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. %).

строение трубчатой кости

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




Биоматериалы для замещения костной ткани, Структура и свойства биологической костной ткани - История создания и развития биоматериалов

Предыдущая | Следующая