Биоматериалы, биосовместимость, биодеградация, терминология, определения и классификация

Для того чтобы рассмотреть вопросы, связанные с развитием тех или иных реакций на имплантаты, используемые в травматологии и ортопедии, необходимо остановиться на основных терминах и определениях, используемых в медицинском материаловедении. Согласно рекомендациям оргкомитетов V и VI всемирных конгрессов по биоматериалам, прошедшим в 1998 и 2000 годах, а также международной организации по стандартизации ISO(ISO/TR 9966), ГОСТом Р 51148-98 под биоматериалами подразумевают нежизнеспособный материал, предназначенный для контакта с живой тканью для выполнения функций медицинского назначения. Биоматериал должен быть биосовместимым и может быть биодеградируемым.

Биосовместимость (БС) - это обеспечение желаемой реакции живых тканей на нежизнеспособные биоматериалы. Биосовместимым является материал, который обладает способностью вырабатывать соответствующий отклик хозяина при специфическом его использовании. Это определение сформулировано на совещании рабочей группы, прошедшем в Амстердаме (Williams, 1987). Авторы делают акцент на том, что биосовместимость - это не полное отсутствие токсичности или иных отрицательных свойств, а требование того, чтобы материал при имплантации вел себя адекватным образом, позволяющим выполнить поставленную задачу. В.И. Севастьянов (1999), анализируя имеющуюся информацию, выделяет следующие основные свойства биосовместимых материалов:

• Биоматериалы не должны вызывать местной воспалительной реакции;
• Биоматериалы не должны оказывать токсического и аллергического действия на организм;
• Биоматериалы не должны обладать канцерогенным действием;
• Биоматериалы не должны провоцировать развитие инфекции;
• Биоматериалы должны сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации.

Биосовместимые материалы и устройства действуют или функционируют гармонично и согласованно при нахождении в организме или контакте с биологическими жидкостями, не вызывая заболевания или болезненных реакций. Следует подчеркнуть, что никакой биоматериал, вероятно, за исключением того, который будет получен с помощью генной инженерии и клонирования, не может быть абсолютно биосовместимым. В частности, эндопротезы тазобедренного, коленного, голеностопного и других суставов со временем теряют свои биомеханические характеристики. При этом в процессе трения и многократных циклических нагрузок на компоненты протеза (полиэтилен, металлические части, цемент) образуются многочисленные микрочастицы, которые легко перемещаются по организму, блокируют функцию фагоцитирующих клеток и определяются в печени, почках и легких. Все это может привести к различного рода осложнениям, вплоть до развития злокачественных новообразований.

Следовательно, реально существующая практика позволяет говорить лишь о существовании относительно биосовместимых и безопасных биоматериалов. Они могут находиться в организме в течение длительного периода времени, достаточного для выполнения своей функции, не вызывая в нем развития негативных реакций. Уровень относительной биосовместимости для разных биоматериалов может быть различным. Это интегральный показатель, и его трудно определить количественно. В каждом конкретном случае требуется использовать свой подход и относиться с осторожностью к полученным результатам (ISO/TR 9966: 1989 (Е)).

Процесс разложения нежизнеспособных материалов при контакте с живыми тканями, клетками и биологическими (телесными) жидкостями получил название биодеградация (БД). Механизм биодеградации  может быть самый разнообразный - от коррозии металлов, фагоцитоза кальциофосфатов и коллагена, до Химического замещения кораллов на гидроксиапатит.

Биодеградируемые материалы и устройства могут частично или полностью растворяться, поглощаться макрофагами, включаться в метаболические и биохимические процессы и/или заменяться живой тканью.

Противоположным биодеградации свойством является биоустойчивость, которая характеризует способность материала противостоять в расчетном интервале времени комплексному воздействию окружающей среды и тканей, сохраняя при этом свои исходные физико-химические, механические и биологические, а также функциональные свойства.

Для характеристики биоматериалов, имплантируемых в костную ткань, Osborn и Newesely (1980) предложили термины: биотолерантные, биоинертные и биоактивные. На 2-й конференции по биоматериалам (Честер, 1992) после всестороннего обсуждения был выбран ряд новых определений и разъяснений по уже существующей терминологии, используемой для характеристики биоматериалов, используемых в травматологии и ортопедии.

Биотолерантные материалы включаются в кость через механизмы дистантного остеогенеза. При этом они отделяются от костной ткани прорастающим массивным фиброзным слоем. В качестве примера таких веществ могут быть метакрилаты или виталиум, ПМА, витамины (Osborn, Hewesely, 1980; Bruijn, 1993).

Биоинертные материалы практически не взаимодействуют с окружающими тканями, не вызывают образования выраженного фиброзного слоя и стимуляцию остеогенеза. При этом кость может формироваться в непосредственной близости от поверхности имплантата. Примером таких соединений может быть металлокерамика из оксида титана, ванадия, циркония и алюминия. Биоинертные материалы, как правило, имеют на своей поверхности защитный слой, который препятствует выходу из имплантата ионов и проникновению в него агрессивных молекул из окружающей биологической жидкости (Hench, Wilson, 1993; Nevelos, 2000; Murakami et al., 2000; Mu et al., 2000; Villermaux, 2000).

Толщина соединительнотканной капсулы при введении биоинертных материалов не должна превышать 50 мкм. При этом выраженные биологические реакции со стороны костной (остеогенез), мягкой, лимфоидной тканей практически не проявляются (Thull, 1992).

С теоретических позиций, биоинертные материалы не должны претерпевать изменений в своем составе и физико-химических свойствах за все время нахождения в организме или биоактивных средах. Они представлены преимущественно диэлектриками, что препятствует проявлению электрохимических и гальванических явлений вокруг имплантата.

Интеграция таких биоматериалов с костью минимальна и может осуществляться за счет проникновения соединительной ткани в микропоры изделий, размеры которых определяют, в конечном счете, величину механической фиксации. В реальной практике этот процесс протекает несколько иначе, поскольку часть металла в виде ионов и микрочастиц, за счет разрушения защитной пленки при нагрузках и деформации, все же поступает в организм, что может приводить к развитию неблагоприятных реакций (Thull, 1996; Mu, 2000).

Как и при рассмотрении биосовместимости биоактивных материалов, следует еще раз подчеркнуть, что никакой материал, имплантируемый в живую ткань, не является инертным. На границе раздела ткань-имплантат наблюдается отклик, который зависит от многих факторов.

Под биоактивными материалами (БАМ) подразумевают биоматериалы, предназначенные для связывания их с биологическими системами с целью повышения эффективности лечения, образования или замещения любой ткани, органа при выполнения тех или иных функции организма (Williams et al., 1992). В настоящее время среди семейства БАМ выделяют 5 основных категорий:

1. Кальциофосфатная керамика.
2. Стекло и стеклокерамика.
3. Биоактивные полимеры.
4. Биоактивные гели.
5. Композиты.

Общим характерным свойством для всех биоактивных имплантатов, применяемых в травматологии и ортопедии, является образование карбонатного гидроксиапатитового (КГА) слоя на их поверхности при имплантации. КГА эквивалентен по составу и структуре минеральной фазе кости. КГА слой растет в виде поликристаллических агломератов, в состав которых включаются коллагеновые фибриллы. За счет этого происходит связывание неорганической поверхности имплантата с органическими компонентами тканей. Таким образом, граница раздела между биоактивным имплантатом и костью почти идентична естественно возникающим границам раздела между костями и сухожилиями и связками. Биомеханические свойства такого биоматериала наиболее полно соответствует естественным градиентам напряжений, чем у других БМ (Groot, 1981, 1993; Jarcho, 1981, 1993; Hennch et al., 1984; Kokaburo, 1992; Neo et al., 1992; Okumura, 1992).

Факторы, влияющие на биологический отклик на границе раздела между ортопедическим имплантатом и окружающей его тканью

По механизму образования апатитного слоя биоактивные материалы можно подразделить на три группы (Williams et al., 1992; Bruijn, 1993):

1. формирующие апатиты при собственной биодеградации (гидроксиапатит, β-трикальций фосфат и т.п.);
2. формирующие апатитовый слой при насыщении окружающей среды кальций-фосфатами и ионами силикона, выходящими из материала (гели и полимеры);
3. формирующие апатитовый слой путем абсорбции ионов кальция и фосфата из окружающих биологических жидкостей и тканей (стекло и стеклокерамика).

В более широком смысле биоактивность может рассматриваться как свойство, характеризующее степень воздействия биоматериала на течение патофизиологических и морфологических процессов в зоне контакта с биологическим объектом (Ермакова и др., 1990). В какой то мере эта позиция перекликается с мнением других авторов (Hench, Wilson, 1986), которые подразумевают под биоактивными материалами подкласс поверхностно-активных материалов, которые при имплантации образуют связь с окружающей тканью, имеющей границу раздела имплантат-кость.

С нашей точки зрения, биоактивность материала в травматологии и ортопедии является интегральным показателем и должна оцениваться, в первую очередь, с позиции его способности к процессам интеграции с костной тканью, с включением механизмов остеокондукции и остеоиндукции. С этих позиций, самыми оптимальными биоактивными материалами являются материалы, являющиеся естественными метаболитами костной ткани, например коллаген, эластин, гидроксиапатит, трикальциофосфат и т.п. Кондукция отражает способность биоактивных материалов к адгезии, распространению по поверхности и поддержанию пролиферации клеток-мишеней. Если речь идет о костной ткани, то биоактивные материалы должны хорошо связывать остеогенные клетки, способствовать их экспансии за счет миграции, хемокинеза по своей поверхности и поддерживать процессы пролиферации и дифференцировки. Остеоиндуктивные биоматериалы самостоятельно стимулируют образование и рост костной ткани на поверхности имплантата.

В травматологии и ортопедии некоторые авторы выделяют еще одну группу, получившую название костеосвязывающие имплантаты (КСИ). Они могут рассматриваться как подгруппа биоактивных и биотолерантных материалов, обладающих способностью к установлению связи между биоматериалом и костным матриксом (Williams, 1992; Hench, Wilson, 1993). При этом костная ткань может проникать в имплантат механическим путем (механическое связывание), за счет, например, врастания в поры материала. Такой процесс наблюдается при использовании пористых материалов, в частности кораллов, металлов, полученных с помощью порошковой металлургии, кальциофосфатов, полимеров и др. Другой механизм лежит через образование химических связей между имплантатом и костью - химическое связывание, наблюдаемое, например, при использовании некоторых полимеров и биостекол. Третий путь взаимодействия имплантата и костной ткани реализуется за счет включения биоматериала в структуру костной ткани через механизмы биодеградации, ремоделирования и остеоинтеграции (биологическое связывание). С точки зрения биомеханики, наиболее прочную и функциональную связь дают только имплантаты третьего типа, к которым относятся кальциофосфатные (КФ) биоматериалы (Groot, 1981; LeGeros, 1991).

Все осложнения, возникающие при имплантировании биоматериалов, используемых в травматологии и ортопедии, можно подразделить на два больших класса. Один включает в себя осложнения, возникающие в результате повреждения имплантируемого материала. В качестве примера можно привести такие процессы как коррозию, растворение, биодеградацию, усталость, деформация, трение, разрушение материала и т.д.

Другой класс осложнений развивается вследствие сложных биологических процессов, протекающих вокруг материала, включающих общие и локальные реакции организма на появление любого инородного тела. Рассмотрим сначала более подробно биологические реакции, возникающие в организме при введении имплантатов.


А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики