Предпочтительные приемы синтеза

• Высокая воспроизводимость свойств реагентов

• Короткий путь от реагентов к конечному продукту (получение Al2O3 – Y₃Al₅O₁₂ при приложении импульсов тока в 2000 А продолжительностью

несколько миллисекунд)

• Предотвращение кристаллизации промежуточных фаз (закалка расплава, замораживание раствора солей)

• Контроль эволюции системы путем введения темплата в виде кристаллов-затравок или подложки для эпитаксиального роста пленок

• Подавление хаоса с использованием петли обратной связи.

А так же:

Диссипативные структуры как материалы

 

-Клеточные структуры вибропрессованных порошков

-Псевдомонокристаллы, выращенные из движущихся суспензий

 

Схема взаимодействия тепловых, электрическихт и механических явлений в кристаллах

Из книги Ю.И.Сиротин, М.П.Шаскольская «Основы кристаллофизики». М.:Наука, 1979

Основные определения:

• Эволюция – трансформация систем, связанная с их развитием во времени и пространстве

• КСО (консервативная самоорганизация) – результат эволюции системы в

направлении изменения энергии Гиббса,

• ДСО (диссипативная самоорганизация) - результат эволюции системы в

направлении изменения энтропии.

• Равновесные структуры образуются при незначительном отклонении от

равновесия, а диссипативные структуры образуются и сохраняются в

сильно неравновесных условиях благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой.

• Геоэволюция и биоэволюция (переход от неживого к живому) – сложные

процессы, включающие как КСО, так и ДСО (М.Лен), причем во времени

доля КСО падает, а доля ДСО растет. Чем сложнее система, тем сильнее

процессы обмена веществом и энергией, то есть скорость гео- и биоэволюции.

•... Геомимикрия (гидротермальный синтез минералов (Александров)

•... Биомимикрия (биокерамика)

Современные биоматериалы

  Основная черта нового тысячелетия – возрастающий интерес к увеличению качества и продолжительности человеческой жизни. Достижение подобной цели предполагает, в частности, создание материалов для искусственных органов и тканей. За последние 30 лет использовано более 40 различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для лечения, восстановления и замены более 40 различных частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокона, костную ткань. Разработка заменителей костной ткани знаменует, по словам проф. Л. Хенча, революционный этап в развитии человечества: “Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни в

области использования керамики в медицинских целях. Это инновационное

применение специально спроектированных керамических материалов для

замены и лечения больных или поврежденных частей тела” [1]. Эту область

современного материаловедения именуют (не вполне, впрочем, справедливо)

биокерамикой, она охватывает материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочные материалы в стоматологии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, медико-косметические средства. В настоящее время рынок биокерамики имеет емкость ∼2.3 млрд.$, прогнозируемый годовой прирост составляет 7-12 %, объемы требуемых материалов оцениваются на уровне десятков тонн [1,2]. Число больных,

нуждающихся в операциях по восстановлению целостности кости, довольно

велико: для США эта цифра составляет 1 млн. человек и более ежегодно (из

них свыше 300 тыс. – протезирование тазобедренного и коленного суставов,

такой же порядок имеют зубные имплантаты). Динамика продвижения идеи на рынок биоматериалов имеет ряд особенностей, связанных с прохождением

длительных тестов и сертификаций, в силу этого обстоятельства лишь немногие из рассматриваемых ниже материалов могут считаться рекомендованными к применению. Текущее состояние рынка имплантатов может рассматриваться как ожидание массированного вторжения новых идей и материалов.

Биокерамика должно обладать определенными химическими свойствами

(отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми

жидкостями, отсутствие коррозии), механическими характеристиками

(прочность, трещиностойкость, сопротивление замедленному разрушению,

износостойкость), биологическими свойствами (отсутствие реакций со стороны имунной системы, срастание с костной тканью, стимулирование остеосинтеза). По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом:

1) токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте) – большинство металлов;

2) биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные) - керамика на

основе Al₂O₃, ZrO₂;

3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью) - композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция, керамика на основе фосфатов кальция, биостекла. Основной недостаток биоинертной керамики – низкая долговечность вследствие экранирования механических нагрузок, приводящее к резорбции костной ткани, прилегающей к имплантату, и утрату последнего. Тем не менее, подобные материалы, по-видимому, не имеют пока альтернативы, как заменители тазобедренного сустава. К наиболее ярким представителям биоактивных материалов относятся биостекла (наиболее используется состав "45S5": 24.5 % Na2O, 24.5 % CaO, 45.0% SiO2, 6% P2O5; варьируя состав, можно изменять биоактивность стекол и их резорбируемость) и материалы на основе гидроксиапатита (ГАП) – Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (плотная и пористая керамика; ГАП-покрытия на металлических имплантатах; композиты ГАП–полимер, моделирующие, как, например, композит ГАП–коллаген, состав и структуру кости). К сожалению, невысокие механические характеристики подобных материалов не позволяют создавать крупные нагружаемые имплантаты. Перспективы в области разработки биоматериалов связаны с развитием всего спектра имеющейся на сегодня биокерамики. Особый интерес представляют исследования, исповедающие “регенерационный” подход [1], в котором акцент делается не на замещение дефекта имплантатом с подходящими механическими характеристиками, а на быструю биодеградацию материала и замену его костной тканью (т.е. на первое место у таких материалов выходят биологические свойства).

Т.о. биоматериалы необходимы для лечения, восстановления и замены:

• кожных покровов, мышечной ткани

• кровеносных сосудов

• нервных волокон

• костной ткани

– эндопротезы в травматологии и ортопедии

– стоматология (пломбировочные материалы),челюстно-лицевая хирургия

– медико-косметические средства (кремы, пасты)

За последние 30 лет использовано более 40 различных материалов (керамика, металлы, полимеры) для замены более 40 различных частей

человеческого тела.

Требования, предъявляемые к биоматериалам:

 

• химические свойства

– отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми

жидкостями

– отсутствие коррозии, или растворение с контролируемой скоростью

• механические свойства

– прочность

– трещиностойкость

– сопротивление замедленному разрушению(усталости)

– износостойкость

• биологические свойства

– отсутствие реакций со стороны иммунной системы (биосовместимость)

– срастание с костной тканью

– стимулирование остеосинтеза

Отклик организма на имплантат

Если материал токсичный – окружающие ткани отмирают

биоинертный – образуется соединительная

волокнистая ткань

биоактивный – образуется костная ткань

биорезорбируемый – происходит замена материала

костной тканью

 

Перспективны для применения в медицинских целях и углеродные материалы. Так, например, использование материалов на основе композитов туглеродных трубок с полимерами позволяет создавать биосовместимые имплантаты. Упругие модули углеродных материалов близки к костным, а в ходе in vitro тестов не наблюдается ухудшения прочностных свойств [2]. Другой перспективный "кандидат" на роль полного заменителя сустава - углеродный композит, армированный углеродными волокнами. Его механические свойства близки к характеристикам кости. В зависимости от микроструктуры материала, которая легко контролируется в широких пределах, получаю следующие значения энергии разрушения, упругих модулей, прочности на изгиб: 400-2900 Дж/м2, 10-72 ГПа, 100-450 МПа соответственно.

Эти механические параметры соответствуют материалам с размерами дефектов в несколько сот мкм (например, пор диаметром до 120 мкм). Углеродные материалы биосовместимы, более того, можно легко контролировать их резорбируемость. На сегодняшний день углеродные композиты – наиболее вероятные материалы, которые прейдут на замену Тi протезам.

Очень интересным и перспективным является так называемый "регенерационный подход". При этом используются различные материалы

(биодеградируемые полимеры, биоактивные стекла, композиты HAp/CaSO4,

Покрытие из НАр (b), на полимерных волокнах (a) в растворе-аналоге межтканевой жидкости костные клетки и протеины на носителях из HAp, CaSO4 и др.) для стимуляциии ускорения костной регенерации. Правда, данный подход применим лишь кзалечиванию малых дефектов.