Применение керамических материалов в медицине02.09.2015 14:07

Материаловед Владимир Комлев о четырех типах материалов, методах их приготовления и синтетических аналогах костной ткани человека

Можно задаться вопросом: какие типы материалов используются в медицине? Условно их разделяют на четыре. Первый тип — это гранулированные материалы. Почему гранулированные материалы, я скажу немного позже, на данный момент хотелось бы просто перечислить типы материалов. Первый — это гранулированные материалы. Второй — это объемные материалы. Третий — так называемые инъекционные материалы, или, если говорить про керамику, это кальцийфосфатные цементы, или, если говорить про полимеры, это, допустим, различные гелевые композиции. Четвертый тип материалов — совмещение всех этих типов, это так называемые композиционные материалы.

Вернемся к первому типу материалов — гранулированная керамика, или, как медики их называют, чипсы, гранулы, агломераты и так далее. Почему она до сих пор используется в медицинской практике? Потому что есть дефект. Он нерегулярной геометрии, но он должен быть полностью заполнен, иначе при неполном заполнении дефекта, то есть его полном замещении, восстановления этого костного дефекта не может быть. Поэтому используют гранулированную керамику, которой можно заместить полностью весь дефект. Но в этих случаях используют достаточно, так сказать, небольшие объемы, то есть некритического размера — это приблизительно 1–2 см³ в объеме. Надо сказать, что есть различные виды гранулированных материалов, допустим, сферической формы, нерегулярной геометрии. И до сих пор неясно, какой тип из этих материалов более интересен для использования в хирургической практике. Хотя, нужно отметить, коммерческие материалы на основе гранулята достаточно широко распространены как остеопластические материалы для рутинных клинических применений.

Второй тип материалов — это так называемые объемные материалы. Больше гранулята, определенной формы. Для этих материалов используют различные технологии, например шликерную технологию, когда создается какая-то определенная форма в керамике и после по этой форме просто выливается шликер, термически обрабатывается — получается объемный материал. Но, как известно, любой дефект является нерегулярной геометрией, поэтому очень сложно создать такую форму без каких-то определенных новых технологий, которые развиваются сейчас. В том числе данное направление широко распространяется для создания объемных больших материалов — это аддитивные технологии, или технологии трехмерной печати. Можно создать материал, его форму и по этой форме создать объем костного дефекта.

Третий тип материалов — это жидкие материалы. Например, в случае кальцийфосфатной керамики наиболее яркий пример — кальцийфосфатные цементы. Условно кальцийфосфатные цементы разделяются также на два типа: так называемый брушитовый и апатитовый. Исторически они были созданы и разработаны достаточно недавно — в 70-х годах прошлого века. Чем же различаются брушитовый и апатитовый цемент? Очень просто. Брушитовый цемент по своей природе является достаточно хрупким, его прочность не достигает более 10 мегапаскалей при сжатии. В свою очередь, наоборот, апатитовый цемент достаточно высокопрочный, и его прочность может достигать 40–50 мегапаскалей, то есть в несколько раз выше брушитового. Другое различие между этими двумя материалами: апатитовый цемент более стабилен и служит для фиксации каких-то мелких элементов при остеосинтезе, при этом брушитовый цемент наиболее биодеградируемый, биорастворяемый и замещаемый тканью. Таким образом, существует два различных типа.

Третий яркий пример жидких материалов — это, конечно, гелевые композиции. С развитием персонализированной медицины наиболее часто востребованы материалы, которые можно инъектировать в организм пациента без хирургических вмешательств. То есть просто под контролем УЗИ, допустим, можно проводить операцию, замещение дефекта без каких-то обширных хирургических вмешательств. Это впоследствии влияет на реабилитацию, восстановление данного пациента. Это третий тип материалов.

Четвертый тип материалов — это так называемые композиты, которые могут быть различными по своим физико-химическим характеристикам, по своим параметрам. Это, можно сказать, определенная смесь предыдущих трех классов материалов. В основном используются композиционные материалы. Идут широкие разработки в этом направлении. Но, к сожалению, каких-то коммерческих типов композиционных материалов навскидку я не могу, допустим, представить. При этом, если вернуться к гранулируемым материалам, их спектр достаточно широк. На рынке в основном представлены, конечно, зарубежные материалы, но их спектр достаточно широк. Более 100–150 компаний представлено для таких материалов. В свою очередь, композиционные материалы не имеют какого-то коммерческого интереса.

Можно резюмировать, что материалы условно делятся на четыре класса и у каждого из них есть определенные преимущества при клиническом применении.

Есть какие-то технологические способы и методы их изготовления. То есть для гранулированной керамики применяется один метод изготовления. Для изготовления объемных материалов предпочтительно использовать на данный момент — и это развивается достаточно широко — трехмерную печать. При использовании кальцийфосфатных материалов в виде цементных или гелевых технологий используются другие подходы, но при этом у них тоже есть какие-то определенные преимущества.

Вернемся к керамическим материалам и изготовлению керамики. Многие спрашивают: вот керамика и керамика… есть грануляция, есть порошок, и тоже считается, что это керамика. Итак, я хотел бы здесь немножко акцентировать внимание на общих принципах создания керамических материалов, так сказать, провести вводную, что же такое керамический материал и как его получают. Можно это сравнить, конечно, с обжигом горшков и посуды при создании керамической посуды. То есть вначале синтезируется исходный порошок. При создании этого порошка могут быть применены различные методы синтеза. Допустим, при синтезе кальцийфосфатных материалов используют гетерофазный синтез, синтез из растворов, твердофазный синтез и таким образом получают порошок. Этот порошок сушат, обрабатывают, промалывают через сито, чтобы получить определенную морфологию, дисперсность и так далее. Таким образом, у нас в руках получается порошок.

Теперь стоит задача сделать из этого порошка керамику. Есть традиционные методы, которые в керамической технологии подразумевают термическую обработку. То есть создается определенная заготовка, допустим, с использованием шликера или с использованием определенной модели. На начальной стадии вы консолидируете этот порошок путем введения каких-то связующих. Эта заготовка впоследствии помещается в печь, в которой происходит процесс спекания, термической обработки или обжига, другими словами, происходит консолидация порошков, и мы получаем керамическое изделие. Традиционно керамические изделия изготавливаются при высокой температуре, для создания кальцийфосфатной керамики требуется температура 1200–1300 градусов по Цельсию. Таким образом мы получаем материал. Но перед термической обработкой мы задаем ему все структурные параметры. И, контролируя температуру, скорость охлаждения, мы можем создавать различные материалы по различному фазовому составу. Это традиционные технологии.

В последнее время было понятно, что для остеопластических материалов, для имплантатов на основе керамики, для костной пластики, с развитием инженерного подхода стало ясно, что наш организм создает биологический неорганический материал при физиологической температуре, то есть при 37 градусах, около 37 градусов. И о высоких температурах (1200–1300 градусов) не может быть и речи в организме. Поэтому имитируют так называемую природу, иногда это называют биоинспирирование, биоминерализация. Основные области исследований направлены на получение материалов при физиологических температурах. Иногда их называют биометики, гибридные материалы. Что под этим подразумевается? То есть можно проводить при определенных условиях формирование материалов при физиологических температурах. Можно создать керамический материал, но сделать его направленную модификацию, направленный синтез при физиологической температуре. То есть в определенных растворах помещается данный материал, и проводится обработка, так называемая биометика этого материала, что на поверхности образуется биометический слой, который в принципе схож с биологическим апатитом кальция, близок к нему. На данный момент все исследования направлены на создание таких материалов в области материаловедения.

Конечно, есть и высокобиотехнологические подходы, когда используется этот материал, который уже синтезирован при физиологической температуре, и к нему добавляются так называемые органически активные компоненты. Один из ярких примеров, который можно привести в данном случае, — это использование биореакторов. В биореактор помещается данный материал с органическими компонентами — это могут быть клетки, и при определенных условиях, при определенной атмосфере, которая создана в этом биореакторе, происходит образование, дифференцировка клеток в определенную остеогенную линию, которая нужна для определенной операции. И таким образом, композиционный материал наиболее подобен синтетическому аналогу костной ткани человека.

Владимир Комлев