Материалы для протезирования костей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Владимир 2016 Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Кафедра «КТРЭС»

Реферат

по дисциплине

«Конструкционные, электротехнические и биометариалы»

На тему:

«Материалы для протезирования костей»

Выполнил:

Студент группы БТС-114

Ефимов К.А.

Проверил: Фролова Т. Н.



Содержание

Введение

1. Металы и сплавы

1.1 Нержавеющие стали

1.2 Титан и его сплавы

1.3 Кобольтохромовые сплавы

1.4 Сплавы циркния и тантала

1.5 Поверхности металлических компонентов

2. Керамика

2.1 Взаимодействия с тканями организма

2.2 Виды керамики

3. Полиэтилен

4. Костный цемент

5. Печатькальций-фосфатных протезов на 3d принтере

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Выбор материала при создании любого имплантата является важным этапом, нередко определяющим успех всего комплекса опытно-конструкторских исследований и производственных работ. При этом следует учитывать два основных принципа, которые, отражая тесную взаимосвязанность дизайна и материала, могут быть положены в основу медицинского материаловедения:

1) технические и биологические особенности конструкции зависят от соответствующих особенностей материала;

2) новые материалы позволяют реализовывать новые варианты дизайна имплантата.

Главной дизайнерской задачей при создании тотального эндопротеза является получение постоянного, длительно функционирующего имплантата, позволяющего устранить болевой синдром и улучшить функциональные возможности путем воспроизведения искусственными сочленяющимися компонентами нормальной пространственной геометрии, подвижности и опороспособности. протез имплантат сплав керамика

Вторичными задачами общего плана наиболее часто считают:

· простоту дизайна и применения,

· сберегательное отношение к тканям при имплантации,

· надежность и высокую устойчивость к разрушению и износу,

· долговечность функционирования, удобство в применении,

· минимизацию технических трудностей при замене изношенных,

· разрушенных имплантатов, удобство для промышленного производства,

· снижение стоимости.

. Основным требованием, предъявляемым к материалам для изготовления эндопротеза, является биосовместимость, определяемая как способность материала вызвать приемлемый ответ макроорганизма или не вызывать его совсем. Негативное влияние материала и продуктов его износа или деградации не должны приводить к значимым местным, системным и отдаленным эффектам, а положительное влияние может заключаться в виде ряда полезных, требуемых для решения задач эндопротезирования, проявлений, например, адгезии или врастания костной ткани.

Основные материалы компонентов для изготовления эндопротезов (см. таблица 1)

Таблица 1

	Бедренный компонент	Вертлужный компонент
Суставной элемент	Металл Керамика	Полиэтилен Керамика Металл
Фиксационный элемент	Металл Металл + керамика Металл+костный цемент	Металл Полиэтилен+костный цемент Керамика



1. Металлы и сплавы

Общими требованиями к металла ,применяемым для изготовления эндопротезов, являются:

· жесткость,

· прочность,

· эластичность,

· устойчивость к коррозии,

· возможность создавать требуемую структуру поверхности и биосовместимость.

1.1 Нержавеющие стали

Нержавеющие стали (Fe, С, Or, Ni, Mo) характеризуются низким содержанием углерода, что определяет устойчивость к коррозии и механическим нагрузкам. Прочность нержавеющей стали может быть повышена холодной ковкой. Сплав стали BioDur108, содержащий Ni, с высоким содержанием азота и обладающий значительной коррозионной устойчивостью и лучшими прочностными характеристиками, применяют для изготовления цементных ножек эндопротезов.

1.2 Титан и его сплавы

Титан и его сплавы (CP-Ti (чистый титан - 98 - 99,6%), Ti-6AI-4V и др.) характеризуются высокой коррозионной устойчивостью и биосовместимостью. Чистый титан более вязкий, применяется для пористых покрытий, фиброметалла. Сплав Ti-6A1 -4V имеет большую механическую прочность. Модули торсионной и аксиальной жесткости наиболее близки к кости. Сплав чувствителен к разрушениям, связанным с образованием микрокаверн, обладает высокой поверхностной мягкостью.

Новые титановые сплавы - Я-титан (Я-Ti) - характеризуются преобладанием Я-фазы сплава, часто за счет высокого содержания Мо (более 10%), что позволяет повысить устойчивость к разрушению, в первую очередь к усталостному, а также на 20% снизить модуль упругости, приблизив его к модулю упругости кости. Ti-5AI-2,5Fe, Ti-6AI-17 Niobium не содержат относительно токсичный V, имеют более низкий модуль упругости. Ti-Ta30 имеет модуль термического расширения, близкий к керамике, что снижает риск ее разрушения при сочетании с металлическими имплантатами. Все титановые сплавы малоустойчивы к образованию дебриса. Чаще их применяют для изготовления бесцементных ножек, иногда после поверхностного упрочнения оксидированием или протонной бомбардировкой, и реже - цементных.

1.3 Кобольтохромовые сплавы

Сплавы Co-Cr (Co-Cr-Mo, Co-Ni-Cr-Mo, Co-Cr-Ni- W, Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) отличаются высокой коррозионной устойчивостью, возможно, обладают некоторой токсичностью и иммуногенностью за счет наличия никеля. Co-Ni-Cr имеет плохие фрикционные свойства, образует большое количество дебриса. Со-Сг-Мо обладает высокой твердостью и прочностью, применим в парах трения при изготовлении головок эндопротезов, а также в парах трения металл-металл. Последние характеризуются чрезвычайно низким износом, не образуют большого количества дебриса, однако их применение ограничивают существенные недостатки: излишняя жесткость (частично преодолима при установке металлического вкладыша в полиэтиленовую основу), повышающая риск расшатывания бедренного и вертлужного компонентов эндопротеза; длительность приработки трущихся поверхностей; повышение концентрации ионов металлов в биологических жидкостях и тканях (токсичность, аллергенность, возможно, онкогенность и тератогенность); высокая чувствительность к импинджменту; риск остеолитических реакций костной ткани, высокая стоимость. Вариантом пары трения металл-металл является Со-Сг пара с интеграцией корундовых кристаллов (Metasul), обеспечивающих еще более низкий износ.

1.4 Сплавы циркния и тантала

Сплавы Zr и Та обладают высокими коррозионной устойчивостью, биосовместимостью, поверхностной жесткостью и малым образованием дебриса. Возможно создание трабекулярного металла. Истинный трабекулярный металл на основе тантала позволяет значительно повысить возможности остеоинтеграции, при этом не создавая проблемы зон соединения разнопрочностных сред.

Поверхность металлических компонентов эндопротезов может быть:

полированной (головки, вкладыши чашек при парах трения металл-металл, ножки цементной фиксации);

шероховатой, которую создают путем обработки в струе песка (ножки и чашки бесцементной фиксации 5-8 мкм);

пористой, которую создают путем спекания шариков или проволоки (ножки и чашки бесцементной фиксации);

трабекулярной, получаемой путем плазменного напыления металлом (чашки, а также ножки бесцементной фиксации);

с покрытием из гидроксиапатита, фосфата кальция

1.5 Поверхности металлических компонентов

· полированной (головки, вкладыши чашек при парах трения металл-металл, ножки цементной фиксации);

· шероховатой, которую создают путем обработки в струе песка (ножки и чашки бесцементной фиксации 5-8 мкм);

· пористой, которую создают путем спекания шариков или проволоки (ножки и чашки бесцементной фиксации);

· трабекулярной, получаемой путем плазменного напыления металлом (чашки, а также ножки бесцементной фиксации);

· с покрытием из гидроксиапатита, фосфата кальция



2. Керамика

Совершенствование керамических материалов позволило рассматривать их как некоторую альтернативу металлическим сплавам, а по некоторым своим характеристикам, прежде всего трибологическим, пара керамика-керамика обладает уникальными свойствами.

2.1 Взаимодействия с тканями организма

· инертная керамика, сохраняющая форму имплантата и поверхностную структуру без врастания тканей;

· биоактивная керамика, сохраняющая форму имплантата и его внутреннюю структуру с врастанием окружающих тканей;

· биодеградируемая, которая теряет форму, поверхностную и внутреннюю структуру имплантата с врастанием в нее, частичным или полным замещеием окружающими тканями.

2.2 Виды керамики

· На основе оксидов Al, Zr, Ti (Аl2O3 ZrO, TiO): биоинертные, с высокой биологической совместимостью и поверхностной прочностью, применимы при создании пар трения керамика-полиэтилен и керамика-керамика. Циркониевая керамика за счет примеси иттрия характеризуется некоторой токсичностью.

· Карбоновая керамика (Сс различной структурой, C-Si): биоинертная, с хорошей биологической совместимостью и поверхностной прочностью. Применима для покрытия ножек и чашек протезов, а также в создании пар трения.

· Кальция фосфаты и алюминаты (Cryst-Са5(РO)3(O), СаАl2O3): биоактивные, небиодеградируемые. Могут обеспечивать взаимодействие между костью и другими биоматериалами, быть носителями лекарственных и биологически активных веществ (короткого срока действия, поверхностное высвобождение). Применимы для биоматериал-индуцированной и биоматериал-зависимойостеоинтеграции.

· Кальция сульфаты, алюминаты и фосфаты (CaSO4, СаАl2O3, Amorph-Ca5(PO4)3(OH)): биодеградируемые, с различным сроком замещения, могут быть носителями лекарственных и биологически активных веществ (длительного срока высвобождения). Аналогичная роль в создании эндопротезов.



3. Полиэтилен

Существуют полиэтилены низкой, средне-низкой, высокой, ультравысокой плотностей и ультравысокой плотности с поперечными связями. Полиэтилен применяют для создания пары трения. В настоящее время широкое распространение получил полиэтилен ультравысокой плотности и его производные, как правило, для изготовления вертлужного компонента. Пара трения металл (головка эндопротеза) - полиэтилен (чашка или вкладыш) до настоящего времени является эталонной. Для модификации полиэтилена ультравысокой плотности в конце 1970-х годов применяли углеродные волокна, повышающие модуль упругости и износостойкость, снижающие способность к деформациям (продукт Poly II, Zimmer). Однако опыт применения показал более высокую частоту разрушений элементов из Poly II, в том числе поверхностных. Частично это было связано с плохой воспроизводимостью технологии изготовления. В начале 90-х годов прошлого века появилась технология кристаллизации полиэтилена ультравысокой плотности без разрыва молекулярных цепей и потери молекулярной массы (Hylamer, DePuy), характеризовавшаяся повышением прочности продукта и его устойчивости к оксидации.

Стерилизация изделий из полиэтилена путем высокодозовогогамма-облучения приводит к возникновению в них оксидативных реакций в виде двух основных направлений: разрыва молекулярных цепей и образования поперечных связей. Причем, если на поверхности образца преобладают реакции деградации полиэтилена, то в глубине растет уровень поперечных сшивок между его молекулами.

Технология создания полиэтилена с поперечными связями, позволяющая обеспечить образование их во всем объеме вещества, а также подавить реакции деградации, привела к получению высокопрочного и износостойкого материала, приближающегося по этим параметрам к парам трения металл-металл, однако позволяющего избежать таких недостатков металлических сочленений, как жесткость, токсичность и аллергенность (за счет повышения концентрации ионов кобальта, никеля и хрома в крови). Однако опыт применения полиэтилена с поперечными связями показал, что при всей перспективности экспериментальных и первых клинических результатов, существует нестабильность технологии производства этого материала, а также повышенный риск разрушения изделий из него при ударных нагрузках.

Таким образом, до настоящего времени наиболее применимым остается стандартный полиэтилен ультравысокой плотности, в том числе с вариантом рекристаллизации, а полиэтилен с поперечными связями сохраняет высокую перспективность как новый вариант высокопрочной пары трения.



4. Костный цемент

Многочисленными исследованиями доказано, что к преимуществам цементного протезирования можно отнести возможность использования простых моделей имплантатов, отсутствие сплошного контакта металлических элементов протеза с костью, возможность создания депо антибиотиков в зоне операции, обеспечение стабильной фиксации элементов протеза при наличии посттравматических и диспластических дефектов костного ложа и остеопороза различного генеза.

Выделены основные факторы, улучшающие механическое качество микросцепления цемента с костью: тщательность очистки костного ложа перед цементированием, прочность и местные регенеративные возможности кости, качество смешивания цемента, использование устройства герметичной подачи цемента. Для комплексного решения задачи по улучшению качества цементной фиксации разработана система мероприятий. Основными из них являются: дистальная заглушка канала бедренной кости, ретроградное заполнение бедренного канала костным цементом, дренирование бедренного костномозгового канала в процессе его заполнения цементом, формирование отверстий в вертлужной впадине для фиксации вертлужного компонента, вакуумное смешивание цемента, промывание цементируемой поверхности кости пульсирующей струей (пульсационный лаваж), чистка цементируемой поверхности нейлоновыми щеточками, дегидратация костной поверхности перед цементированием, прессуризация цемента при установке протеза. Имеются сведения о повышении эффективности цементирования при центрифугировании в процессе смешивания, Высокое качество подготовки цемента, его закладки в кость и равномерность распределения цементной мантии обеспечивается целым рядом разработанных устройств и оборудования, К ним относят: вакуумные смесители различных типов, предотвращающих формирование воздушных пузырей в цементной массе; специальные шприцы для ретроградной подачи цемента в полости, и, прежде всего, в канал бедренной кости; полиэтиленовые ограничительные заглушки и направители, формирующие цементную мантию в бедренном канале; наконец, устройства для прессуризации или вдавливания цемента в костные поры при его закладке. Применение усовершенствованной технологии цементирования позволило сократить количество ревизий по поводу инфекционных осложнений и замен имплантатов из-за асептического расшатывания.

Как правило, костный цемент состоит из двух компонентов - порошка (полимера) и жидкости (мономера). Полимер - основная часть костного цемента, от его состава зависят основные потребительские свойства цемента. В некоторых сортах цемента к полиметилметакрилату добавляют копо-лимеры, например, метакрилат, бутилметакрилат, стеарин. Так, добавление метакрилата увеличивает гидрофильность цемента, повышает его гибкость и вязкость. Добавление стеарина повышает не только гидрофобность, но и усталостные» свойства цемента. Добавление сульфата бария придает цементу рентгеноконтрастность.

Основные марки цемента различных фирм-производителей и тип полимера, виды мономера, соотношение жидкой и твердой частей основных марок костного цемента и максимальная температура их полимеризации (см. таблицу 2).

Таблица 2

Тип полимера	Марка цемента
Чистый полиметилметакрилат	CMW1, CMW3, Cemex, Zimmer regular +LVC
Полиметилметакрилат + метакрилат	Palacos R, Palamed, Osteopal, Versabond, SmartSet NV
Полиметилметакрилат + бутилметакрилат	Sulfix-6, Boneloc, Bioloc
Полиметилметакрилат + стеарин	Simplex RO, Osteobond, CMW Endurans

Температура и время полимеризации в зависимости от марки цемента и процентного содержания мономера (см. таблицу 3).



Таблица 3

Марка цемента	Марка цемента	Температура полимеризации	Время полимеризации
Boneloc	50% метилметакрилат 20% изоборниметакрилат 30% n-децилметакрилат	36°С	11:00
Cemex RX	100% метилметакрилат	44°С	13:20
Sulfix-6	85% метилметакрилат 15% бутилметакрилат	48°С	10:50
Palacos R	100% метилметакрилат	56°С	10:40
CMW3	100% метилметакрилат	65°С	10:50
Simplex	100% метилметакрилат	69°С	11:50

При введении цемента в ткани в организме могут происходить как местные, так и общие реакции. Высокая температура при полимеризации цемента может сопровождаться повреждением контактирующей с цементом или имплантатом кости, особенно за счет денатурации белковых структур костной ткани. При температуре цементной мантии 72°С некроз кости возникает практически немедленно. Температура, равная 60°С, вызывает некроз через 5 секунд воздействия, 55° С - через 30 секунд, 47°С - через 1 минуту. Фирмы-производители изыскивают возможности снижения температурного воздействия на ткани. Общая реакция организма за счет токсического действия цемента заключается в кратковременном снижении артериального давления, транзиторной брадикардии. Эта реакция более выражена при использовании низковязкостных сортов цемента.

Дозировка смешивающих компонентов следующая: 10 мл жидкого компонента и 20 г порошкообразного, или соответственно 20 и 40 мл на 40 и 80 г порошка. Смешивать можно в открытой посуде плоской ложкой или в специальном вакуумном смесителе. Качество смешивания лучше в смесителе, но и время полимеризации цемента зависит от температуры окружающей среды и скорости смешивания.(см. таблица 4)



Таблица 4

Температура воздуха в операционной, °С	Готовность цемента при открытом смешивании, мин	Готовность цемента при вакуумном смешивании, мин
24	3	3,5
16	8	7,5



5. Печатькальций-фосфатных протезов на 3dпринтере

Технологию создания имплантатов из кальций-фосфатного соединения разрабатывает магистрант Томского политехнического университета Никита Торопков. Первые полученные образцы показали, что материал максимально идентичен человеческой костной ткани, является неотторгаемым и прост в изготовлении.

Кальций и фосфор - это основные элементы, из которых состоит костная ткань. Если имплантат сделан из кальций-фосфатного соединения, то организм принимает его «за своего» и не отторгает. Магистранту Томского политеха удалось сделать из этого соединения плотный и одновременно пористый материал, очень близкий по структуре к костной ткани.

«Сама по себе идея использования кальций-фосфатного соединения для науки не новость. Но была серьезная проблема: традиционным методом лазерного спекания из порошка кальций-фосфата нельзя было получить плотный образец, соединения просто разлагались. Поэтому это соединение нашло в наше время применение в качестве покрытия на титановые имплантаты, чтобы повысить их приживаемость в организме. Можно сказать, что этот отличный материал отодвинули на задворки. Мы решили воспользоваться аддитивными технологиями, проще говоря, 3D-печатью. Печать методом послойной наплавки позволила нам сделать первые образцы», -- рассказывает Никита Торопков.

По его словам, на сегодняшней день в России еще нет полноценной технологии получения материалов для регенеративной медицины из кальций-фосфата. Над развитием таких технологий активно работают зарубежные ученые.

Кроме того, материал является биоразлагаемым. После выполнения своей функции имплантат на его основе должен замещаться костной тканью и растворяться без остатка. Сейчас проект находится на стадии медицинских исследований. Ученые из Сибирского государственного медицинского университета уже проверили материал на нетоксичность. Следующим этапом станут исследования на лабораторных животных.



Заключение

Выбор материала для протезов является важной предоперационной стадией, определяющий успешность замены кости, на сегодняшний день изученно несколько вариаций замены костного материала. Материалы могут варьироваться взвасимости от разных факторов как физиологических так и материальных, В связи с частыми случаями дефектов костей встречающимися в медицинской практике дальнейшее изучения материалов протезирования костей имеет немаловажное значение в современной медицине.



Список используемой литературы

1.Середа А.П.//Эндопротезирование тазобедренного сустава. Ответы на все вопросы ,2014- С 129.

2.Наука и техника: Технологии и разработки:НОВЫЙ СПОСОБ ПЕЧАТИ ПРОТЕЗОВ КОСТЕЙ НА 3D-ПРИНТЕРЕ ПРЕДЛОЖЕН В ТОМСКЕ.[Электронный ресурс]режим доступа к журн.:http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=110588#.WEw-pt_VvfJ

3.Фарбер Б. С., Витензон А. С., Морейнис И. Ш.// Теоретические основы построения протезов нижних конечностей и коррекции движения. -- М.: ЦНИИПП, 1994. -- 645c

4.Кужекин А. П.// Конструкции протезно-отопедических изделий. -- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. -- 240c

Размещено на Allbest.ru