Биоматериалы для замещения костной ткани, Структура и свойства биологической костной ткани - История создания и развития биоматериалов
Структура и свойства биологической костной ткани
Знание физических, химических, и механических свойств твердых тканей весьма важно, так как определяет необходимые количественные параметры для изготовления имплантатов искусственной кости. Биологические твердые ткани (кость и зубы) являются керамико-органическими композитами со сложной микроструктурой.
Структура кости. Кость, как ткань, имеет многоуровневую композиционную структуру (Рис. 8). Главными составляющими кости являются коллаген (~ 20 масс. %), фосфат кальция (~ 69 масс. %), и вода (~ 9 масс. %).
Рис. 8 Строение трубчатой кости.
Кроме этого имеются и другие органические составляющие: протеины, полисахариды, а также в малых количествах липиды. Коллаген, который может рассматриваться как матрица, существует в виде микроволокон.
Отдельные коллагеновые волокна трудно наблюдать из-за их сетеподобного расположения. Диаметр коллагенового микроволокна изменяется от 100 до 2000 нм.
Фосфат кальция, находясь в форме кристаллического ГА и/или аморфного фосфата кальция (АКФ), обеспечивает жесткость кости. Кристаллы ГА существуют в форме пластин или игл и имеют размеры около 40-60 нм в длину, 20 нм в ширину, и 1.5-5 нм в толщину. Они уложены параллельно коллагеновому волокну, так, что большее измерение кристаллов совпадает с длинной осью волокна. Минеральная фаза, существующая в кости - не дискретное скопление кристаллов ГА, она скорее состоит из непрерывной фазы, что доказывается очень хорошей прочностью кости после полного удаления органической фазы.
Механические свойства кости. Коллаген - податливый материал с относительно высокой прочностью, низким модулем упругости, и другими характерными для полимеров свойствами. Неорганические компоненты, т. е. кристаллы ГА, обеспечивают кости соответствующую жесткость. Как керамико-органический композит, кость проявляет высокую прочность и относительно высокий модуль упругости. Высокая прочность и трещиностойкость кости обусловлена ее сложной микроструктурой.
Разрушение кости происходит при деформациях свыше 3 %. Жесткость кости, увеличивается с увеличением содержания минеральной составляющей. Повышенная прочность и трещиностойкость кости объясняется, главным образом, ее иерархической структурой, которая останавливает трещины уже после небольшого их продвижения. Главными механизмами упрочнения, по всей видимости, являются отклонение трещины границами раздела, и вытягивание волокон.
Механические свойства плотной кости человека приведены в табл. 1. В случае губчатой кости, модуль Юнга (измеренный при сжатии) и прочность при сжатии находятся в диапазонах 1-2 ГПа и 1-100 МПа, соответственно. С увеличивающейся плотностью кости, и модуль Юнга и прочность при сжатии значительно увеличиваются. Механические свойства кости в значительной степени зависят от влажности, направления приложения нагрузки, и вида кости. С увеличивающимся уровнем минерализации кости прочность увеличивается. Кроме того, прочность и другие механические свойства кости зависят от ориентации коллагенового волокна, плотности кости, пористости, молекулярной структуры и расположения составляющих ее кристаллов апатита в пределах коллагеновой матрицы. Прочность кости значительно уменьшается с возрастом.
Таблица 1.
Механические свойства плотной человеческой кости.
Направление испытаний относительно оси кости | ||
Параллельно |
Перпендикулярно | |
Прочность при растяжении, МПа |
124-174 |
49 |
Прочность при сжатии, МПа |
170-193 |
133 |
Прочность при изгибе, МПа |
160а | |
Прочность при сдвиге, МПа |
54 | |
Модуль Юнга, ГПа |
17.0 -18.9 |
11.5 |
Работа образования трещины, Дж/м2 |
6000 (низкая скорость деформации) | |
98 (высокая скорость деформации) | ||
Трещиностойкость, МПаМм1/2 |
2-12а |
А - Направление измерения не указано.
Химический состав неорганической фазы костных тканей. Очень важным моментом для синтеза биоматериалов на основе ГА является химический состав минеральных элементов твердых тканей (кости или зуба).
Согласно табл. 2, неорганическая фаза, существующая в твердых тканях, содержит преимущественно Са2+ и P, значительное количество Na+, Mg2+, K+, а также CO32-, FП, CIО и Н2О.
Применение в соответствующих количествах этих элементов будет хорошо восприниматься в составе имплантата окружающими тканями.
Таблица 2.
Сравнение состава и физических свойств неорганической фазы эмали, дентина и кости у взрослого человека.
Состава |
Эмаль |
Дентин |
Кость |
Кальций, Са2+ b |
38.13 |
36.71 |
36.51 |
Фосфор, как Р |
17.7 |
16.9 |
15.2 |
Натрий, Na+ b |
0.5 |
0.6 |
0.9 |
Магний, Mg2+ b |
0.44 |
1.23 |
0.72 |
Калий, К+ b |
0.08 |
0.05 |
0.03 |
Карбонат, как СО32- с |
3.5 |
5.6 |
7.4 |
Фтор, FО b |
0.01 |
0.06 |
0.03 |
Хлор, ClО b |
0.30 |
0.01 |
0.13 |
Пирофосфат, Р2О74- |
0.022 |
0.10 |
0.07 |
Всего неорганики (минералов) |
97.0 |
70.0 |
65.0 |
Всего органики d |
1.5 |
20.0 |
25.0 |
Н2О |
1.5 |
10.0 |
10.0 |
Присутствуют: Sr2+, Pb2+, Zn2+, Cu2+, Fe3+ и т. д. |
А Масс. %.
B Образец в виде золы.
С Образец не сжигался.
D Основной органический компонент: эмаль - неколлагеновый; дентин и кость - коллагеновый.
Похожие статьи
-
Свойства биоматериалов - История создания и развития биоматериалов
Высокие достижения в медицине и инженерных науках сделали возможным применение искусственных материалов (биоматериалов) в наших телах. Биоматериалы - это...
-
Введение - История создания и развития биоматериалов
Актуальность темы исследования . Основная черта нового тысячелетия - возрастающий интерес к повышению качества и увеличению продолжительности...
-
Шелк, а точнее шелковая нить - продукт, получаемый из коконов тутового шелкопряда. Технически, коконная нить представляет собой две элементарные нити...
-
Биоматериалы, Этапы становления биоматериалов - История создания и развития биоматериалов
Этапы становления биоматериалов По мере развития технологий и науки, происходило развитие и биоматериалов, и способы их использования. Биоматериалами...
-
Сплав Д1 - относится к числу дюралюминов. Такой вид сплавов обладает достаточно высокой прочностью, пластичностью и относится к числу нормальных...
-
Серый чугун. Свойства, марки и области применения - Технологии машиностроения
Наиболее широкое распространение в литейном производстве получил сплав железа с углеродом и кремнием, известный под названием серого чугуна. Этот чугун...
-
Физико-механические свойства углепластиков - Свойства и применение углепластиков
Уровень свойств углепластиков зависит от характеристик применяемых углеродных волокон, вида и текстурной формы армирующего наполнителя, упругопрочностных...
-
Введение, Структура и свойства бумаги - Выбор и свойства бумаги
В данной контрольной работе мной предложена следующая классификация бумаги. Классификация по применению отвечает особенности целлюлозно-бумажной...
-
Свойства титана Титан - металл серого цвета. Он имеет две полиморфные модификации. Отличительными особенностями являются хорошие механические свойства,...
-
Полиэтилентерефталат обладает высокой механической прочностью и ударостойкостью, устойчивостью к истиранию и многократным деформациям при растяжении и...
-
Факторы, формирующие качество шелковой ткани, Сырье - Экспертиза качества шелковой ткани
Сырье Шелк, а точнее шелковая нить - продукт, получаемый из коконов тутового шелкопряда. Технически, коконная нить представляет собой две элементарные...
-
Для технологического процесса изготовления пластмасс наиболее важны физические и механические свойства пластических масс. В связи с этим рассмотрим...
-
Структура сплавов - Характеристика и структурные методы исследования металлов
Строение металлических сплавов зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, их образующие. Под структурой, как уже указано ранее,...
-
Основные сведения - Свойства и применение углепластиков
Углепластики - композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс ПКМ получил в последние годы наиболее...
-
Основную часть сортамента нераспыляемых газопоглотителей как отечественного, так и зарубежного производства составляют высокотемпературные...
-
Основой большинства современных легированных сталей является феррит, легированный одним или несколькими элементами. Легирование феррита сопровождается...
-
Целью данного исследования являлось определение фазового состава титан-ванадиевого сплава до и после вакуумного спекания и изучение возможных изменений,...
-
Состав материалов должен обеспечивать получение в отливке заданных физико-механических и физико-химических свойств; свойства и структура должны быть...
-
Алюминиевые бронзы - Термообработка деталей и инструментов
Алюминиевые бронзы - сплавы на основе меди, в которых главным легирующим элементом является алюминий. Применяют двух - и многокомпонентные сплавы....
-
Композиционные материалы - Неметаллические материалы
Композиционные или композитные материалы - материалы будущего. После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их...
-
Что такое чугун? Применения чугуна. - Чугун и сталь
Чугун -- сплав Fe (основа) с С (обычно 0...0 %), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, Р), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V. А0 и др.); как...
-
Сырье, необходимое для производства стеновых блоков - Производство шлакоблоков
- вяжущее вещество (цемент низких и высоких марок и медленнотвердеющий гипс); - наполнитель (песок, щебень, кирпичный бой, опилки, торф, зола, керамзит,...
-
Резервуар предназначен для работы в условиях Крайнего Севера, Западной Сибири и Дальнего Востока. Для этих районов характерны длительные периоды с...
-
Битум -- это продукт черного цвета с плотностью около единицы, с низкой тепло - и электропроводностью. Он прекрасно противостоит воздействию различных...
-
Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, каждое из них зависит от особенностей внутреннего строения материала. Материаловедение как...
-
Исходя из области применения радиопоглощающих полимерных материалов, можно утверждать, что наряду с радиофизическими характеристиками огромное значение...
-
Производство - Экспертиза качества шелковой ткани
Образование полотна ткани происходит путем переплетения двух систем нитей продольной (основа) и поперечной (уток). Последовательность операций...
-
Пластическими массами (пластмассами) называются материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров. Они обладают рядом ценных свойств:...
-
В абсорберах с подвижной насадкой легкие насадочные тела поддерживаются током газа во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии. В качестве насадочных тел...
-
Достоинства и недостатки карбона - Свойства и применение углепластиков
Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкоймногоэтапной технологией, дорогими...
-
Свойства алюминия Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений. Алюминий обладает малой плотностью, хорошими...
-
Стальной аппарат с мешалкой. Он состоит из корпуса и перемешивающего устройства с приводом. Корпус! включает в себя: цилиндрическую обечайку с приварным...
-
Свойства меди Медь - металл красновато-розового цвета, медь менее тугоплавка, чем железо, но имеет большую плотность. Медь обладает хорошей...
-
Показатели качества, принимаемые при экспертизе шелковой ткани - Экспертиза качества шелковой ткани
Потребительские свойства шелковых тканей определяются их естественными свойствами, которые удовлетворяют как личные, таки общественные потребности людей....
-
Вырабатываемые шелковые ткани должны по своим качественным показателям соответствовать разработанным и утвержденным стандартам. Это ГОСТы и ОСТы,...
-
Применение углепластиков - Свойства и применение углепластиков
Углепластик (карбон) имеет невероятно широкую сферу применения. Углеродные материалы и изделия из них можно встретить в самых разнообразных отраслях...
-
1) Согласно [4, с.24] основная пряжа I-го сорта вырабатывается по кардной системе прядения. 2) Основные физико-механические свойства основной пряжи...
-
При изготовлении данного изделия необходимо применять плечевые накладки и подокатники. Плечевые накладки - накладки, используемые для придания четкой,...
-
Выше отмечалось, что класс нераспыляемых газопоглотителей отличается большим разнообразием. В связи с этим представляется целесообразным провести их...
-
Цель данного исследования состояла в изучении структуры и формы частиц титан-ванадиевого сплава, а также в определении наличия и состава примесей в этом...
Биоматериалы для замещения костной ткани, Структура и свойства биологической костной ткани - История создания и развития биоматериалов