Материалы медицинской электроники

1. Материалы медицинской электроники

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИКОБИОЛОГИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

2. Совместимость материалов с биологическими средами

Организм резко отрицательно реагирует на контакт с инородным
телом, и если последнее введено внутрь организма, он стремится
выделить, отторгнуть его.
Независимо от того, какова природа этого инородного тела, т.е.
является ли оно биологической субстанцией, металлом или
синтетическим веществом, в любом случае добиться благоприятного
взаимодействия и приемлемого сосуществования обеих сред, т.е.
того, что называют биосовмсстимостью, является задачей в высшей
степени непростой.
Проблема БИОЛОГИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ охватывает
как влияние биологической среды на материал, так и воздействие
материала на окружающие ткани.
Требования, которые предъявляются к материалам для конкретного
медико-биологического применения, должны учитывать как
природу и состояние тканей организма, с которыми осуществляется
контакт, так и длительность контакта.

3. Биосовместимость, общие требования

1. Биологическая совместимость материала и среды, в которой он
должен функционировать (отсутствие токсических реакций, аллергии,
антигенного ответа, денатурации белков и т.д.).
2. Гемосовместимость и тромборезистентность материала предполагает
исключение возможности разрушения клеточных элементов крови,
тромбозов и тромбоэмболий.
3. Контакт абиотического материала с тканями и средами организма не
должен вызывать опухолеобразования.
4. В зависимости от специфики применения, материал должен обладать
бактерицидным действием; быть стойким к истиранию и разрушению в
среде организма, способным к образованию диффузных пленок; служить
в качестве адсорбента или носителя кислорода и соответствовать
многим другим требованиям.
5. Стабильность функциональных свойств материала в течение времени,
необходимого для конкретного случая применения.
6. Возможность стерилизационной обработки с целью соблюдения
правил санитарии и гигиены без изменения свойств и формы материала
или изделия.

4. Контроль биосовместимости

В настоящее время во многих странах существуют стандарты, устанавливающие критерии, которые позволяют контролировать изделия
для медицинского применения на их безопасность. Исходя из этих
критериев, проводят определенные физические испытания и химические анализы (в частности, на содержание тяжелых металлов).
Среди методов лабораторно-клинических исследований отметим
следующие испытания материалов:
реплантация;
культура ткани;
свертывание крови;
Испытания экстрактов материалов:
быстрая интоксикация;
кожные реакции;
испытания на пирогенные вещества;
испытания на гемолиз.

5. Контроль биосовместимости

Тестирование и оценка по данным предусмотренных ГОСТами испытаний
являются обязательными для материалов медицинского назначения. Однако
получение положительных оценок при лабораторных исследованиях не означает, что данный материал может быть квалифицирован как биосовместимый.
Так, испытания на свертывание крови осуществляются обычно in vitro и по всем
показателям сильно отличаются от контактирования с кровью in vivo.
Исключительные сложности представляют испытания in vivo:
ввиду очень больших расхождений получаемых данных;
из-за трудностей, связанных с объективной интерпретацией и выражением
результатов;
эти испытания требуют длительного времени и значительных материальных
вложений. Изучение биосовместимости абиотических материалов с живыми
тканями обусловливает необходимость исследования тонких гистоморфологических и биохимических процессов при их взаимодействии.
Поэтому необходимым является предварительный анализ in vitro. Однако
создание in vitro аналоговой модели, имитирующей биологическую систему,
представляет исключительные трудности. Часто приходится сталкиваться с
невозможностью найти взаимно коррелирующие зависимости между
наблюдениями и их результатами in vitro и in vivo.

6. Токсичность материалов

Металлы.
Свинец, бериллий и ртуть вызывают интоксикацию организма с болезненными проявлениями. Все медицинские материалы проходят контроль
на их содержание (допустимая концентрация ≈ 10-4 %).
Пероральное и внутривенное введение кобальта безвредно, он практически не абсорбируется и быстро выводится. При использовании никеля и
хрома возможно возникновение дерматитов и канцерогенеза.
Не токсичны титан и тантал. Молибден малотоксичен, он выделяется из
организма очень быстро и практически нигде не накапливается.
Серебро быстро накапливается в организме и называется аргирозом.
Отравление серебром, как острое, так и хроническое, возможно после
приема лекарств, содержащих препараты серебра. Местный аргироз может
быть, например, в глазу, где часто накапливается серебро.
Абсорбция вольфрама при приеме внутрь в кишечнике незначительная,
обычно он накапливается в костной ткани или селезенке и приводит к
незначительной системной токсичности.
Давно установлена способность тканей прорастать в поры материала.
Например, прорастание костной ткани в пористые титановые
имплантаты.

7. Токсичность материалов

Полимеры и пластмассы
Реакции тканей на полимерные материалы менее изучены.
Не проявляют признаков токсичности силиконовая резина, полипропилен,
полиэтилен низкого давления, политетрафторэтилен, полистирол, поливинилхлорид, растворимые в воде эфиры целлюлозы и др. полимеры.
Токсичными являются мономеры и катализаторы, используемые в процессе
полимеризации. Эти вещества могут присутствовать и в конечном продукте –
полимерах. Радикалы формальдегида являются умеренно токсичными при
вдыхании или попадании на кожу. Формальдегид используется в качестве
стерилизанта и компонента ряда пластмасс. Он может вызвать раздражение
слизистой оболочки глаз, отек легких.
Степень токсической реакции организма на полимеры зависит от физических
форм имплантата. Действия жидкого или твердого полимера совершенно
различны. Так, что при длительном пребывании поливинилхлоридных
катетеров в организме они вызывают нежелательные явления. Токсические
проявления связывают с действием пластификаторов – органических веществ с
низкой молекулярной массой, которые могут выделяться из полимера в
окружающие ткани.

8. Гемосовместимость

Наиболее важным аспектом биологической совместимости материалов
является их сродство с кровью. Например, применение аппаратов «сердце –
легкие» или искусственной почки вызывает необходимость отвода крови из
организма и создания внеорганной циркуляционной цепи, а это чревато
опасностью свертывания крови в той или иной ее части цепи. Катетеризация
кровеносных сосудов (для исследования состояния их поверхности или
измерения кровяного давления) часто сопровождается образованием тромбов,
которые облепляют катетер и в конечном счете закупоривают сосуд.
Способность крови свертываться и препятствовать тем самым геморрагии
(кровотечению) при травмировании сосудов – одно из проявлений естественного регулирующего механизма, в частности адаптационной способности
организма к внешним воздействиям. Однако при диагностировании, лечении с
применением абиотических материалов и в других случаях такое свойство
крови вызывает нежелательные последствия.
К биосовместимым относятся и такие материалы, которые способствуют
быстрейшему свертыванию крови, и такие, которые, наоборот, антитромбогенны, т. е. материалы диаметрально противоположного назначения.

9. Опухолеобразование

Еще в 1941 г. Тарнер обнаружил, что диск из фенолформальдегида (бакелит),
подкожно имплантированный крысе, через 2 года вызвал образование опухоли. Т.е., инородный материал в живом организме может вызвать новообразования и злокачественные изменения в окружающих тканях.
Опухоль – это ткани, рост которых не соответствует росту нормальных тканей и продолжается после того, как исчезает необходимость роста. Доброкачественные опухоли являются локализованными, неагрессивными образованиями в отличие от злокачественных, которые способны метастазировать и
быстро расти, захватывая окружающие ткани. Причинами образования опухолей являются физические, химические и биологические раздражители. При
образовании опухолей возникают изменения в структуре и составе клетки:
изменяется митоз ядра и объем цитоплазмы.
Из всех химических веществ в канцерогенезе наиболее активными являются
углеводные соединения. Некоторые металлические порошки и соли металлов
при введении животным вызывают образование опухоли. Например, порошок
кобальта или никеля может способствовать возникновению саркомы у крыс.
Механизм действия канцерогенных веществ остается неясным.
Для превращения нормальной клетки в опухолевую требуется определенное
время. Продолжительность скрытого периода зависит от вида опухоли и может
составлять до 5-15 лет у человека.

10. Стабильность функциональных свойств материалов

Живая материя ставит крайне жесткие условия для контактирующего с нею материала. Изменение свойств материалов под ее влиянием
является, как проблемой биосовместимости, так и проблемой надежного выполнения требуемых функций.
Коррозия металлов. Большинство металлов в агрессивной среде
подвержены коррозии. Определить реакцию тканей на материал,
продукты его коррозии, а также степень повреждения материала
достаточно трудно. Гистологически установлено, что металлы проникают в ткани из имплантата и поглощаются клетками, хотя присутствие металла в тканях не означает, что это металл имплантата.
Опасной для организма может быть коррозия металлов и очень
трудно количественно установить степень коррозии, при которой
металл может быть определен как неподходящий для данного применения. Одновременное применение в качестве имплантатов разных
металлов может быть причиной гальванической коррозии и
отравления ее продуктами.

11. Стабильность функциональных свойств материалов

Разрушение полимеров. Распад полимеров в агрессивной среде происходит
с химическим изменением полимерной цепи. Факт распада обычно определялся
только по изменению механических свойств, однако ни причины, ни процессы, приводящие к этому, систематически не изучались. Факторы, влияющие на разрушение
полимеров in vitro, не являются активными в организме. Температура ~ 37 °С много
ниже предела, при котором начинается тепловое разрушение полимеров. Материал,
находящийся в организме, не подвергается действию ионизирующего или светового
излучения, кислорода или озона.
Остаются только гидролиз; реакции с окислительной средой организма и со
свободными радикалами; распад под воздействием энзимов и при инфицировании;
влияние микроб-ной флоры. Нет прямых доказательств существования окислительных реакций в жидких средах организма и наличия ферментов, которые катализируют реакцию расщепления углерод-углеродных связей – единственно экспериментально доказанную реакцию. Т.е. реакция полимеров с водой или с гидроксильными
группами (ОН) является наиболее важной.
Известно, что органические материалы могут разрушаться различными микроорганизмами. Биоизнос может быть определен как нежелательное изменение свойств
материалов, вызванное жизнедеятельностью микроорганизмов, находящихся в
наших тканях.

12. Стерилизационная обработка

Медицинские материалы не должны терять свои функциональные свойства
при стерилизационной обработке термическими, химическими и радиационными
методами. Стерилизация практически не влияет на свойства металлов, изменение же
свойств неметаллических материалов могут быть значительными.
Стерилизации сухим паром (при +190 °С) неприемлема для большинства термопластов, так как вызывает их размягчение и деформацию. Для них используют
химические методы стерилизации смесями жидких или газообразных реагентов.
Если материал не может быть простерилизован указанными способами, применяют ультразвуковое или радиационное излучение. Обычно применяется гаммарадиация радиоактивного изотопа 60Со или электронная бомбардировка. Эти два
метода дают примерно одинаковый эффект. Стерилизация ионизирующими излучениями достигается прямым действием на нуклеиновые кислоты микроорганизмов,
особенно на ДНК, либо взаимодействием радиации и химической структуры
молекул. В результате разрушаются молекулы, способные к химическим реакциям с
нуклеиновыми кислотами микроорганизма.
ПВХ, полиэтилен, полистирол, нейлон и полиэтилентерефталат можно стерилизовать радиоактивным методом. У других полимеров, например у политетрафторэтилена, даже при малых дозах радиации происходит ухудшение механических
свойств, особенно ударной вязкости, что может быть обусловлено разрывом
молекулярных цепей.

13. Механические свойства биологических тканей

Биологическая ткань – система клеток и межклеточных структур, объединенных
общей функцией, строением и происхождением. У нее анизотропные свойства отличные от свойств отдельных компонентов, которые зависят от функции ткани.
Изучение механических свойств биотканей значительно сложнее, чем обычных конструкционных материалов. При испытании последних необходимо
учитывать механические факторы: вид испытания, скорость деформирования,
продолжительность нагружения, ориентацию образцов относительно осей
анизотропии, форму и размеры образцов, температуру и др.
При испытании биологических образцов необходимо, кроме того, учитывать:
биологические функции и степень их активности, расу, пол, возраст, вид и
степень патологических изменений. Например, прочность ряда тканей и
органов увеличивается до 20 лет и после этого начинает убывать.
Ряд биоконструкций является саморегулирующимися системами. Например,
в наиболее нагруженных местах кости откладывается дополнительное костное
вещество. Под влиянием механических воздействий в биотканях органов и
систем появляются механические движения, распространяются волны,
возникают деформации и напряжения, отражающие поведение биологической
системы в целом. Поэтому большая часть экспериментальных исследований на
образцах, удаленных из организма (in vitro), устанавливает пассивное механическое поведение, а не функциональное действие ткани в организме (in vivo).

14. Механические свойства биотканей

Наименование ткани
σ