Биостекла и стеклокерамика

К передовым материалам последнего поколения необходимо отнести биоактивные стеклокристаллические материалы, которые состоят из стеклообразной матрицы и микрокристаллов величиной около 4 мкм, исследование которых велась биоматериаловедами.

Итогом российской научно-технической программы «Биоситалл» возникли разработка и производственный выпуск российских биоситаллов. К примеру, микрогранулированный пористый стоматологический рентгеноконтрастный материал «Биосит-СР» на базе биоситалла М-31, который изобретен в Санкт-Петербургском государственном технологическом университете, выделяется тем, что в качестве кристаллической фазы, которая составляет до 3 % объема, включает аналог биоминерала кости даллит (карбоксигидроксиапатитата).

Данный материал построен в системе оксидов кремния, фосфора, алюминия, кальция, магния, цинка. Препарат «Биосит-СР» используют для наполнения костных полостей во время операций от 2/3 до полного костного дефекта, для наполнения костных карманов при пародонтите, для ликвидации костных дефектов после удаления дентальных имплантатов, а также при периимплантитах и альвеолитах.

Биостекла и стеклокерамика (биоситаллы) при имплантации в костный дефект не капсулируются, а пребывают в непосредственном контакте с костной тканью. Главным обстоятельством для связывания стеклокерамики с костной тканью считается формирование апатитового слоя на их плоскости в биологической среде. Апатитовый слой создается в результате химической реакции стекол и стеклокерамики с окружа ющей биологической жидкостью, в которой выделяются ионы кальция и возникнет гидратированный слой SiO2.

Применение синтетических материалов может привести к осложнениям, при которых появляется потребность удаления не только материала, но и части кости, а также находящихся вокруг тканей. Это связано со способом получения материала (высокие температуры, спекание высокое давление).

Все данные причины, повышая прочностные свойства материала, нарушают одно из главных условий – способность к биодеградации в организме человека с дальнейшим замещением органотипической костной тканью.

Композиционные костно-пластические материалы

Композиционные костно-пластические материалы или композиты – это состав (композиция) нескольких искусственных и/или биологических материалов для придания им синергичных свойств. Используются типы композиционных материалов в виде гранул, лент, блоков, состоящих, к примеру, из смеси гидроксиапатита (от 30 до 50 %) и связывающих биополимеров, в основном коллагена.

В качестве главных компонентов применяются разные субстраты и/или их комбинации. Главное преимущество подобных материалов в практичности работы с ними - вероятности подгонки размеров прямо в операционной, пластичности при заполнении дефектов кости и т. д.

При этом коллаген отчасти применяется организмом как строительный материал органического компонента кости. Недостатки композиционных препаратов связаны с тем, что количество органического компонента, выбираемое отталкиваясь от условий получения удобных физико-химических свойств, традиционно намного больше, чем необходимо для синтеза кости, а качество коллагена не отвечает оптимальному, с точки зрения.

Большой ассортимент материалов для костной пластики говорит о том, что нужна разработка материалов, позволяющих создаваться регенерату органотипического строения на их основе. Костно-пластический материал должен при имплантации в костное ложе компактного строения приводить к формированию кости остеонного строения, а при имплантации в губчатую кость - трабекулярного.

Таким образом, материал должен обладать следующим набором характеристик:

- идентичность химического состава и архитектоники свойствам кости (зоне предполагаемой имплантации);

- резорбируемость, продленная во времени от 3 до 12 мес.;

- замещение органотипической костной тканью;

- моделируемость;

- остеокондуктивность;

- остеоиндуктивность;

- адресная доставка и пролонгированное действие лекарственных средств в зоне дефекта (антибактериальный или анальгетический эффект).

Применение в медицинской практике мелкодисперстных форм материала неудобно. Поэтому формируются комбинированные формы, состоящие из полимерной матрицы (на базе полилактида, полиоксибутирата, полигликолевой кислоты и их комбинаций) и нано-гидроксиапатита как наполнителя.

Возникновение композитов из искусственного ГАП в форме порошков, гранул и гелей в синтезе с полисахаридами хитозаном, альгинатом, гиалуроновой кислотой, белком коллагеном, пептидами, эмбриональными стволовыми клетками, лекарственными и иными препаратами увеличило способности регенерации патологически модифицированных минерализованных тканей.

Костные морфогенетические белки (BMP) считаются истинными остеоиндукторами и способны вызывать формирование эктопической костной ткани. Сочетание BMP с биоматериалами, которые могут посылать белок, показали наибольший терапевтический эффект BMP. Гидроксиапатит с его остеокондуктивными особенностями считается лучшим носителем для BMP. Как показали опыты Rohanizadeh, наилучшим способом их сочетания, считается включение BMP в состав гидроксиапатита.

Показано, что кальций-фосфатная паста (α-BSM; ETEX, Cambridge, MA) в сочетании с rhBMP-2 активизирует заживление костной ткани и приводит к восстановлению механических свойств, равносильных нормальной кости. В опытной модели, на малоберцовой кости приматов, при остеотомии, использование пасты rhBMP-2/α-BSM ускоряло заживление кости приблизительно на 40 %.

CAD/CAM технологии активно применяются в стоматологии для производства вкладок, виниров, коронок и мостовидных коронок при восстановлении зубов. Для возмещения костных дефектов челюстей и лицевых костей сложной формы, компьютерное моделирование и производство имплантатов считается многообещающей технологией.

В опытной работе на животных показаны интересные результаты по восстановлению костных дефектов альвеолярного отростка ВЧ с применением керамических имплантов, изготовленных методом объемной печати. Имплантаты имели однородную микроархитектонику с величиной пор 120±20 µм и по форме полностью отвечали образованным дефектам.

Остеоиндуктивные свойства были определены введением в состав имплантата BMP-2. Полученные в работе данные демонстрируют, что керамические материалы на основе ГАП, изготовленные методами объемного прототипирования в комбинации с морфогенетическими белками, имеют реальные возможности использования для костной тканевой инженерии, с основным преимуществом - полностью настраиваемой 3D-структурой и формой.

Таким образом, анализ доступной литературы позволяет сделать вывод, что разработка новых костнопластических материалов преследует 2 основные цели - оптимизация регенерации костной ткани и восстановление костных дефектов. Очевидно, что в перспективе для восстановления костных дефектов методами 3D прототипирования, будут создаваться индивидуальные искусственные керамические имплантаты на основе ГАП, содержащие комбинацию факторов роста и морфогенов, например, BMP и VEGF. Возможно, именно такой подход позволит эффективно осуществлять биоинженерию костной ткани в различных клинических ситуациях.

Анализ имеющихся композиционных костно-пластических материалов на базе наполнителей биологического и искусственного происхождения дал возможность проявить закономерности свойств материалов в зависимости от их структуры.

Для синтетических материалов главной характеристикой считается остеокондуктивность. Монолитным образцам характерна устойчивость химического состава и геометрической формы; помимо того, они способствуют формированию вокруг себя соединительно-тканной капсулы – инкапсулируются. Пористые образцы имеют неконтролируемые сроки рассасывания (путем гидролиза от 5-6 недель до 3 лет), причем резорбция материала часто не сопутствуется формированием кости.

К сожалению, даже сейчас все попытки изготовить синтетический костный материал, подходящий для медицинского применения и обладающий превосходной физиологической приживаемостью, биосовместимостью и устойчивостью на протяжении долгого времени, имеют лишь условный успех. Это наглядно демонстрирует превосходство и сложность созданных природой структур.