Приживаемость имплантатов

Основной задачей биомедицинской инженерии в настоящее время является получение искусственных материалов для внедрения в человеческий организм. Такие материалы могут применяться при протезирования костей или их частей, суставов, зубов, кожи, волос, сухожилий и мышечной ткани, а так же для создания внутренних органов.

К таким материалам предъявляются серьезные требования относительно их прочности и способности проводить химические и электрические сигналы. В зависимости от области применения, материал должен быть биосовместимым, биовыносливым, либо био-инертным.

Простым, но наглядным примером использования искусственных материалов в медицинских целях, является протезирование зубов. В первую очередь, зуб должен сохранять прочность от поверхности к корню, для того чтобы справится с нагрузками, возникающими в процессе пережевывания. Это механическая задача. Поверхность зуба должна быть не смачиваемой для предотвращения появления многочисленных микроорганизмов. Это уже является задачей поверхностного натяжения. Центральная часть должна быть биофильна к живым тканям, но оставаться биофобной к микроорганизмам.

Модификация поверхности искусственных материалов, контактирующих с жидкими компонентами организма, с помощью коронного разряда, плазмы или пламени способствует снижению накопления белков и ферментов на материалах. Как правило, альбумин и фибриноген имеют склонность адсорбироваться на фильтрующих материалах из полиэстера; обработка фильтров плазмой (плазменное нанесение гидроксиэтилметакрелата) позволяет существенно снизить показатели адсорбции. Такой эффект объясняет теория, разработанная ван Оссом, Гудом и Гаудгури: при увеличении основной составляющей поверхностного натяжения воды при относительно высоком содержании кислой части, уменьшается адсорбция белков на поверхности. Поверхностные свойства имплантов можно исследовать с помощью приборов измерения краевого угла DSA30 или DSA100, позволяющие оценить как поверхностную энергию твердой поверхности, так и поверхностное натяжение и вязкоупругие свойства жидкостей.

Другим примером является увеличение поверхностного натяжения полимерных материалов (PTFE, PS) в аммиачной плазме (результат=44-48 мН/м) для интенсификации отложения клеток эндотел. Эндотела входят в состав поверхности кровяных сосудов. В результа-те адсорбции эндотел на поверхности полимера, получают поверхность, схожую по своим свойствам с естественным материалом.

Для предотвращения адгезии клеток бактерий на поверхности полимеров, значение поверхностного натяжения материала должно быть максимально возможным. Вода и бактериальные клетки (например, Staphylococcus epidermi) конкурируют в процессе адсорбции. Поверхностное натяжение воды значительно выше поверхностного натяжения клеток микроорганизмов. Увеличение поверхностного натяжения твердой поверхности снижает способность бактерий адсорбироваться.

Выше приведенные примеры демонстрируют всю важность свойств поверхности раздела между искусственным и биологическим материалами. Изменение поверхности самого имплантата может оптимизировать межфазное натяжение только до определенного предела. Специальное поверхностное покрытие позволяет достигнуть необходимых показателей вне зависимости от механических свойств. Благодаря низким температурам процесса и отсутствию влаги, широко применяется метод модификации поверхности с помощью нанесения полимерного слоя в потоке плазмы. Данные, приведенные в табл.1 демонстрируют такие покрытия, которые благодаря своим механическим свойствам больше похожи на сталь чем на полимеры, но, тем ни менее, обладают низкими значениями поверхностного натяжения. Введение гетероатомов B, N, Si, или F значительно изменяет поверхностное натяжение.

Табл.1 Сравнительная характеристика свойств полимерных покрытий, стали (100 Cr6) и тефлона

В качестве примера механической прочности материалов обработанных потоком плазмы, можно привести искусственные суставы, технология изготовления которых основана на алмазоподобных покрытиях (АПП). Такие имплантаты показывают меньший износ, чем аналогичные без АПП.

Другим методом увеличения значения поверхностного натяжения является осаждение паров на поверхность полимера. Таким спо-собом осаждают, например, оксиды (табл.2).

Табл.2 Свободная энергия поверхности (СЭП), мН/м, фольги различной степени обработки

Материалы для микромеханики обычно изготавливаются из боросиликатного стекла и кремния. Все имплантируемые части и ме-дицинские аппликаторы также изготовлены из этого материала. Но следует помнить, что при контакте искусственных материалов с био-логическими системами наблюдаются:

• отложения на твердой поверхности при контакте с кровью или ее составляющими;
• уменьшение поверхности при статическом и динамическом напряжении во время контакта с жидкостями.

В частности, отложения белков и клеток на керамике легко определить с помощью измерения краевого угла. А для определения биосовместимости материала, определяют величины свободной поверхностной энергии (СЭП):

Табл.3 Свободная энергия поверхности, мН/м, некоторых биосовместимых материалов

Стеклокерамика является признанным биосовместимым материалом, применяемым для имплантации и диализа. СЭП боросиликатного стекла и кремния достаточно близки, следовательно, можно сделать вывод, что и они являются биосовместимыми. Эти выводы согласуются с результатами, полученными при биологическом тестировании.