Биостекло и стеклокерамика

ВВЕДЕНИЕ

Основная черта нового тысячелетия – гуманизация различных сфер нашего бытия. Гуманистическое мировоззрение диктует возрастающий интерес к увеличению качества и продолжительности человеческой жизни. Достижение подобной цели предполагает, в частности, создание материалов для искусственных органов и тканей. За последние 30 лет прошлого века использовано более 40 различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для лечения, восстановления и замены более 40 различных частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокна, костную ткань. Разработка заменителей костной ткани знаменует, по словам одного из патриархов направления – профессора Лондонского университета Ларри Хенча, революционный этап в развитии человечества: “Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни в области использования керамики в медицинских целях. Это инновационное применение специально спроектированных керамических материалов для замены и лечения больных или поврежденных частей тела”.Исследования, разработка и производство биокерамических материалов составляют существенный сегмент современного рынка наукоемких технологий. Можно дать следующую осторожную оценку параметров рынка биокерамики: емкость ∼ 2,3 млрд долларов, прогнозируемый годовой прирост составляет 7–12%, объемы требуемых материалов оцениваются на уровне десятков тонн. Число больных, нуждающихся в операциях по восстановлению целостности кости, довольно велико: для США эта цифра составляет 1 млн. человек и более ежегодно.

 

 

 

Глава 1. БИОСТЕКЛО

К современным материалам последнего поколения следует отнести биоактивные стеклокристаллические материалы, состоящие из стекловидной матрицы и микрокристаллов размером около 4 мкм.

Как известно, обычное стекло представляет собой достаточно быстро охлажденный расплав, содержащий оксиды Na2O, CaO, SiO2, а также другие оксидные добавки. Биоактивные стекла, история использования которых насчитывает уже более 30 лет, содержат в своем составе оксиды Na2O, CaO, SiO2, P2O5. При создании большинства биостекол используется состав 45S5: 24,5% Na2O, 24,5% CaO, 45% SiO2, 6% P2O5. Изменяя состав, можно в широких пределах менять биоактивность таких материалов. Медленное охлаждение расплава указанных оксидов по специальным температурным режимам позволяет частично закристаллизовать стекло (при этом чаще всего образуется метасиликат кальция – волластонит CaSiO3) и получить смешанные, стеклокристаллические материалы – биоситаллы, которые имеют более высокие по сравнению со стеклами механические характеристики.

Биостекла и материалы на их основе не воспринимаются организмом как что-то чужое, напротив, серия биохимических реакций (рис. 1) на границе биостекло – кость приводит к интенсивному образованию костной ткани в области контакта и в конечном счете к врастанию имплантата в костную ткань. Следует отметить, что переходный слой между биостеклом и костью может иметь толщину до 1 мм (ср. со слоем волокнистой соединительной ткани, имеющим толщину порядка 1 мкм, в случае имплантирования биоинертной керамики) и быть настолько прочным, что перелом произойдет в любом другом месте, но не в зоне срастания.

Считается, что ключевым элементом, который обеспечивает высокую биоактивность указанных материалов, является кремний. Гидролиз биостекла в межтканевой жидкости приводит к образованию тонкого желеобразного слоя (геля) кремниевой кислоты – SiO2⋅xH2O на поверхности имплантата. Отрицательно заряженные гидроксильные группы поверхности слоя кремневой кислоты притягивают из окружающего раствора межтканевой жидкости ионы Ca2+, заряд поверхности становится положительным, затем на поверхность осаждаются фосфат-ионы – происходит рост слоя гидроксиапатита.

Механические характеристики биостекол не столь обнадеживающие, как их биосовместимость и активность. В силу этого биостекла находят применение в качестве малых или слабонагружаемых имплантатов в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

Рис. 1. “События” на границе биостекла и костной ткани:                      1– формирование Si–OH-групп на поверхности стекла в результате ионного обмена, 2 – образование аморфного фосфата кальция на поверхности гидратированного стекла и его кристаллизация в ГАП, 3 – адсорбция биологически активных веществ апатитовым слоем, 4 – “включение” иммунной системы; направленный выброс и адсорбция специфических костных белков, 5 – прикрепление недифференцированных клеток и их превращение в костные клетки, 6 – рост костного матрикса и его минерализация, 7 – перестройка костной ткани и “зарастание” промежутка между стеклом и костью. Условно говоря, граница между “неживым” и “живым” проходит по стадиям 4 –5

 

Биостекло не является новым материалом для медицинского применения. До недавних пор его получали из соединений кремния и использовали для восстановления повреждённой костной ткани. Исследователи из Университета науки и технологии в Миссури (Missouri University of Science and Technology) Стив Юнг (Steve Jung) и Делберт Дэй (Delbert Day) создали биостекло, которое можно эффективно применять для заживления повреждений мягких тканей.

В своих опытах Юнг и Дэй испытывали действие биоактивного стекла различного состава на биологические жидкости (в частности, кровь). Их заинтересовал один из образцов стекла, названный 13–93B3, содержащий кальций. В его состав в массовом эквиваленте входили следующие компоненты: 53% – B2O3, 20% – CaO, 12% – K2O, 6% – Na2O, 5%– MgO,      4% – P2O5.

Почему в состав биостекла учёные добавили кальций? Юнг и Дэй думали о том, какую пользу может принести этот новый материал, если его использовать для лечения ран. Учёные рассуждали так: известно, что кальций является важным фактором в регенерации кожи и необходим для формирования эпидермиса. Кроме того, кальций делает сам процесс заживления более эффективным.

Не секрет, что организм «чинит» раны поэтапно. На начальном этапе, когда рана кровоточит, в ней образуются волокна особого белка – фибрина, в котором «застревают» тромбоциты (форменные элементы крови), закупоривая рану и образуя тромб. На следующем этапе тромб выделяет вещества-регуляторы, которые «привлекают» к ране клетки иммунной системы – лимфоциты-макрофаги. Организм «мобилизует» последние для борьбы с возможной инфекцией. И на заключительном этапе макрофаги выделяют в кровь специальные вещества, сигнализирующие о том, что пора заживлять рану, образуя новый эпидермис (кожу).

У Юнга и Дэя возникла мысль, что можно попытаться создать биостекло, имитирующее микроструктуру фибринового сгустка. Из образца стекла 13–93B3 учёные изготовили нановолокна размером от 300 нм до 5 мкм, на ощупь и внешне похожие на хлопковую вату и вместе с тем обладающие высокой пластичностью. Назвали такой материал DermaFuse.

Кроме того, оказалось, что если в пробирку с бактериями, такими как кишечная палочка, сальмонеллы и стафилококки, поместить DermaFuse, то бактерии погибают. Одной из причин данного явления может быть то, что борат лития, входящий в состав этого материала, локально, в месте контакта с бактериями, создаёт щелочную среду, в которой они просто не выживают.

Первые испытания провели на лабораторных животных. Позже учёные получили разрешение на проведение клинических испытаний на пациентах с неминуемой угрозой ампутации конечностей из-за инфицирования ран.

Следует сказать, что трофические, долго не заживающие раны – очень серьёзная проблема для больных диабетом. Самый обычный ушиб грозит диабетику гематомой и дальнейшим развитием трофической язвы из-за нарушения кровоснабжения повреждённых участков. Затем в рану проникают бактерии и усугубляют процесс. Обычный ушиб может привести к ампутации конечности в лучшем случае, а в худшем – микробы проникнут в кровь и возникнет системная инфекция, приводящая к смертельному исходу.

Двенадцать пациентов, больных диабетом и имеющих показания к ампутации, участвовали в эксперименте, который проводил Phelps County Regional Medical Center (PCRMC) в Миссури. У всех отмечались значительные улучшения и заживления ран практически без образования рубцов.

Компания Mo-Sci, которую основал Делберт Дэй, уже начала производство нового материала DermaFuse.

1. Виды биостекол

Для использования в качестве заменителя кости выпускают несколько

видов биостекол (табл. 1).

 

 

 

Таблица 1. Биоактивные стеклокристаллические материалы

 

Название, производитель	Состав	Назначение, свойства	Сроки резорбции
Biogran (Biomet, США)	Биостекло; CaO, Na2O, SiO2, P2O5	Выраженные гемостатические и остеокондуктивные свойства	6 мес.; определенные частицы – 1–2 года
БиоситСр-Элкор (ЭЛКОР, Россия)	Биоситалл М-31, состоящий из стекловидной матрицы и микрокристаллов, содержит аналог биоминерала кости карбоксигидроксиапатитата	Остеопротектор и остеокондуктор; заполнение костных полостей во время операций от 2/3 до полного костного дефекта, заполнение костных карманов при пародонтите, устранение костных дефектов после удаления дентальных имплантатов, при периимплантитах и альвеолитах	8–12 мес.
Nova Bone (USBiomaterials, США)	Биоактивное стекло	Выраженные гемостатические и остеокондуктивные свойства	1–3 года
Perio Glas (Block Drug Company, США)	CaO, Na2O, SiO2, P2O5	Выраженные гемостатические и остеокондуктивные свойства, является барьером для роста эпителия	Частично резорбируемый

 

2. Биостекло Biogran

Биоактивное стекло. Резорбируемый синтетический материал. Biogran является остеокондуктивным материалом и представляет собой смесь биоактивных стеклянных частиц Si, Ca, Na и Р. Размер биоактивных гранул находится в пределах 300-355 мкм. Установлено, что частицы диаметром менее 300 мкм быстро разрушаются и способны вызвать воспалительные реакции. Частицы более 355 мкм не всегда полностью резорбируются. В медицинской практике биостекло используется с 1984 г. и хорошо зарекомендовало себя в ортопедической, пластической хирургии, отоларингологии.

 

Эффективная стимуляция роста кости.

Полное замещение новой костью в течение 9-12 месяцев (при добавлении аутокости время регенерации сокращается до 5-6 месяцев).

Стимулирует кость.

Тканевые жидкости взаимодействуют с биоактивной поверхностью стеклянных частиц Biogran и вызывают их медленную эрозию. В результате этого появляются полости, которые служат защитными нишами для мезенхимных клеток, в которых происходит их дифференцирование в остеобласты. Уже через 3 месяца обнаруживается выраженный остеоиндуктивный рост костной ткани как с краев, так и в центре. Таким образом, костная ткань прорастает от гранулы к грануле, быстро заполняя дефект костной тканью. Гранулы Biogran полностью рассасываются в организме и распадаются в результате цикла Кребса.

Замещается костью.

Гранулы Biogran полностью рассасываются в организме и распадаются в результате цикла Кребса. Нет необходимости в повторном хирургическом вмешательстве для удаления материала.

Стабилизирует кровяной сгусток.

Biogran, смешанный с кровью либо со стерильным соляным раствором, представляет собой пастообразную однородную массу, обладающую гемостатическими свойствами и препятствующую появлению эффекта сухой лунки.

Удобство и легкость в использовании.

Biogran является гидрофильным материалом. При смешивании с кровью или стерильным солянымраствором он прочно удерживается на инструменте, что позволяет легко вносить материал в полость. Ахорошая адгезия к рецепиентному полю позволяет материалу не мигрировать из зоны дефекта иоставаться на месте даже при работе отсоса.

Biogran идеально подходит для заполнения лунок после экстракции.

Материал быстро и удобно вносится в область дефекта. После процедуры экстракции альвеолярный отросток подвержен ремодулировке и резорбции, что выражается в потере объема костной ткани и образованию узкого гребня. Поскольку лечение с помощью дентальных имплантатов набирает все большую популярность при замене зуба, то сохранение костного гребя становится даже более важной задачей нежели сама процедура удаления зуба. Biogran быстро замешивается и удобен в применении, сводя к минимуму потерю времени и процедуры экстракции. Даже если не планируется установка имплантатов и ортопедической конструкции с опорой на них, сохранение костного гребня остается важным моментом для пациента, поскольку это способствует:

• сохранению контуров мягких и твердых тканей
• предупреждению рецессии в области корней соседних зубов
• избежать дорогостоящих последующих операций по наращиванию кости
• снижению риска появления сухой лунки, стабилизируя кровяной сгусток