость с кровью, отсутствие реакции тканей и нетоксичность для клеток. Керамика Bioinert 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, что 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 керамику / керамику, керамику / полимер и композиты керамика / металл. 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 следует рассматривать в различных in vitro и in vivo исследования. Необходимо учитывать потребности в производительности в соответствии с конкретным местом имплантации.[12]

Обработка

Технически керамика состоит из таких сырьевых материалов, как порошки и натуральные или синтетические материалы. химические добавки, способствуя уплотнению (горячему, холодному или изостатическому), схватыванию (гидравлическому или химическому) или ускорению спекание процессы. В зависимости от используемого состава и процесса формования биокерамика может различаться по плотности и пористости. цементы, керамические покрытия или керамические композиты. Для биокерамики, включая биостекло, часто требуется пористость. Чтобы улучшить характеристики трансплантированной пористой биокерамики, доступны многочисленные методы обработки для контроля пористость, 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 зерно, и придания дефектов кристаллической структуре различными физическими средствами.

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

Обычные биоактивные материалы, коммерчески доступные для клинического использования, включают биоактивное стекло 45S5, биоактивную стеклокерамику A / W, плотную синтетическую ГК и биоактивные композиты, такие как полиэтилен–ГК смесь. 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 глиноземных керамических материалов, производя глинозем HIP Vitox® с 1985 года.[14] Некоторые кальций-дефицитные фосфаты со структурой апатита, таким образом, были коммерциализированы как «трикальцийфосфат», хотя они не проявляли ожидаемой кристаллической структуры 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

Биокерамика была предложена в качестве возможного лечения рак. 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 раковые области.[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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ П. Дюшейн, Г. В. Гастингс (редакторы) (1984) CRC металлические и керамические биоматериалы том 1 ISBN 0-8493-6261-X
  2. ^ а б 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) Биокерамика т. 1 ISBN 0-912791-82-9
  4. ^ Хенч, Ларри Л. (1991). «Биокерамика: от идеи до клиники» (PDF). Журнал Американского керамического общества. 74 (7): 1487–1510. CiteSeerX 10.1.1.204.2305. Дои:10.1111 / j.1151-2916.1991.tb07132.x.
  5. ^ Т. Ямамуро, Л. Л. Хенч, Дж. Уилсон (редакторы) (1990) CRC Справочник 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 г., 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. Получено 17 февраля 2016.
  8. ^ Д. Мустер (редактор) (1992) Восстановление и замена твердых тканей биоматериалами ISBN 0-444-88350-9
  9. ^ Kinnari, Teemu J .; Эстебан, Хайме; Гомес-Баррена, Энрике; Замора, Ньевес; Фернандес-Роблас, Рикардо; Ньето, Алехандра; Doadrio, Juan C .; Лопес-Норьега, Адольфо; Руис-Эрнандес, Эдуардо; Аркос, Даниэль; Валлет-Реги, Мария (2008). «Бактериальная приверженность SiO2многофункциональная биокерамика на основе ». Журнал исследований биомедицинских материалов, часть A. 89 (1): 215–23. Дои:10.1002 / jbm.a.31943. PMID 18431760.
  10. ^ Обзор рынка: мировой рынок медицинской керамики. Acmite Market Intelligence. 2011 г.
  11. ^ а б c d е ж Бох, Филипп, Ньепс, Жан-Клод. (2010) Керамические материалы: процессы, свойства и применения. Дои: 10.1002 / 9780470612415.ch12
  12. ^ а б c d е ж Thamaraiselvi, T.V. и S. Rajeswari. «Биологическая оценка биокерамических материалов - обзор». Углерод 24,31 (2004): 172.
  13. ^ а б Hench LL. Биокерамика: от концепции до клиники. J Amer CeramSoc 1991; 74 (7): 1487–510.
  14. ^ а б c Кокубо, Т. Биокерамика и их клиническое применение, Woodhead Publishing Limited, Кембридж, Англия, 2008 г. 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». Материаловедение и инженерия: C. 78: 901–911. Дои:10.1016 / j.msec.2017.04.133. PMID 28576066.
  16. ^ Чай, Чжоу; Леонг, Кам В. (2007). «Подход биоматериалов к расширению и прямой дифференциации стволовых клеток». Молекулярная терапия. 15 (3): 467–80. Дои:10.1038 / sj.mt.6300084. ЧВК 2365728. PMID 17264853.
  17. ^ Чжу, Сяолун; Чен, Джун; Шайделер, Лутц; Altebaeumer, Thomas; Гейс-Герсторфер, Юрген; Керн, Дитер (2004). «Клеточные реакции остеобластов на микронные и субмикронные пористые структуры титановых поверхностей». Клетки Ткани Органы. 178 (1): 13–22. Дои: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. Дои:10.1007 / s10856-005-2608-3. PMID 15965741. S2CID 20642576.