Медицина / 7.
К.т.н.
Родионов И.В.
Саратовский государственный технический
университет
Физико-химические и механические характеристики
биосовместимых покрытий костных имплантатов
Костные имплантаты широко используются в медицине как технические средства временной или постоянной хирургической коррекции функций костей конечностей, позвоночника, черепа, челюстно-лицевого скелета [1-3]. Материалы таких имплантатов должны обладать биологической совместимостью с функционированием костной ткани, а также механической совместимостью с действующими нагрузками. Данной биомеханической совместимостью обладает ограниченное число имплантационных материалов, включающих нержавеющую сталь, кобальтохромовые сплавы, а также титан, цирконий, тантал и их сплавы [4].
Функционирование таких имплантатов дает наилучшие лечебно-реабилитационные результаты в условиях проявления их биоактивности, характеризуемой протеканием процессов интеграции поверхности имплантата с окружающей костной тканью. При этом между поверхностью и тканью происходит биоэлектрохимическое взаимодействие, за счет чего при наличии поверхностного рельефа и микронесплошностей в них прорастают клетки биоструктур с образованием высокоэффективной биотехнической системы «имплантат – костная ткань».
Качествами биоактивности
обладают биокерамические материалы такие, как гидроксиапатит,
биостекло, биоуглерод,
оксиды биосовместимых металлов, однако, у них отсутствует необходимая
механическая совместимость. Поэтому данные материалы используются только для
нанесения имплантационных биопокрытий различными
методами.
Функционирование костных имплантатов происходит при
воздействии крови, лимфы, тканевой жидкости, представляющих нейтральные
электролиты и оказывающих коррозионное воздействие на покрытие имплантатов.
Возможное протекание коррозии сопровождается анодными процессами ионизации
атомов металла и переходом ионов в окружающую костную ткань. Из-за этого
изменяются свойства покрытия, в костной ткани возникает металлоз,
нарушающий нормальные клеточные процессы, что приводит к воспалительным явлениям,
расшатыванию и отторжению имплантата.
По указанным причинам коррозионная стойкость биопокрытия, характеризуемая электродным потенциалом,
рассматривается как важнейший показатель биоактивности,
связанный с фазовым составом покрытия и его физико-механическими
характеристиками. На этом основании в данной работе рассматривается комплекс
основных характеристик биосовместимых покрытий, определяющих уровень
приживления и функционирования костных металлоимплантатов
в организме. В частности, приводятся особенности фазового состава, толщины,
шероховатости, морфологической гетерогенности,
коррозионного поведения, микротвердости и адгезионной прочности
биопокрытий.
Фазовый состав. Фазовое состояние биопокрытий костных имплантатов обусловливает характер их
физико-химических и механических свойств. Гомофазный
состав обеспечивает однородность структуры и свойств покрытия во всем его
объеме, гетерофазный – создает неоднородность
структурных составляющих покрытия, а также неодинаковость свойств его
материала, проявляющуюся в различных значениях тех или иных параметров
отдельных фаз, входящих в состав покрытия. Более того, фазовый состав,
характеризуемый образованными химическими соединениями, оказывает существенное
влияние на коррозионную стойкость покрытий и является более благоприятным при
наличии биоинертных соединений металлов с кислородом.
Толщина. Важной
характеристикой биопокрытий костных имплантатов
является толщина, определяющая, при необходимой открытой пористости 30-60%, глубину прорастания клеток биотканей
в поры поверхности, чем достигается физико-механическое взаимодействие
имплантата и костных структур с формированием прочной системы «покрытие –
кость». Как правило, на имплантационных металлах создают покрытия толщиной до
150 мкм, обеспечивающие надежную биоинтеграцию
имплантата и обладающие высокими прочностными характеристиками. Повышенные
значения толщины обусловливают возникновение в покрытии значительных внутренних
напряжений, приводящих к существенному снижению его механической прочности и адгезионных свойств.
Шероховатость. Неровности рельефа поверхности
покрытий костных имплантатов определяют характер их физико-механического
взаимодействия с окружающей биотканью и создают
необходимые условия для прорастания клеток биоструктур
в микровпадины различной формы и глубины с
образованием прочной взаимосвязи имплантата с тканью. Поэтому, формированию
высокой степени шероховатости поверхности имплантатов уделяется большое внимание.
Кроме того, исходная шероховатость имплантатов значительно повышает адгезию и
поверхностную пористость наносимого биопокрытия из-за
прочного механического сцепления его частиц с основой и относительного
повторения микрорельефа металла слоями покрытия.
Морфология. Между покрытием имплантата и биосредой происходит биоэлектрохимическое
взаимодействие с образованием и адгезией на поверхности
белковых структур, их разрастанием и проникновением в углубления, а также поры
рельефа поверхности в условиях определенной деструкции ее материала. В
результате такого взаимодействия костного имплантата создается прочная
биотехническая система «имплантат – окружающая ткань» с высокой эффективностью
функционирования. При этом на формирование качеств биоактивности
большое влияние оказывает морфологическая гетерогенность
поверхности имплантата, определяемая комплексом показателей ее шероховатости, а
также параметров выступов и углублений, включая поры. Вследствие этого
исследование микрогеометрии поверхности биопокрытий является важнейшим этапом в разработке и
создании современных костных имплантатов с высоким уровнем биосовместимости.
Коррозионная стойкость. Наилучшее функционирование металлических имплантатов с покрытиями обеспечивается в условиях их интеграции с биосредой за счет биоэлектрохимического взаимодействия, когда при наличии поверхностных микронесплошностей материала покрытия в них прорастают клетки биоструктур. Данные процессы характеризуют биоактивность, проявляемую биокерамическими материалами, к числу которых относятся оксиды биоинертных металлов.
Многие технологии позволяют сформировать биопокрытие на металлоимплантатах с необходимым комплексом структурных качеств биоактивности и требуемыми биотехническими параметрами. Функционирование таких имплантатов протекает в условиях действия на их поверхность тканевой жидкости, крови, лимфы и других жидких компонентов, присутствующих в структурах организма. Данные жидкости имеют водную основу и обладают свойствами электролитов, оказывая на покрытие имплантатов коррозионное воздействие. Анодные процессы при этом характеризуются ионизацией атомов применяемых биоматериалов и их металлических примесей, диффузией ионов в окружающую биосреду с образованием ее металлоза. Из-за этого меняются состав и свойства поверхности имплантата, а также происходит нарушение нормальных клеточных процессов в биоструктурах, возникает опасность воспалительных явлений и отторжения имплантата, что в значительной степени связано с фазово-структурным состоянием и коррозионным поведением материала покрытия. Поэтому при разработке металлических имплантационных систем исследованию коррозионных свойств биопокрытий уделяется большое внимание.
Микротвердость. Костные имплантаты с покрытием испытывают не только биологическое, но и механическое воздействие окружающей биосреды в течение продолжительного времени. Поэтому для образование прочной функциональной биотехнической системы «имплантат – кость» покрытию придают необходимое сочетание адгезии, когезии, пористости, морфологической гетерогенности поверхностного строения. Определение данных параметров требует применения специальных сложных методов исследования, и в то же время их значения находятся во взаимосвязи с микротвердостью покрытия. Вследствие этого можно проводить контроль качества получаемого комплекса основных параметров биоактивности покрытия путем использования относительно простого метода определения микротвердости.
Адгезия. Адгезионная прочность биопокрытий
костных имплантатов является важной эксплуатационной характеристикой, так как
имплантат с покрытием испытывает воздействие не только жидких сред организма,
но и значительных механических нагрузок. Величина адгезии
должна исключить опасность отслаивания покрытия при функционировании имплантата,
поэтому она учитывается по отношению к величине наибольшей прочности костной
ткани и требованию полуторакратного запаса прочности.
Для костных имплантатов адгезия покрытия должна составлять примерно 28-30 МПа, что позволяет обеспечить высокую физико-механическую
взаимосвязь в системе «имплантат – покрытие» и создать условия для
продолжительного функционирования имплантата в окружающих биотканях.
Рассмотренный комплекс наиболее важных
физико-химических и механических характеристик биосовместимых покрытий является
определяющим при разработке и создании современных костных имплантационных
систем с высоким уровнем приживления в организме.
1. Вильямс Д.Ф., Роуф Р.
Имплантаты в хирургии. Пер. с англ. М.: Медицина,
1978. 552 с.
2. Протасова Н.В., Лясникова А.В. Внутрикостные стоматологические имплантаты. 3-е изд. перераб. Саратов: Изд-во Сарат. техн. ун-та, 2001, 115 с.
3. Параскевич В.Л. Дентальная имплантология. Основы теории и
практики. – Минск: Юнипресс, 2002. 368 с.
4. Бутовский К.Г., Протасова Н.В. Материалы, используемые в производстве
дентальных имплантатов // Современные проблемы имплантологии: Сборник научных
статей по материалам 6-й Международной конференции. Саратов, 2002. С. 21-29.