Биоматериалы: определение, виды и применение¶

Биоматериал — это природный или синтетический материал, предназначенный для контакта с биологическими системами с целью оценки, лечения, замещения тканей, органов или их функций. К биоматериалам относят сплавы, полимеры, керамику, стекло, композиты и природные вещества, которые применяются в медицине, стоматологии, биотехнологиях и научных исследованиях. Ключевое требование к биоматериалу — биосовместимость: способность функционировать в организме без вызова токсического, иммунного или иного нежелательного ответа.

¶Классификация

Биоматериалы классифицируют по нескольким основаниям.

По происхождению:

• Природные — коллаген, хитин, целлюлоза, гидроксиапатит, шёлк, кость.
• Синтетические — полимеры (полиэтилен, ПТФЭ, полимолочная кислота), металлы и сплавы (титан, нержавеющая сталь, кобальт-хромовый сплав), керамика (алюминий оксид, цирконий диоксид).
• Биологические (биогенные) — полученные из тканей доноров или выращенные из клеток пациента.

По действию на организм:

• Биоинертные — не вступают в реакцию с тканями (титан, большинство керамик).
• Биоактивные — образуют химическую связь с костной тканью (гидроксиапатит, биостекло).
• Биорезорбируемые (биодеградируемые) — постепенно растворяются в организме, замещаясь естественными тканями (полимолочная кислота, полигликолевая кислота).
• Биодеградируемые нерезорбируемые — распадаются на нетоксичные компоненты, но не удаляются полностью.

По назначению:

• Ортопедические — эндопротезы суставов, костные имплантаты.
• Стоматологические — зубные имплантаты, пломбировочные материалы.
• Сердечно-сосудистые — стенты, искусственные клапаны, сосудистые протезы.
• Кожные — матриксы для заживления ран, временные покрытия ожогов.
• Нейрохирургические — черепно-мозговые имплантаты, электроды.
• Офтальмологические — искусственные хрусталики, контактные линзы.

¶Основные свойства

Биоматериал должен обладать набором физико-механических, химических и биологических свойств, соответствующих условиям конкретной задачи.

Механические свойства включают прочность на растяжение, усталостную прочность, модуль упругости, твёрдость, износостойкость. Для костных имплантатов критична жёсткость, близкая к кости (модуль упругости кортикальной кости составляет 15–30 ГПа), чтобы избежать эффекта «стресс-шилдинга» — перераспределения нагрузки, приводящего к резорбции костной ткани.

Химические свойства определяют коррозионную стойкость (для металлов), стабильность полимеров, отсутствие токсичных мономеров и примесей.

Биологические свойства — биосовместимость, отсутствие иммунного ответа, нетоксичность, стерильность, а для биоактивных материалов — способность к остеоинтеграции (врастанию в кость).

¶Материалы

¶Металлы и сплавы

Титан и его сплавы (Ti-6Al-4V) — наиболее распространённый материал для ортопедических и стоматологических имплантатов благодаря высокой коррозионной стойкости, биосовместимости и модулю упругости, близкому к костной ткани. Нержавеющая сталь (316L) применяется для временных конструкций — пластин, винтов, спиц. Кобальт-хромовые сплавы используют для головок бедренных эндопротезов из-за высокой износостойкости. Амальгамы (сплавы ртути с металлами) исторически применялись в стоматологии для пломб, но постепенно вытесняются композитами.

¶Полимеры

Полиэтилен высокой молекулярной массы (UHMWPE) служит материалом вкладышей суставных эндопротезов. Политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон) применяется для сосудистых протезов. Полимолочная кислота (PLA) и полигликолевая кислота (PGA) — основа биорезорбируемых конструкций: швов, фиксаторов, систем доставки лекарств. Силикон используется в мягких имплантатах, контактных линзах, катетерах.

¶Керамиика и стекло

Алюминий оксид и цирконий диоксид применяются для бедренных головок эндопротезов и зубных коронок благодаря высокой твёрдости и низкому коэффициенту трения. Биоактивное стекло (материал, разработанный в 1969 году Ларри Хенчем) образует гидроксиапатитовый слой на поверхности и срастается с костной тканью.

¶Природные материалы

Коллаген и хитин используют в губках, мембранах, матриксы для регенерации тканей. Гидроксиапатит — минеральный компонент кости — применяется в виде покрытий и гранул для костной пластики.

¶Производство и обработка

Технологии изготовления биоматериалов включают литьё, ковку, 3D-печать (аддитивные технологии), электрохимическую обработку, нанесение покрытий (плазменное напыление, ионная имплантация). Аддитивные методы позволяют создавать индивидуализированные имплантаты с пористой структурой, облегчающей врастание кости. Для стерилизации применяют автоклавирование, гамма-облучение, этиленоксидную обработку.

¶Применение

Основные области применения биоматериалов:

• Травматология и ортопедия — эндопротезы тазобедренного, коленного, плечевого суставов; костные цементы; внутрикостные фиксаторы.
• Стоматология — зубные имплантаты, ортопедические конструкции, ортодонтические скобы.
• Кардиология и сосудистая хирургия — коронарные стенты (в том числе с лекарственным покрытием), кардиовертеры-дефибрилляторы, искусственные сердечные клапаны, сосудистые протезы.
• Хирургия — шовные материалы, гемостатические средства, дренажи.
• Доставка лекарств — наночастицы, полимерные матрицы, гидрогели для контролируемого высвобождения препаратов.
• Регенеративная медицина — каркасы (скелетоны) для выращивания тканей из стволовых клеток.

¶Развитие отрасли в России

В России разработкой и производством биоматериалов занимаются научные центры и предприятия: НИИ им. Р. Р. Вредена (травматология и ортопедия), НИИ кардиологии, Институт химии высоких чистых веществ РАН, а также частные компании, выпускающие зубные имплантаты, ортопедические эндопротезы и шовные материалы. Государственная программа развития фармацевтики и медицинской промышленности предусматривает импортозамещение в области имплантатов и протезов.

¶Направления развития

Современные исследования биоматериалов сосредоточены на создании «умных» материалов с контролируемым высвобождением лекарств, биорезорбируемых конструкций, полностью замещаемых тканями организма, наноструктурированных поверхностей, стимулирующих клеточную адгезию, а также 3D-биопечати тканей и органов. Особое внимание уделяется персонализированным имплантатам, изготавливаемым по данным компьютерной томографии пациента.

¶Источники

• Биоматериалы: справочник / под ред. Б. Д. Ратнера и др. — М.: Мир, 2007.
• Хенч Л. Л., Томпсон И. Биоактивные материалы // Биоматериалы. — 2010.
• Руководство по клинической имплантологии / под ред. А. А. Кулакова. — М.: ГЭОТАР-Медиа.
• Патентная и научная литература по аддитивным технологиям в производстве имплантатов.