ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ им. А.А. Байкова РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ОБ ИНСТИТУТЕ→Достижения и разработки

Решена важная государственная задача создания устойчивой сырьевой базы для производства металлического титана и пигментного TiO₂ в России на основе использования лейкоксеновых руд крупнейшего Ярегского месторождения. Разработан новый, экологически чистый технологический цикл с попутным получением универсального многофункционального материала ‒ синтетического волластонита и синтетического рутила.

Создан новый композиционный материал биомедицинского назначения

Для замены дорогостоящих бронз в судостроении и химической промышленности разработана новая литейная высокохромистая азотсодержащая (~0,5% N) сталь аустенитного класса на основе Fe-Cr-Mn-Ni-Mo (05Х22АГ15Н8М2ФЛ). Установлено, что гомогенизирующие высокотемпературные отжиги позволяют обеспечить получение у стали полностью аустенитной структуры. Сталь по коррозионной стойкости не уступает бронзам и другим традиционным материалам, при этом существенно превосходит их по прочности. В частности, она имеет вдвое более высокий предел текучести (~400 МПа) по сравнению с не содержащими азота сталями типа 18Cr-10Ni.

Разработана технология прозрачного керамического материала на основе граната

Получены глобулярные и прозрачные фотонные кристаллы

ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ТКАНЕЙ

Как создают материал, приближенный к неорганической составляющей костной ткани? Почему сегодня гидроксиапатит практически не используют в клинической практике? Какие материалы используют для инженерии костной ткани? На эти и другие вопросы отвечает доктор технических наук Владимир Комлев.

Нужно начать с определения существующей проблемы и ее актуальности. Это проблема замещения или регенерации костных тканей у человека. Для этого применяются различные материалы и имплантаты, и существует достаточно много различных подходов. Один из них — так называемая инженерия тканей — базируется на принципах биоминерализации т.е. на контролируемом образовании биокомпозитов.

Костная ткань — это композиционный материал, состоящий приблизительно на 70% из неорганических и на 30% ‒ из органических веществ. Неорганическая составляющая костной ткани ‒это биологический гидроксиапатит (Ca10(PO4)6(OH)2), а органическая составляющая ‒ коллаген различных типов. Перед нами стояла задача ‒ создать материал, приближенный к неорганической составляющей костной ткани, то есть к биологическому гидроксиапатиту.

Еще в конце XIX — начале XX века проводились исследования, которые базировались на изучении деминерализованной костной ткани, то есть мертвой ткани того же самого пациента. Проблема состоит в том, что существует дефект определенного размера и определенной геометрии. Этот дефект нужно заместить каким-то материалом, иначе не будут происходить процессы остеогенеза, то есть не будет расти новая костная ткань, нарушится биомеханика и в результате пациент останется инвалидом. Поэтому задачей исследователей был поиск таких материалов.

Вначале использовали деминерализованные ткани ‒ как животных, так и самого человека. Для этих материалов есть определения. Так называемые ксенотрансплантаты — материалы, которые берутся от животных, обрабатываются определенным способом, и получается материал для замещения костного дефекта. Есть аллотрансплантаты — берутся от скончавшихся пациентов. Есть другой тип трансплантата — аутотрансплантаты, когда берется кость у пациента. Например, берется кость из ребра и подсаживается в место дефекта на челюстно-лицевой зоне.

Все эти материалы имеют определенные недостатки. Так, ксенотрансплантаты могут служить источником вирусных заболеваний. Помимо этого, они не будут достаточно биосовместимы с организмом человека-реципиента. Если говорить о проблемах аутотрансплантатов, то объем тканей достаточно ограничен, то есть нельзя вырезать большой объем костной ткани, допустим, из ребра, чтобы переместить его в другое место в организме.

Таким образом, встал вопрос о создании синтетических материалов. Неорганическая составляющая — это биологический гидроксиапатит, поэтому были разработаны различные подходы по его синтезу. Эти работы были начаты в конце XIX — начале XX века, тогда использовали гидроксиапатит природного происхождения или синтетический гидроксиапатит. Было показано, что данный материал является биосовместимым, его можно применять при замещении дефектов костной ткани. В дальнейшем эти работы получили развитие в 60–70-х годах, в том числе в Японии. Исследователи установили, что такие материалы, обладающие определенной структурой, могут абсорбировать белки крови и таким образом могут служить для замещения тканей. Впоследствии мы пришли к тому, что данные керамические материалы получили достаточно широкое распространение в травматологии, ортопедии, в челюстно-лицевой хирургии и нейрохирургии.

Нужно отметить, что в 80–90-х годах использовали синтетический гидроксиапатит. Но в настоящее время в клинической практике его практически не используют. Почему это произошло? Потому что синтетический гидроксиапатит — это наиболее стойкий, нерастворимый в организме материал. А какая тенденция в материалах должна быть? У материала должны быть определенные свойства, которые достаточно хорошо известны специалистам.

Первое — материал должен быть биосовместимым, то есть не отторгаться организмом человека. Во-вторых, материал должен биодеградировать, рассасываться, растворяться со временем и замещаться новообразованной костной тканью. Третий основной параметр — этот материал должен нести определенные механические нагрузки и, помимо всего этого, обладать определенной структурой, так называемой архитектоникой, пористостью, взаимосвязью пор, чтобы обеспечить васкуляризацию, т.е. рост сосудов и потоки биологических жидкостей в этом материале.

Не рассасывающийся в организме гидроксиапатит на данный момент не применяется, и усилия ученых направлены на то, чтобы создать синтетический материал на основе тех же самых фосфатов кальция, которые будут наиболее биосовместимы с организмом и впоследствии будут биодеградировать и растворяться, но при этом замещаться костной тканью. Поэтому работы направлены на различные фосфаты кальция, такие как трикальцийфосфат Са₃(РО₄)₂, октокальцийфосфат и предшественника октокальцийфосфата дикальцийфосфат дигидрат CaHPO₄·2H₂O, с целью получения наиболее оптимальных материалов.

При этом любой материал является остеокондуктивным. Определение остеокондукции таково: материал служит матриксом, подложкой для строительства тканей, но он не стимулирует рост костной ткани. Последняя тенденция — это создание биоинженерных конструкций, когда к определенному неорганическому материалу добавляется органическая составляющая. Но ключевым моментом является сам материал.

Для инженерии костной ткани используют различные материалы: керамику, полимеры. Определенные перспективы представляет собой использование полимерных материалов, в отличие от керамики, так как керамика по своей природе является хрупкой, особенно кальцийфосфатная керамика — ее прочность при сжатии, при растяжении не достигает требуемых значений, которые сравнимы с костной тканью у пациента. Поэтому другой путь развития биосовместимых материалов — это создание биополимерных конструкций для этих же целей. В основном используют материалы на основе двух классов — это условно биополимеры и синтетические материалы.

Примерами биополимеров являются такие материалы, как коллаген, полисахариды. Полисахариды включают в себя различные хитозаны, альгинаты и пектин. Это наиболее представительные классы биополимеров, которые используются для создания как имплантатов, так и матрикса для носителей различных биоактивных веществ.

Полимеры обладают достаточно большим преимуществом: изменяя молекулярный вес, подбирая технологии обработки, способы полимеризации и минерализации этих полимеров, можно создать материалы с достаточно высокими прочностными свойствами, с заданной эластичностью. Определенные перспективы представляет собой создание эластичных губок. Это представить себе так: полимер растворяется в водном растворе, потом вспенивается со специальным вспенивающим агентом, замораживается методом лиофильной сушки, чтобы убрать воду, и в результате получается губка. Эта губка эластична, и эластичность ее составляет до 80–90%. Таким образом, этот эластичный материал можно поместить, допустим, в дефект костной ткани, где эта губка распрямится и займет полный объем этого дефекта.

Другой путь — это создание композиционных материалов на основе керамики и на основе органических полимеров, таких как коллаген. Для этого существует несколько технологий. Они достаточно широко применяются в создании этих материалов. Одна из самых примитивных, которая используется уже достаточно давно, — это механическое смешение полимера с керамическим порошком или агломератами. Таким образом, создается композит, в котором полимер армирован частицами фосфатов кальция. Есть обратная технология, когда используют керамический каркас, который пропитывают полимером, упрочняя таким образом саму керамику и обеспечивая нанесение определенного слоя на поверхность пор керамического материала.

Есть третий альтернативный подход, который развивается достаточно недавно, — это использование так называемых аддитивных технологий, когда с использованием быстрого прототипирования — это может быть стереолитография, печать, то есть послойное создание образов на основе определенной информации — можно создавать по моделям определенные материалы, в том числе композиты с использованием как полимеров, так и керамики.

Самый простой пример: пациент попал в госпиталь, у него дефект кости, ему нужно заместить этот дефект каким-то определенным материалом. Ему в этом учреждении делается компьютерная томография или ЯМР-томография, по данным снимка создается компьютерный образ, данный сигнал подается на 3D-принтер, и принтер печатает запасную часть для замещения дефекта костной ткани конкретного пациента.

Это на данный момент реализуется в различных направлениях и не является отдаленным будущим ‒ это ближайшее будущее. Ведутся различные разработки в данном направлении — как по созданию просто керамических материалов путем струйной трехмерной печати, так и по созданию материалов на основе полимеров с использованием подходов стереолитографии — один из самых ярких примеров. Данные материалы находятся на уровне научно-исследовательских работ, поэтому в перспективе возможно создание таких материалов, которые могут быть просто напечатаны на каком-то определенном принтере с использованием определенных моделей и образов.

Доска объявлений