Войти
Материалы, которые используются для биомедицинских или клинических применений, известны как биоматериалы. Следующая статья посвящена биоматериалам пятого поколения, которые используются для замещения костных структур. Для того чтобы любой материал был классифицирован для биомедицинского применения, должны быть выполнены три требования. Первое требование - материал должен быть биосовместимым ; это означает, что организм не должен относиться к нему как к инородному объекту. Во-вторых, материал должен быть биоразлагаемым (только для трансплантата); материал должен безвредно разлагаться или растворяться в теле организма, чтобы позволить ему возобновить естественное функционирование. В-третьих, материал должен быть механически прочным; для замены несущих конструкций материал должен обладать эквивалентной или большей механической стабильностью, чтобы обеспечить высокую надежность трансплантата.
Термин «биоматериал» используется для обозначения материалов, которые можно использовать в биомедицинских и клинических применениях. Они биоактивны и биосовместимы по своей природе. В настоящее время многие типы металлов и сплавов ( нержавеющая сталь, титан, никель, магний, сплавы Co – Cr, Ti-сплавы), керамика ( диоксид циркония, биостекло, оксид алюминия, гидроксиапатит ) и полимеры (акрил, нейлон, силикон, полиуретан, поликапролактон, полиангидриды) используются для несущих нагрузок. Это включает замену зубов и соединение костей или замену для медицинских и клинических целей. Поэтому их механические свойства очень важны. Механические свойства некоторых биоматериалов и костей приведены в таблице 1. Среди них гидроксиапатит является наиболее широко изученным биологически активным и биосовместимым материалом. Однако он имеет более низкий модуль Юнга и вязкость разрушения с хрупкой природой. Следовательно, необходимо производить биоматериал с хорошими механическими свойствами.
Модуль упругости просто определяется как отношение напряжения к деформации в пределах пропорционального предела. Физически он представляет собой жесткость материала в диапазоне упругости при приложении растягивающей или сжимающей нагрузки. Это клинически важно, поскольку указывает на то, что выбранный биоматериал имеет такие же деформируемые свойства, что и материал, который он собирается заменить. Эти силовые материалы требуют высокого модуля упругости с низким прогибом. По мере увеличения модуля упругости материала сопротивление разрушению уменьшается. Желательно, чтобы модуль упругости биоматериала был аналогичен костному. Это связано с тем, что если он превышает модуль упругости кости, нагрузка переносится только материалом; при этом нагрузка ложится на кость только в том случае, если она меньше костного материала. Модуль упругости материала обычно рассчитывается путем испытания на изгиб, поскольку в этом случае можно легко измерить прогиб по сравнению с очень небольшим удлинением при сжимающей или растягивающей нагрузке. Однако биоматериалы (для замены кости) обычно пористые, а размеры образцов небольшие. Поэтому для определения модуля упругости этих материалов используется испытание на наноиндентирование. Этот метод имеет высокую точность и удобен для образцов в микромасштабе. Другой метод измерения модуля упругости - неразрушающий. Это также клинически очень хороший метод из-за его простоты и повторяемости, поскольку материалы не разрушаются.
Твердость - это мера пластической деформации, которая определяется как сила, приходящаяся на единицу площади вдавливания или проникновения. Твердость - один из важнейших параметров для сравнения свойств материалов. Он используется для определения пригодности клинического использования биоматериалов. Желательно, чтобы твердость биоматериала равнялась твердости кости. Если выше биоматериала, то проникает в кость. Чем выше твердость, тем меньше истирание. Как было сказано выше, образцы биоматериалов очень малы, поэтому используются тесты на твердость в микро- и нанометрах (инденторы Diamond Knoop и Vickers).
Прочность материалов определяется как максимальное напряжение, которое может быть выдержано до разрушения. Прочность биоматериалов (биокерамики) является важным механическим свойством, поскольку они хрупкие. В хрупких материалах, таких как биокерамика, трещины легко распространяются, когда материал подвергается растягивающей нагрузке, в отличие от сжимающей нагрузки. Существует ряд методов для определения прочности материалов на растяжение, таких как испытание на изгиб при изгибе, испытание на прочность при двухосном изгибе и метод Вейбулла. В биокерамике дефекты влияют на надежность и прочность материала во время имплантации и изготовления. Существует несколько способов создания дефектов в биокерамике, таких как термическое спекание и нагрев. Важно, чтобы биокерамика имела высокую надежность, а не высокую прочность.
Прочность хрупких материалов зависит от размера дефектов, распределенных по всему материалу. Согласно теории разрушения при растяжении Гриффита, самый крупный дефект или трещина вносит наибольший вклад в разрушение материала. Прочность также зависит от объема образца, поскольку размер дефекта ограничен размером поперечного сечения образца. Следовательно, чем меньше размер образца (например, волокна), тем выше прочность на излом. Пористость имплантированной биокерамики оказывает огромное влияние на физические свойства. Поры обычно образуются при обработке материалов. Увеличение пористости и размера пор означает увеличение относительного объема пустот и уменьшение плотности; это приводит к ухудшению механических свойств и снижает общую прочность биокерамики.
Использование керамики в качестве автономных имплантатов, способных выдерживать растягивающие напряжения, является основной задачей инженерного проектирования. Для достижения этой цели использовались четыре общих подхода: 1) использование биоактивной керамики в качестве покрытия на металлической или керамической подложке 2) упрочнение керамики, например, путем кристаллизации стекла 3) использование механики разрушения в качестве подхода к проектированию. и 4) усиление керамики второй фазой.
Например, биокерамика на основе гидроксиапатита и других фосфатов кальция важна для восстановления твердых тканей из-за их сходства с минералами в естественной кости, а также их превосходной биосовместимости и биологической активности, но они обладают низкой устойчивостью к усталости и прочностью. Следовательно, биоинертные керамические оксиды, обладающие высокой прочностью, используются для улучшения их уплотнения и улучшения механических свойств.
Вязкость разрушения требуется для изменения распространения трещин в керамике. Полезно оценить удобство использования, эффективность и долгосрочный клинический успех биоматериалов. Сообщается, что материал с высокой вязкостью разрушения улучшил клинические характеристики и надежность по сравнению с низкой вязкостью разрушения. Его можно измерить многими методами, например, изломом при вдавливании, прочностью на вдавливание, балкой с надрезом на одной кромке, балкой с предварительно растрескиванием на одной кромке и балкой с двумя консолями.
Усталость определяется как разрушение материала из-за повторяющейся / циклической нагрузки или разгрузки (растягивающие или сжимающие напряжения). Это также важный параметр для биоматериалов, поскольку в течение срока их службы применяется циклическая нагрузка. В этом состоянии циклического нагружения микротрещины / дефекты могут возникать на границе раздела матрицы и наполнителя. Эта микротрещина может вызвать остаточную пластическую деформацию, которая приводит к большому распространению трещины или разрушению. Во время циклической нагрузки несколько факторов также способствуют образованию микротрещин, таких как трение сопрягаемой поверхности, прогрессирующий износ, остаточные напряжения на границах зерен, напряжение из-за сдвига.
Таблица 1: Сводка механических свойств кортикальной кости и биоматериала
| Материал | Прочность на разрыв ( МПа ) | Прочность на сжатие ( МПа ) | Модуль упругости ( ГПа ) | Вязкость разрушения ( МПа. М -1/2) |
|---|---|---|---|---|
| Биостекло | 42 | 500 | 35 год | 2 |
| Кортикальная кость | 50-151 | 100–230 | 7-30 | 2–12 |
| Титана | 345 | 250-600 | 102,7 | 58-66 |
| Нержавеющая сталь | 465-950 | 1000 | 200 | 55-95 |
| Ti-сплавы | 596-1100 | 450-1850 | 55-114 | 40-92 |
| Глинозем | 270-500 | 3000–5000 | 380-410 | 5-6 |
| Гидроксиапатиты | 40–300 | 500–1000 | 80–120 | 0,6-1 |
Усталостные переломы и износ были определены как некоторые из основных проблем, связанных с расшатыванием имплантата, снятием напряжения и окончательным разрушением имплантата. Хотя об износе часто говорят в ортопедических изделиях, таких как протезы коленных и тазобедренных суставов, это также серьезный и часто фатальный опыт механических клапанов сердца. К сожалению, при выборе биоматериалов с точки зрения износостойкости нельзя полагаться только на традиционные представления об использовании твердой керамики из-за их низкого коэффициента трения и высокого модуля упругости. Это связано с тем, что керамика обычно склонна к хрупкому разрушению (обычно имеет вязкость разрушения менее 1 МПа м) и требует абсолютного контроля качества, чтобы избежать усталостного разрушения в медицинских устройствах. Развитие усталостного разрушения и износостойких биоматериалов рассматривает биокомпозиты двух или более различных фаз, например, взаимопроникающие сетчатые композиты. Преимущество этих композитов состоит в том, что в них можно включать химические вещества с контролируемым высвобождением лекарственного средства, модификаторы трения, различные морфологии для улучшения характеристик имплантата и имплантата, а также химические соединения для уменьшения или облегчения удаления частиц износа. Не менее важны инструменты, разработанные для прогнозирования усталостного разрушения / износа с использованием новых методологий, включающих испытания in vitro, компьютерное моделирование для получения расчетных напряжений и карты разрушения / износа для выявления механизмов.
1) Ичим, К. Ли, В. Ли, М. В. Суэйн, Дж. Кизер, Моделирование поведения переломов в биоматериалах, Биоматериалы, Том 28, Выпуск 7,2007, страницы 1317-1326
2) SH Teoh, Усталость биоматериалов: обзор, Международный журнал усталости, том 22, выпуск 10, 2000 г., страницы 825-837
