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 называют материалы, функционирующие в контакте и во взаимодействии с живыми тканями, органами и организмами.

К биоматериалам предъявляется ряд требований, связанный с их специфической функцией. Первые биоматериалы упоминаются еще в древнем мире: около 2000 тысяч лет назад люди стали применять драгоценные металлы - золото, серебро, а в последствии платину в качестве различных имплантатов. Дальнейшее развитие биоматериалов было связано с такими направлениями, как разработки по шовным материалам, контактным линзам, материалам по замещению дефектов костной ткани.

Первые хирургические швы появились в 9,500 - 1000 до н. э. Накладывать швы или стежки, чтобы удерживать человеческую ткань вместе, начали очень давно - согласно книге "Наука о биоматериалах", в период Неолита.

Швы накладывали с помощью кусающихся муравьев.

Древние египтяне использовали для этих целей льняную ткань, в то время как европейцы предпочитали волокна из кишок животных. Примерно тогда же, в Южной Африке и Индии муравьев использовали для лечения ран. Удерживая края раны вместе, они подносили к ним муравьев, клещи которых укусив и будут удерживать рану закрытой.

В 600 до н. э. народ Майя придумывает первый зубной имплант. У Майя был очень оригинальный метод замены больных или выпавших зубов, а именно - вставка кусочка голубой перламутровой ракушки на место зуба (Рис 1). "Эта ракушка твердая и долговечная. А если вставить ее в челюстную кость, она с ней срастется", -- сказала биоинженер Молли Стивенс в "Новом способе выращивания кости".

Рис. 1 Голубая перламутровая ракушка.

Биокерамический костный кальций

В 1829 доктор Генри Леверт начал эксперименты, целью которых было выяснить, могут ли металлы быть использованы в медицинских имплантатах без вреда для здоровья. Согласно "Истории Хирургии в США" (The History of Surgery in the United States), в 21 эксперименте на собаках он протестировал различные металлические крепления, выяснив, что платиновые приживались лучше, чем серебряные, золотые или свинцовые. В течение нескольких последующих десятилетий, хирурги все больше интересовались возможностью использования металлических винтов и пластинок для закрепления кости, вместо шин и корсетов(Рис. 2). Согласно данным медицинской технической компании Zimmer, в 1886 немецкий хирург Х. Хансманн стал первым врачом, которому это удалось.

Рис 2. Металлические винты и пластинки для закрепления кости.

Сейчас, благодаря теориям предыдущего поколения философов и врачей, у современных ученых есть довольно ясное представление о том, что принцип работы сердца напоминает насос. И за этим последовал шквал экспериментов.

В 1881 году французский ученый Етинне Джулс Марси опубликовал проект искусственного сердца - несмотря на это, прошло целых сто лет, прежде чем что-либо подобное было вживлено в человека.

В 1924 году, доктор наук Артур Цирольд Миннеапольский продолжил эксперименты Леверта над собаками и обнаружил, что железо и сталь слишком быстро ржавеют в теле; медь, алюминий и цинк вызывают обесцвечивание тканей; золото, серебро и алюминий также не годятся для использования. В 1926, эксперименты с особым видом нержавеющей стали, проба "18-8", оказались многообещающими.

Открытие технологии ее изготовления позволило начать использование металлов в теле регулярно и по разумной цене. В 1965 профессор Ингвар Бранемарк возглавлял группу исследователей в Университете Гетеборга (Швеция) проводивших исследования, которые, в конечном счете, привели к открытию явления остеоинтеграции (приживления титана в костной ткани).

Исследования Бранемарка были направлены на изучение аспектов восстановления и регенерации кости после травмы. На основании этого явления был сделан вывод о биоинертности титана, а последующие исследования привели к созданию наиболее прогрессивной системы протезирования за всю мировую историю стоматологии и ортопедии.

В качестве корпуса оптической камеры Бранемарк решил использовать титан. Этот металл был обнаружен в 1791, но его чистая форма была получена более чем через 100 лет. Его коммерческое производство требовало развития новых методов механической обработки, чтобы достигнуть той структуры поверхности, которая воспринимается живыми тканями.

Титан обладает высокой стойкостью к химическому воздействию, и является более стойким к коррозии, чем безупречная нержавеющая сталь. Благодаря этим свойствам, чистый титан стал идеальным металлом для экспериментов Бранемарка.

Кроме того, этот металл был рекомендован хирургом-ортопедом Хансом Эмневсом из Лунда, который исследовал различные металлы, используемые в качестве бедренных протезов. Бранемарк получил образец металла, изготовленного Avesta Jernverk, и начал использовать чистый титан для изготовления камер.

Было установлено явление остеоинтеграции титана, которое привело к широкому использованию титана в качестве материала костного имплантата. Бранемарк установил и описал основные принципы полного сращения титановой структуры с костью это - высокая точность компонентов и минимальная травма костной ткани, компоненты должны быть полностью стерильны, чтобы избежать инфицирования.

Титановые имплантаты широко применяются и сегодня, спустя 50 лет. Основной проблемой в применении титана для медицинского назначения является возможная цитотоксичная реакция организма на биоинертный материал.

Во избежание подобной реакции на титановые имплантаты принято наносить биосовместимые покрытия, как правило, включающие в свой состав ионы кальция, фосфора и кислорода стимулирует рост костной ткани (Рис 3).

Рис. 3 Протезы из титановых сплавов.

В годы после окончания Второй Мировой Войны, ассортимент биоматериалов и количество способов их применения необыкновенно возросло. Эта заслуга приписывается двум факторам. Во-первых, большинству военных хирургов были даны неограниченные полномочия на использование новых материалов для спасения жизни пациентов, и многие проявили большую креативность. Во-вторых, пластик стал широко доступным.

Когда война закончилась, врачи заметили несколько очевидных причин для продолжения его использования. Ему гораздо легче придать нужную форму, чем металлу. Он легок и обладает очень низкой реакционной способностью.

Офтальмолог сэр Гарольд Ридли, по окончании Второй Мировой обнаружил, что у многих военных пилотов в глазах были кусочки пластика. Выяснилось, что это - материал от самолета. Однако он не вызывал никаких признаков раздражения или воспаления. В результате, Ридли использовал этот материал для создания внутриглазных линз для лечения катаракты. Первая такая операция была проведена в 1949. Впервые идею использовать контактную коррекцию высказал Леонардо да Винчи в 1508 году. В архиве его работ находится рисунок глаза с заполненной водой ванночкой - прообразом современных контактных линз. В 1888 году А. Фик описал первую стеклянную линзу, обладающую оптической силой.

До 1960-х годов контактные линзы изготавливали только из органического стекла (PMMA). Жесткие PMMA линзы были некомфортны при ношении, вызывали ощущение инородного тела в глазу и не пропускали к роговице глаза необходимый для ее нормального функционирования кислород.

По окончанию второй мировой войны осталось много материала для изготовления парашютов. Хирург Артур Вурхиз стал инициатором их использования для создания первых искусственных сосудов (Рис. 4).

Рис.4 Сосудистая система человека.

Согласно "Науке о Биоматериалах", первая попытка в области протезирования тазобедренных суставов в состоялась в 1891 и была неудачной, а впоследствии, с 1920-х по 1950-е подобные эксперименты и вовсе не проводились (Рис.5).

Хирургу Джону Чарнли, работавшему в бывшем туберкулезном санатории в Англии, удалось усовершенствовать не только материалы, но и саму процедуру в 1961. В то время, как его современники пытались уменьшить трение в суставе с помощью жидкости, Чарнли решил использовать вместе этого скользкие твердые материалы.

Рис. 5 Тазобедренный протез.

В 1957 доктор Виллем Йохан Колфф (до этого он сконструировал первую модель искусственных почек из банок от апельсинового сока и пакетиков из-под сосисок) вживил в собаку искусственное сердце. После операции она прожила всего лишь 90 минут.

Двенадцать лет спустя, хирурги Доминго Лиотта и Дентон Кули использовали искусственное сердце для поддержания жизни человека на время, пока не найдется донор (Рис.6).

Он прожил 64 часа. В то же самое время, Колфф с командой единомышленников продолжал работу по улучшению их конструкции - это заняло у них десятилетия. В 1982, эта модель стала первым искусственным сердцем, перманентно вживленным в человека (дантист из Сиэтла с застойной сердечной недостаточностью). Благодаря этому, его жизнь удалось продлить на 112 дней.

Рис. 6 Искуственное сердце.

Следующий рациональный шаг в сфере биоматериалов -- создание настоящего биологического материала, который подходит для использования в целях лечения и улучшения тела. Пока ученые экспериментировали с выращиванием хрящей и кожи в 1970-х и 1980-х, согласно книге "Основы тканевой инженерии и Регенеративной медицины" сама область вышла на первый план в 1997, после того, как анестезиолог Чарльз Ваканти создал мышь с хрящем, в форме человеческого уха на спине. Клонированная овца Долли стала знаменитостью в том же году (Рис 7).

Рис.7 Получение овечки Долли.

Количество исследований в области выращивания различных тканей стремительно растет.

В 2006 году статьи о хирурге Энтони Атала заняли первые полосы всех газет, после того, как он анонсировал, что, вместе со своей командой в Институте Регенеративной медицины Северной Каролины, вырастил несколько мочевых пузырей из клеток пациентов и успешно вживил эти взращенные лабораторией органы. Они сделали это, взяв маленький кусочек ткани и вырастив вокруг него новые клетки, вне человеческого тела, с помощью искусственного каркаса - процесс, длительностью от шести до восьми недель.

Сама практика тканевой инженерии и выращивания органов по-прежнему еще очень молода - но количество исследований в этой области стремительно растет. В 2013 году, ученый из Университета Йокогама Сити, Япония, провел многообещающий эксперимент, в котором в мышь были помещены искусственно выращенные человеческие клетки печени.

Хирурги в Университете Дьюка успешно имплантировали пациенту созданный биоинженерами кровяной сосуд. А в Австрийской Академии Наук команда ученых сумела вырастить в лаборатории миниатюрный мозг. За 20-30 дней развития в нем сформировались четкие регионы, в том числе, и кора больших полушарий.

Биоматериалы, Этапы становления биоматериалов - История создания и развития биоматериалов

Этапы становления биоматериалов

Похожие статьи