Метали та сплави біосумісні

Визначення і загальна характеристика

МЕТА́ЛИ ТА СПЛА́ВИ БІО­СУМІ́СНІ — металеві матеріали, що спричиняють мінімальні негативні клінічні прояви при без­посередньому контакті з тканинами живих організмів. М. та с. б. використовують для виготовле­н­ня імплантатів — виробів, що вводять в організм хірург. шляхом (ендо­протези су­глобів; пластини, шурупи, гвинти, стержні, дріт, каркаси; деталі кардіостимуляторів, кардіол. стенти та шунти; штучні корені зубів, стоматол. коронки, мости, штифти та ін.) з метою від­новле­н­ня, збереже­н­ня чи поліпше­н­ня функцій органів і тканин людини при їхніх поруше­н­нях або втратах, а також для виробництва мед. інструментів (скальпелі, пінцети, голки, шпателі, кліпси, затискачі, щипці, ранорозширювачі, скоби для зшива­н­ня ран, гачки, ручки інструментів, при­строї для лапаро­скопіч. операцій), допоміж. засобів (протези, інвалідні коляски) і мед. обладна­н­ня (центрифуги й системи сепарації крові та кровозамін­ників, посудини й контейнери для зберіга­н­ня радіо­ізотопів тощо). 

Ступінь біол. сумісності та без­пеки цих матеріалів для організму людини пов­ністю залежить від вмісту в них або продуктах їхньої корозії та зноше­н­ня шкідливих речовин, що роз­чиняються та мігрують у рідинах і тканинах організму, викликаючи запале­н­ня, алергію та ін. небажані реакції. Тому хім. склад сплавів, що використовують у медицині, регламентований між­нар. і нац. стандартами. За­звичай, чужорідне тверде тіло, введене в організм, провокує від­повід­ні реакції. Зокрема, фіброзні тканини від­окремлюють чужорідне тіло від організму, інкапсулюючи його. При цьому від­буваються локал. реакції, що можуть порушити фізіол. функції та спричиняти по­шкодже­н­ня тканин (напр., утворе­н­ня тромбів у кровонос. судинах, звапнува­н­ня серц. мʼяза). Біо­сумісність матеріалів встановлюють унаслідок екс­периментів на тваринах під час проведе­н­ня доклініч. досліджень. Залежно від характеру фіз.-хім. реакцій організму при наявності чужорід. тіла роз­різняють 2 осн. групи М. та с. б.: біо­толерантні (iнкапсулюють з утворе­н­ням фіброз. шару завтовшки 1–20 мкм між матеріалом і внутр. середовищем організму) — Fe, Al, Mo, Au, Ag, сплави на основі Co, нержавіюча сталь; біо­інертні, або нейтральні (контактують з організмом без поміт. змін у навколиш. тканинах і утворе­н­ня фіброз. шару) — Pt, Ta, Nb, Zr, Ti та сплави на основі Ti. Наявність фіброз. шару може при­звести до мікрорухливості імплантатів з бioтолерант. матеріалів, що скорочує довготривалу стабільність. Імплантати з біо­інерт. матеріалів мало взаємодіють з навколиш. тканинами, однак добре спри­ймаються біол. середовищем. Але іноді частинка зноше­н­ня, що вивільняється, обмежує ефективність імплантатів і їхню довготривалу стабільність. 

Сучасні технології нанесе­н­ня різних видів покрит­тів (оксид алюмінію, діоксид цирконію, гідроксіапатит, нітрид титану, нітрид цирконію, фулерен, алмазоподіб. вуглець, пористий титан та ін.) можуть значно поліпшити біо­сумісність і функціонал. характеристики матеріалів. Вибір М. та с. б. для виготовле­н­ня виробів мед. при­значе­н­ня об­умовлюється сукупністю фіз.-мех. властивостей матеріалів: їхньою щільністю, міцністю, твердістю, пластичністю, втом. характеристиками, зносо­стійкістю. Потріб. інтервал значень властивостей ви­значається умовами за­стосува­н­ня — від високонавантажених (для заміще­н­ня колін. і кульшових су­глобів) до високоеластичних (у системах кровонос. судин). Вимоги між­нар. і нац. стандартів до мех. характеристик для кожного виду виробів регулюються норматив. документами. М. та с. б. поділяють на матеріали тривалого за­стосува­н­ня (понад 1 р.) і коротко­строкового (до 30 днів). Важливою особливістю сплавів, що використовують для виготовле­н­ня мед. виробів, є їхня стійкість до більшості методів стерилізації (одно- або багаторазової): термоповітр., паровою, гамма-ви­промінювал. і хім. ре­агентами. Однак майже всі метали і сплави з часом можуть спричинювати в оточуючих тканинах металоз, що призводить до загибелі біол. структур з явищами асептич. некрозу. Електрохім. вплив організму на поверх­ню метал. імплантатів може викликати роз­виток ерозії, що спричиняє їхнє руйнува­н­ня. Іноді трапляються випадки індивідуал. несумісності певних видів біо­матеріалів. Крім того, клінічні невдачі можуть бути повʼязані з недосконалістю кон­струкції ім­плантата, неправильно пі­ді­браним типорозміром чи обраною хірург. методикою та ін.

Найважливішою ознакою Ti та сплавів на його основі є близькість їхніх фіз.-мех. характеристик (щільність, модуль пружності, міцність, твердість) до властивостей кістк. тканин живого організму. Висока біо­сумісність і короз. стійкість за від­носно низької вартості зумовлюють широке викори­ста­н­ня їх для виготовле­н­ня зубних протезів, ортопедич. кон­струкцій, імплантатів широкого спектра в ендоваскуляр. хірургії, хірург. інструментарію. Ti та його сплави стійкі до багатьох мед. роз­чинів (пере­кису водню, бензолу, формальдегіду, фенолу), витримують багатораз. стерилізації. Висока короз. стійкість цих матеріалів об­умовлена утворе­н­ням на їхній поверх­ні плівки оксидів титану (2 до 6 нм), що пере­шкоджає виходу іонів з імплантату та забезпечує високу біо­сумісність. Однак ці матеріали мають низькі антифрикц. властивості, тому їхнє за­стосува­н­ня у вузлах тертя ендо­протезів обмежене. Для під­вище­н­ня зносо­стійкості титан. сплавів використовують сучасні технології окисле­н­ня, азотува­н­ня, термооб­робле­н­ня та нанесе­н­ня захис. покрит­тів. За­значені вище властивості, а також високі ливарні характеристики та від­повід­ність коефіцієнтів терміч. роз­шире­н­ня титан. сплавів і покрит­тів з керам. матеріалів (оксид алюмінію, нітрид титану) зумовили широке за­стосува­н­ня композиту Ti-кераміка для виготовле­н­ня стоматол. металокерам. виробів (коронок, мостів). У ортопед. стоматології Ti по­ступово витісняє кобальт. сплави та благородні метали. Цьому сприяє викори­ста­н­ня таких сучас. методів, як точне титан. лиття та надпластичне деформува­н­ня. 

Порівняно з ін. метал. матеріалами титан. сплави мають гірші різал. характеристики. Однак під час викори­ста­н­ня сучас. методів поверхн. зміцне­н­ня (лазерне обробле­н­ня, плазм. або детонац. напиле­н­ня та ін.) хірург. інструменти з титан. сплавів можуть мати кращі різал. властивості, ніж аналогічні інструменти, напр., із нержавіючої сталі. Імплантати з нікелідів титану (т. зв. матеріали з ефектом памʼяті форми) досить зручно встановлювати, при тому з меншим обʼємом травмува­н­ня. Zr та сплавам на його основі притаман­ні над­звичайно висока короз. стійкість у хімічно агресив. середо­вищах та від­носно висока здатність до мех. обробле­н­ня. Вони легко зварюються та під­даються усім видам холод. та гарячого обробле­н­ня тиском, майже не містять домішок. Викори­ста­н­ня цирконієвих сплавів при внутрішньосудин. втруча­н­нях унаслідок інвазив. хірургії сприяє профілактиці рестенозу коронар. артерій. Au, Ag, Pt, Pd мають хороші мед.-біол., фіз.-мех. і технол. параметри, не містять токсич. елементів. З них пере­важно для стоматології виготовляють зубні коронки та протези, вкладки, штифти, а також припої. З Pt виробляють кламери, крампони, порцелян. зуби, штифти, вкладки, дугові протези. Ag є компонентом золотих і паладієвих сплавів та припоїв, його використовують для виготовле­н­ня сріб. амальгам для стоматології. З Pd і сплавів на його основі створюють мед. інструменти, деталі кардіостимуляторів, зубні протези. Завдяки високій короз. стійкості та низькій вартості у медицині широко використовують хромонікел. сталі. Зі сталі марки 1Х18Н9Т виробляють коронки, кламери, ортодонтичні при­строї. Сталь марки 2Х18Н9, що має кращі ливарні властивості, за­стосовують для лиття зубів, фасеток, бюгелей; сталі марок 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т завдяки їхній високій твердості та стійкості до стира­н­ня використовують у кон­струкціях ортопедич. імплантатів. Зі сталей марок 12Х13, 20Х13, 40Х13, 95Х18 виготовляють імплантати різного при­значе­н­ня та мед. інструменти. Групі сплавів на основі Nb і Ta властива висока короз. стійкість в агресив. середовищах, зокрема й у соляній, сірчаній, азот., фосфор. і органічних кислотах будь-якої концентрації при низькій і високій т-рах.

Літ.: Вильямс Д. Ф., Роуф Р. Имплан­таты в хирургии / Пер. с англ. Мос­ква, 1978; G. Lange, M. Ungethum. Metallische Implantatwerkstoffe // Z. für Metallkunde. 1986. № 8; Метал­лы и сплавы: Справоч. С.-Пе­тербург, 2003; M. Mondon, S. Berger, H. Stadler, Ch. Ziegler. Nanoanalysis of Biomatirials // Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. California, 2004. Vol. 6; Лашнева В. В., Максюта И. И. Биосовместимые метал­лы и сплавы // Неорган. материаловедение. Материалы и технологии. К., 2008. Т. 2, кн. 1.

В. В. Лашнева, І. І. Максюта

Завантажити статтю