2. Биомеханическая совместимость материалов

2.1. Основы биомеханики имплантов

В настоящее время при лечении различных заболеваний и травм применяют имплантаты – изделия из современных биосовместимых металлов, керамики, углерода, полимеров и их композитов, способные выполнять в живом организме определенную функцию. Имплантат должен быть совместим с окружающей средой (живыми тканями), в которой он будет функционировать, и обладать физикомеханическими свойствами и электрохимическим поведением, необходимым для выполнения заданной функции.

Вполне понятно, что биомеханическая совместимость реализуется в случае, когда имплантат является эластичным. Таким образом, с точки зрения биомеханики, оптимальный имплантат по своим свойствам должен быть подобен живой ткани, то есть обладать эластичностью, иметь близкую к ней диаграмму напряжение-деформация и присущую тканям величину гистерезиса на диаграмме нагрузка-разгрузка. По-видимому, механическое, «резиноподобное» поведение тканей организма (их эластичность) объясняет причины разрушения имплантированных фиксаторов из традиционных материалов, несмотря на их многократный запас прочности и высокий модуль упругости. Отсутствие при нагрузке и разгрузке большой обратимой деформации, соответствующей по величине живым тканям, – одна из основных причин неуспеха имплантатов.

Основными задачами при разработке имплантатов являются:

• поиск материалов, которые обладают эластичными свойствами и вызывают минимальную реакцию окружающих тканей;

• поиск надежных способов фиксации имплантатов к тканям организма, обеспечивающих длительное функционирование.

Металлы и их сплавы составляют один из важнейших классов материалов, применяемых в медицине в качестве имплантируемых в организм конструкций (имплантатов). Как известно, металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из хаотически расположенных и имеющих неправильные границы кристаллитов – зерен.

Прочность металлов (сплавов) определяется прочностью самих зерен и прочностью границ зерен. Зерна одного металла имеют, как правило, один тип кристаллической решетки, т. е. регулярное расположение атомов в пространстве зерна является вполне определенным. Рисунок границ зерен для каждого металла также свой. При этом на границе между зернами существует множество пустот или множество скоплений примесей и других дефектов, которые образовались из-за неизбежного нарушения порядка атомов в плоскости соприкосновения зерен. Дефекты имеют и сами зерна, в пространстве которых есть и примеси, и пустоты, и множество других нарушений в структуре расположения атомов. Разрушение металлических имплантатов идет, как правило, по границам зерен как по наиболее дефектным местам. В трещины проникает тканевая жидкость, ведущая к коррозии. Даже коррозионно-стойкие материалы в таких условиях активно разрушаются.

В случае замещения твердых тканей организма (кость, зубы) на искусственные изделия их жесткая биологическая фиксация всегда остается главной целью имплантологии. Смещение на межфазной границе костная ткань-имплантат не должно превышать приблизительно 30 мкм, иначе прорастание костной ткани в структуру имплантата подавляется. Движение имплантата относительно кости на большую величину приводит обычно к образованию фиброзной ткани или ложного сустава.

Любой металлический имплантат, жестко закрепленный в тканях, будет со стороны тканей подвергаться знакопеременной деформации, по величине значительно превосходящей возможности металлов. Металлы допускают знакопеременное изменение формы без остаточной деформации в пределах 0,3–0,5 % (область упругой деформации Гука, рис. 1). А ткани деформируют металлический имплантат более чем на 2 %, поэтому он пластически деформируется уже на первом цикле деформации.

Задача фиксации имплантата в биологической ткани может быть частично решена, если в качестве имплантата использовать эластичные материалы с памятью формы, которые способны взаимодействовать с живой тканью, т.е. обладать биоактивностью. При этом будут реализовываться три способа создания связей между имплантатом и живой тканью:

• механическое сцепление в результате прорастания ткани в структуру имплантата;

• химическое взаимодействие ткани с компонентами элементного состава имплантата;

• в том случае, если химический (биохимический) состав поверхности имплантата соответствует живой ткани, то реализуется 3-й тип взаимодействия искусственных и живых систем – биологический, связанный с процессами клеточного ремоделирования и интегрирования структуры имплантата в биологическую ткань.

Костная структура является одновременно жесткой и эластичной, поэтому требует применения материалов с эластичными свойствами. Следует отметить, что в ряде случаев биологическая фиксация достигается за счет прорастания в имплантат только мягкой, эластичной соединительной ткани. В ее состав не входит ГАП, в отличие от костной ткани, поэтому соединительная ткань не обеспечивает необходимой жесткости фиксации имплантата. При такой фиксации имплантат легче смещается, если в этом есть необходимость, и хорошо поглощает ударные нагрузки. Прочность связи на поверхности раздела имплантат-ткань в этом случае намного ниже, чем при прорастании в поры биологической костной ткани.

Разные биосовместимые материалы (пористые керамики, титан и его сплавы (никелид титана, ВТ6 и т. д.)) обладают другими, более высокими механическими свойствами и в этом смысле не соответствуют медико-техническим требованиям, предъявляемым к имплантатам для замещения твердых тканей. Пластическая деформация имплантата внутри организма ведет не только к разрушению поверхностных пленок (например, фосфатной или оксидной), образующихся в биологических жидкостях на поверхности, например, титана и его сплавов, но и подвергает разрушению в виде трещин более глубинные области материала.