Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

Неорганическая часть кости состоит в основном из фосфата кальция, представленного в виде полностью или частично закристаллизованного гидроксиапатита или аморфного фосфата кальция. Соотношение между аморфной и кристаллической структурой в костной ткани не постоянно и определяется многими факторами, в том числе и возрастными. Кристаллы имеют вид игл длиной 40–60 нм, шириной 20 нм и толщиной 1,5–5 нм. Кристаллы ориентированы параллельно волокнам коллагена (фибриллам). Соотношение кальция и фосфора в минеральной фазе костной ткани колеблется от 1,37 до 1,67. Примеси различных ионов играют важную роль в физиологии костной ткани. Например, ионы магния принимают участие в процессах адгезии клеток, ионыфтора регулируют скорость резорбции(деструкции) костной ткани.

Процесс перестройки костной ткани получил название ремоделирования или «костного оборота» (рис. 4.32). Процесс ремоделирования состоит из трех фаз: резорбции, реверсии и формирования. Соотношение между резорбцией и формированием новой ткани регулируется ионами кальция, метаболитами витамина D, гормонами, инсулином, простогландинами и т.д. Биологический смысл этого феномена состоит в приспособлении механических свойств кости к постоянно меняющимся условиям окружающей среды.

Рис. 4.32. Схема ремоделирования костной ткани

Биоактивную и резорбируемую керамику применяют во всех видах восстановления кости, в частности для изготовления имплантатов, плотно срастающихся с костью (например, при восстановлении кости

136

черепа после операций и травм), имплантатов корней зуба, биологических пломб зуба, при лечении болезней периодонта (околозубной ткани), челюстно-лицевой реконструкции, наращивании и стабилизации челюстной кости, восстановлении позвонков, для эндопротезов слухового аппарата, косметических протезов глаз и др. Резорбируемая керамика позволяет восстанавливать также сухожилия, связки, небольшие кровеносные сосуды и нервные волокна.

В состав биоактивных и резорбируемых керамических материалов входит гидроксиапатит (ГА) либо близкие к нему по составу вещества, образующие в результате взаимодействия с организмом кристаллы ГА на границе раздела имплантата с биосредой.

Характеристики биоактивности определяются в основном химическим, но не фазовым составом материала, хотя фазовое и структурное состояние значительно влияют на прочностные и другие свойства материала. Область составов в системе Na2О–СаО–Р2О5–SiО2, для которых обнаружена биоактивность, ориентировочно составляет, мол. %: 5…17 Р2О5; 20…50 СаО; 20…55 SiО2; 10…50 Na2О. Для биоактивных материалов характерно относительно невысокое содержание SiО2 (< 55 мол. %), высокое содержание Na2О и СаО, большое отношение СаО : Р2О5. Составы, содержащие больше оксида кремния, ведут себя как биоинертные и вызывают образование фиброзной капсулы на границе имплантат–живая ткань. Материалы с уменьшенным количеством кальция являются резорбируемыми и исчезают через 10–30 дней после имплантации.

Для некоторых составов биокерамики, например стеклокерамики Cerabone A/W, прочность прикрепления кости к имплантату превышает прочность кости и биокерамики.

Прочностные характеристики биоактивной керамики существенно уступают свойствам биоинертной: наиболее высокая прочность характерна для беспористого ГА и стеклокерамики Cerabone A/W, но прочность при изгибе и трещиностойкость этих материалов в 5–7 раз ниже, чем у высокопрочной керамики из диоксида циркония. Синтез композитов биоактивная керамика–биополимер позволяет несколько повысить прочность при растяжении и вязкость разрушения, а заодно снизить модуль Юнга, приблизив упругость биоматериала к параметрам кости. Однако изменение механических свойств заметно только при содержании полимера в композите около 50 об. %, когда биоактивность материала существенно снижается.

137

Активно разрабатывается в последние годы новая концепция реконструкции костных тканей, так называемая инженерия костных тканей, которая построена на использовании материалов, постепенно резорбируемых в организме и замещаемых новообразующейся костной тканью. Согласно этой концепции организм сам может восстанавливать поврежденную ткань, если для этого созданы надлежащие условия. А именно, если имеется матрикс соответствующей архитектуры, на котором происходит наращивание ткани, и необходимые стимулы для остеогенеза. Одно из основных требований к материалам матрикса – согласуемость кинетики резорбции с кинетикой остеогенеза. Скорость резорбции можно регулировать варьированием соотношения фаз в бифазных композиционных материалах на основе гидроксиапатита и трикальцийфосфата.

Список литературы

Основная

1.Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / под ред. проф. И.Я. Гузмана. – М.: Стройматериалы, 2003. – 496 с.

2.Поляков А.А. Технология керамических радиоэлектронных материалов. – М.: Радио и связь, 1989. – 200 с.

3.Проблемы порошкового материаловедения. Часть V. Технология производства порошковых ферритовых материалов / В.Н. Анциферов, Л.М. Летюк, В.Г. Андреев [и др.]; под ред. акад. РАН В.Н. Анциферова. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2005. – 408 с.

4.Ротенберг Б.А. Керамические конденсаторные диэлектрики. –

СПб.: Гиреконд, 2000. – 246 с.

5.Третьяков Ю.Д. Химия и технология ВТСП – основные направления развития // Журнал Всесоюз. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. – 1989. – Т. 34, № 4. – С. 436–445.

6.Третьяков Ю.Д. Химические сверхпроводники – спустя 10 лет после открытия // Соровский образовательный журнал. – 1999. – № 3. –

С. 75–81.

7.Выдрик Г.А., Соловьева Т.В., Харитонов Ф.Я. Прозрачная кера-

мика. – М.: Энергия, 1980. – 96 с.

8. Лукин Е.С. Современная высокоплотная оксидная керамика с регулируемой микроструктурой. Ч. VI. Получение оптически прозрачных оксидных материалов // Огнеупоры и техническая керамика. – 1997. – № 7. – С. 4–10.

138

9.Алфимов М.В., Разумов В.Ф. Доклад рабочей группы «Индустрия наносистем и материалов» // Российские нанотехнологии. – 2007. –

№1–2. – С. 12–25.

10.Паринов И.А. Микроструктура и свойства высокотемпературных сверхпроводников: в 2 т. / Ростов. гос. ун-т. – Ростов н/Д: Изд-во Ростов. гос. ун-та, 2004.

11.Гузман И.Я. Некоторые принципы образования пористых керамических структур, свойства и применение // Стекло и керамика. – 2003. – № 9. – С. 28–31.

12.Анциферов В.Н., Порозова С.Е. Высокопористые проницаемые материалы на основе алюмосиликатов / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1996. – 207 с.

13.Porozova S.Ye., Kulmetyeva V.B., Ziganshin I.R. Molding of zirco- nia-based heat-resistant materials with nanoporosity and microporosity // Nanomaterials Yearbook-2009. From nanostructures, nanomaterials and nanotechnologies to nanoindustry. – N.Y.: Nova Science Publishers, 2009. – Р. 145–152.

14.Комоликов Ю.И., Благинина Л.А. Технология керамических микро- и ультрафильтрационных мембран // Огнеупоры и техническая керамика. – 2002. – № 5. – С. 20–28.

15.Хенч Л., Джонс Д. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей / пер. с англ. Ю.Л. Цвирко; под ред. А.А. Лушниковой. –

М.: Техносфера, 2007. – 304 с.

16.Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. – М.: Наука, 2005. – 204 с.

Дополнительная

1.Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / под ред. проф. И.Я. Гузмана. – М.: Стройматериалы, 2003. – 496 с.

2.Композиционные оксидные материалы и сотовые конструкции / В.Н. Анциферов [и др.]; Перм.гос. техн. ун-т. – Пермь, 1999. – 92 с.

3.Проблемы порошкового материаловедения. Ч. II. Высокопористые проницаемые материалы / под науч. ред. В.Н. Анциферова. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2002. – 262 с.

4.Порозова С.Е. Методы получения керамических мембран // Вестн. ПГТУ. Проблемы современных материалов и технологий: сб. науч. тр. /

Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1997. – Вып. 1. – С. 84–92.

139

5.Храмцов В. Д. Метод определения диаметров ячеек и их неоднородности в высокопористых материалах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2003. – Т. 69, № 4. – С. 32–35.

6.Храмцов В.Д. Определение проницаемости высокопористых материалов // Конструкции из композиционных материалов. – 2006. –

Вып. 4. – С. 154–158.

7.Порозова С.Е. Пенокерамический фильтр как фактор воздействия на структуру и свойства доэвтектического силумина // МиТОМ. – 2001. – № 8. – С. 35–37.

8.Порозова С.Е., Кульметьева В.Б. Влияние фильтрации через пенокерамические фильтры на распределение компонентов сплава В124 // Вестник ПГТУ. Проблемы современных материалов и технологий: сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т; НЦ ПМ. – Пермь, 2000. – Вып. 5. –

С. 14–19.

9.Научно-информационный портал ВИНИТИ. S-слои бактерий

иархей, как объект бионанотехнологий. – URL: http://science.viniti.ru.

10.Биомиметика в нанотехнологиях. – URL: http://popnano.ru/analit.

Контрольные вопросы

1.Керамические материалы с изолирующими функциями.

2.Какой оксид входит в состав большинства материалов конденсаторной керамики?

3.На какие группы подразделяют пьезокерамические изделия?

4.Какие керамические материалы можно применять в качестве высокотемпературных нагревательных элементов?

5.Опишите принцип действия полупроводниковых датчиков (сенсорных устройств).

6.Охарактеризуйте твердые электролиты на основе диоксида цир-

кония.

7.Методы синтеза пленок ВТСП.

8.Охарактеризуйте перспективные области применения сверхпроводящих материалов.

9.Какие материалы называют ферритами?

10.На основе каких соединений разработаны известные в настоящее время прозрачные керамические материалы?

11.Области применения прозрачной керамики.

140