Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.)
Saved in:
| Published in: | Вісник НАН України |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87249 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) / С.О. Фірстов // Вісник Національної академії наук України. — 2015. — № 8. — С. 20-23. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860195520843087872 |
|---|---|
| author | Фірстов, С.О. |
| author_facet | Фірстов, С.О. |
| citation_txt | Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) / С.О. Фірстов // Вісник Національної академії наук України. — 2015. — № 8. — С. 20-23. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вісник НАН України |
| first_indexed | 2025-12-07T18:08:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
20 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 8
НОВІ МАТЕРІАЛИ
БІОМЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
Стенограма наукової доповіді на засіданні
Президії НАН України 3 червня 2015 року
Вельмишановні члени Президії НАН України!
Шановні присутні!
Створення нових матеріалів біомедичного призначення пере-
буває на стику таких пріоритетних напрямів розвитку науки
і техніки, як науки про життя, нові технології профілактики
та лікування найпоширеніших захворювань і нові речовини
й матеріали. Цей новітній науковий напрям має дуже широку
сферу застосування: від машинобудування до, так би мовити,
людинобудування.
І хоча серед затверджених основних напрямів наукових до-
сліджень Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Фран-
цевича (ІПМ) НАН України біомедичного матеріалознавства
офіційно немає, проте науково-дослідні роботи біомедичного
спрямування зосереджено на розробленні: остеотропних мате-
ріалів та виробів з них для ортопедії, стоматології, онкології;
біодобавок та носіїв лікарських препаратів; нових біосумісних
сплавів титану, танталу; біоактивних покриттів для титанових
імплантатів; виробів терапевтичного призначення. Завдяки
горизонтальним зв’язкам з цілою низкою медичних установ,
вищих навчальних закладів медичного спрямування, у тісній
співпраці з академічними інститутами відповідного профілю
нам вдалося отримати вагомі результати. Наведу лише кілька
окремих прикладів.
В Інституті на основі термостабілізованої вуглецевої тка-
нини розроблено термоковдри для підтримання необхідної
температури в діапазоні 37—42 °С під час операцій, при пере-
охолодженні, при транспортуванні хворих та потерпілих у разі
надзвичайних ситуацій. Створено електроди для апаратів фі-
зіо терапії з еластичної графітизованої тканини. Для пружинок
кардіостимуляторів замість платинового сплаву запропонова-
но сплави систем Ta—Ti і Ta—Hf, які характеризуються висо-
ФІРСТОВ
Сергій Олексійович —
академік НАН України,
заступник директора Інституту
проблем матеріалознавства
ім. І.М. Францевича НАН України
ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 8 21
З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ
кими механічними властивостями, рентгено-
контрастністю та низьким електроопором.
Далі я докладніше розповім про створення
нових матеріалів для остеоімплантатів. Кіст-
кові імплантати можна умовно поділити на дві
групи: 1) імплантати, що зазнають значних на-
вантажень, та 2) імплантати, які використову-
ють у місцях, що не зазнають навантажень.
Щороку в Україні ендопротезування сугло-
бів потребують 40—50 тис. хворих. Операцій із
заміни суглобів на сьогодні виконується в 10
разів менше від необхідної кількості, що зу-
мовлено різними причинами, у тому числі й
недостатнім розвитком виробництва якісних
вітчизняних ендопротезів. Вартість імпортних
ендопротезів коливається в межах 4—6 тис. $,
досить високовартісними є також комплекти
інструментів для операцій. Крім того, спостері-
гається відносно високий відсоток ревізійних
операцій унаслідок недостатньої біологічної та
механічної сумісності матеріалів і компонентів
протеза, накопичення продуктів тертя шарнір-
ної пари тощо. Ми маємо прогресивні технічні
рішення багатьох із цих проблем, зокрема нові
матеріали для забезпечення біосумісності та
необхідних механічних властивостей; високо-
ефективні методи комбінованої обробки ти-
тану; комп’ютерне моделювання напруженого
стану пари кістка — імплантат для оптиміза-
ції параметрів ендопротезів; остеокондуктив-
ні та остеоіндуктивні покриття. Проведене в
установах НАН України ретельне вивчення
конструкцій ендопротезів, матеріалів для ви-
готовлення їх компонентів, причин асептично-
го розхитування, а також доробок зі створення
ендопротезів нового покоління дають підстави
для організації виробництва надійних конку-
рентоспроможних вітчизняних ендопротезів.
Що стосується нових матеріалів для компо-
нентів протезів, то кістковий імплантат пови-
нен мати такі основні властивості, як хімічна
біосумісність, механічна біосумісність, остео-
кондуктивна, а в ідеальному випадку остео-
індуктивна поверхня, толерантна конструкція
з урахуванням напружень, які виникають у
кістці. Зазвичай для імплантації широко ви-
користовують нержавіючі аустенітні сталі, на-
приклад ОЗХ17Н14МЗ або 12Х; сплави на ко-
бальтохромовій основі, приміром ХК62М6Л;
титан (ВТ1-00, ВТ1-0) та титановий сплав Тi-
6Аl-4V типу ВТ6. Однак ці металеві матеріа-
ли містять елементи, які тією чи іншою мірою
можуть бути шкідливими для організму. Так, є
токсичні елементи, не дуже корисні та «добрі»
елементи — Pt, Ta, Nb, Zr, Ti (рис. 1).
Інша проблема — механічна біосумісність.
Справа в тому, що модуль Юнга — величина,
що характеризує пружні властивості речо-
вин під час розтягу, для кісток становить 12—
13 ГПа, для сталі — близько 220 ГПа, а для ти-
тану — 110 ГПа. Отже, важливим завданням є
наближення пружності матеріалів ендопроте-
зів до пружності кісток, оскільки тоді і кістка,
і імплантат деформуються на згин приблизно
однаково, і за меншого значення модуля Юнга
відбувається повноцінне передавання зусилля
на кістку, що запобігає її ушкодженню.
Ще одним новітнім спрямуванням дослі-
джень є титанові «чавуни» і титанові «сталі».
Подібність фазових перетворень у системах
Fe-C та Ti-Si дає змогу застосовувати майже
всі технології, розроблені для сплавів на осно-
ві заліза, до сплавів на основі титану, потрібне
лише додаткове легування. Ми розробили Ti-
Si-Zr-сплави з β-стабілізаторами (Nb, Ta), які
характеризуються модулем Юнга 50—90 ГПa.
Термомеханічна обробка таких сплавів забез-
Рис. 1. Біосумісність окремих елементів, що входять
до складу матеріалів компонентів ендопротезів
22 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 8
З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ
печує їх достатню міцність на рівні 1100 МПа,
без необхідності здійснювати відносно дорогу
наноструктуризацію. Втомна довговічність
цих сплавів перевищує довговічність найпо-
ширенішого для ендопротезування сплаву
ВТ6, який до того ж містить «погані» елементи
Al та V. Антикорозійні властивості сплавів сис-
теми Tі-Nb-Sі також значно вищі, ніж сплавів
типу ВТ6. Ми навчилися робити з таких спла-
вів прутки діаметром 20 і 16 мм з досить при-
йнятними механічними властивостями і нама-
гаємося робити власне імплантати. Крім того,
до складу цих сплавів входить кремній, який
є одним з найважливіших мікроелементів жи-
вого організму. Кремній пришвидшує загоєння
ран, сприяє засвоєнню кальцію, магнію, калію
(у разі дефіциту Si більшість елементів засво-
юються організмом неправильно або не засво-
юються взагалі). При переломах наш організм
збільшує вміст Si в кістках у 50 разів. Кремній
активізує стовбурові клітини, надає синтетич-
ним матеріалам остеоіндуктивних властивостей.
Спільно з фахівцями Центру морфологіч-
них досліджень Сумського державного уні-
верситету ми провели серію експериментів, у
яких показали, що у канавках шурупа з Tі-Nb-
Sі-сплаву грубоволокниста кісткова тканина
з’являється вже через 3 місяці після імплан-
тації, на відміну від шурупа з ВТ6, у канавках
якого впродовж 6 місяців спостерігалася лише
фіброзна тканина, а навколо нього — пухка
грубоволокниста тканина, що погіршувало
фіксацію шурупа в кістці. Проте найкращих
результатів удалося досягти при використанні
імплантатів з гідроксіапатитним покриттям.
У канавках шурупа з таким покриттям замість
фіброзної капсули утворювалася грубоволок-
ниста кісткова тканина, а вже за місяць навко-
ло імплантату спостерігалися трабекули плас-
тинчастої кістки, на третьому місяці регенерат
відповідав повноцінній кістковій тканині.
Відомо, що вироби з титану погано поліру-
ються, однак в Інституті надтвердих матері-
алів ім. В.М. Бакуля НАН України спільно з
науковцями Фiзико-механiчного інституту
ім. Г.В. Карпенка НАН України було розро-
блено спеціальну технологію, яка дозволяє
утворити приповерхневий зміцнений шар.
При цьому тертя зменшується на 25 %, а зно-
шення — в 2,6 раза. Після проходження шляху
тертя 200 км, що відповідає ~23 млн циклів на-
вантаження/розвантаження, зносу титанового
компонента не виявлено.
Важливим завданням є організація виробни-
цтва спеціальних ендопротезів великих сугло-
бів людини. Наприклад, імпортований ендо-
протез колінного суглоба коштує від 17 тис. $.
У зв’язку з різким погіршенням економічної
ситуації, за деякими оцінками, лише 10 % хво-
рих, які потребують протезування, зможуть
придбати імпортні ендопротези. Тому єдиний
вихід із цього становища — розвивати власне
виробництво. Уже проведено певні наукові й
конструкторські роботи і є попередні домов-
леності з налагодження виробництва спеціаль-
них ендопротезів великих суглобів людини на
виробничих потужностях Державної акціонер-
ної холдингової компанії «АРТЕМ» (Київ).
Розрахунки свідчать, що вартість вітчизняного
ендопротеза колінного суглоба людини не по-
винна перевищити 4—5 тис. $ без урахування
вартості хірургічного інструментарію.
Щодо розроблення остеокондуктивних і ос-
теоіндуктивних покриттів. Остеокондуктив-
ність — це забезпечення вростання тканини за
рахунок пористості поверхні, остеоіндуктив-
ність — властивість, що стимулює кісткоутво-
рення. Основні вимоги до таких покриттів по-
лягають у тому, що адгезія покриття до основи
має гарантувати неможливість його відшару-
вання, а біоактивність покриття повинна забез-
Рис. 2. Імплантати з пористим покриттям
ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 8 23
З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ
печити його індуктивність, тобто стимулюван-
ня вростання повноцінного регенерату в пори
покриття. Цим вимогам відповідає розроблена
нами гранульна технологія отримання високо-
пористих покриттів для ендопротезів (рис. 2).
Для виготовлення імплантатів, які викорис-
товуються в місцях, що не зазнають наванта-
жень, з метою відновлення цілісності і функ-
ції втрачених фрагментів кісткової тканини
застосовують остеотропні матеріали на осно-
ві біоактивної кальційфосфатної кераміки. За
статистикою, число пацієнтів із захворюван-
нями кісткової тканини досягає 50 % від кіль-
кості населення віком понад 50 років. Постійно
зростає також число молодих людей з патологі-
ями кісткової тканини. За даними українських
стоматологів, практично в кожного пацієнта,
що звертається з приводу відновлення зубно-
го ряду, спостерігаються зони великого розрі-
дження кісткової тканини й кісткові дефекти.
І тут у пригоді стають остеотропні синтетичні
матеріали, які поки що через новизну процеду-
ри використовуються дуже рідко.
Матеріали на основі кальційфосфатної ке-
раміки мають високу біологічну сумісність за-
вдяки подібності до мінеральних компонентів
кісткової тканини. Згодом у них відбувається
заміщення імплантату повноцінною кістковою
тканиною. Такі матеріали характеризуються
можливістю регулювання швидкості резорб-
ції та характеру взаємодії з організмом, з них
можна формувати вироби складної форми,
вони добре зберігаються і багаторазово стери-
лізуються.
Сферами застосування біоактивної керамі-
ки є черепно-щелепно-лицьова хірургія, сто-
матологія, пародонтологія, ортопедія, трав-
матологія, онкологія, офтальмологія, ендо-
кринна хірургія. Зараз випускаються кісткові
імплантати на основі керамічного гідроксіапа-
титу та трикальційфосфату «Біомін», біоло-
гічно активна добавка «Остеїн». Уже зроблено
більш як 500 ортопедичних операцій, близько
400 операцій з імплантації орбітальних імп-
лантатів, 30 тис. стоматологічних і щелепно-
лицьових операцій. Крім того, перспективним
напрямом вважають використання біоактив-
ної кальційфосфатної кераміки як матриці в
біоінженерних конструкціях. Дослідження іn
vіtro клоногенної активності стовбурових стро-
мальних клітин кісткового мозку людини, про-
ведені нами спільно з Інститутом хімії поверх-
ні ім. О.О. Чуйка НАН України та Інститутом
травматології та ортопедії НАМН України,
показали, що в разі використання таких ма-
триць ефективність клонування збільшилася
в 63 рази порівняно з контролем і в 31 раз по-
рівняно з ксенотрансплантатом. Це відкриває
широкі можливості для відновлення великих
ділянок втраченої кістки. Інвестиційно при-
вабливим є також використання біоактивної
кераміки як носія лікарських препаратів для
пролонгованої їх дії та локальної доставки в
патологічну зону. Аналогів цієї розробки у сві-
ті немає.
Коротко зупинюся на проблемі підготовки
висококваліфікованих кадрів. Наш Інститут
дуже плідно співпрацює з факультетом біоме-
дичної інженерії НТУУ «КПІ». Співробітники
ІПМ НАН України читають курси лекцій, про-
водять семінари та лабораторні заняття, керу-
ють виконанням бакалаврських, магістерських
та аспірантських робіт. Випущено кілька під-
ручників і навчальних посібників з біомедич-
ного матеріалознавства.
Отже, дослідження в галузі розроблення
нових біосумісних титанових сплавів, кальцій-
фосфатної кераміки, методів їх отримання та
оброблення створюють передумови для орга-
нізації виробництва нового покоління вітчиз-
няних імплантатів. Частину розробок (вироби
та препарати з кальційфосфатної кераміки)
вже доведено до практичного застосування,
вони мають усю потрібну дозвільну докумен-
тацію і досить широку клінічну апробацію. Ви-
робництво надійних вітчизняних ендопроте-
зів, доступних для українських пацієнтів, по-
верне до повноцінного життя тисячі інвалідів,
прикутих до ліжка, які не мають можливість
придбати імпортні дорогі та не завжди якісні
ендопротези.
Дякую за увагу.
За матеріалами засідання
підготувала О.О. МЕЛЕЖИК
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87249 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0372-6436 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:08:32Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Фірстов, С.О. 2015-10-16T14:19:07Z 2015-10-16T14:19:07Z 2015 Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) / С.О. Фірстов // Вісник Національної академії наук України. — 2015. — № 8. — С. 20-23. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87249 uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України З кафедри Президії НАН України Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) Article published earlier |
| spellingShingle | Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) Фірстов, С.О. З кафедри Президії НАН України |
| title | Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) |
| title_full | Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) |
| title_fullStr | Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) |
| title_full_unstemmed | Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) |
| title_short | Нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 3 червня 2015 р.) |
| title_sort | нові матеріали біомедичного призначення (стенограма наукової доповіді на засіданні президії нан україни 3 червня 2015 р.) |
| topic | З кафедри Президії НАН України |
| topic_facet | З кафедри Президії НАН України |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87249 |
| work_keys_str_mv | AT fírstovso novímateríalibíomedičnogopriznačennâstenogramanaukovoídopovídínazasídanníprezidíínanukraíni3červnâ2015r |