Металлические имплантаты

Металлы используются в медицине с глубокой древности. При археологических раскопках античных городов были найдены черепа, в которых костные дефекты были замещены золотыми пластинами. Известны многочисленные попытки применения как благородных металлов, так и различных сплавов железа для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата и в стоматологии. Однако серьезное, осознанное использование металлов в качестве имплантатов, стало возможным лишь в XIX-XX веках, когда наряду с принципами асептики и антисептики были развиты научные подходы к проблеме биосовместимости имплантируемых материалов и созданию адекватных технологий в металлургии (Вильямс, Роуф, 1978; Thull, 1992, 1996). В данной статье основной акцент будет направлен на рассмотрение различных аспектов биосовместимости металлов при их имплантации в ткани и органы. Технологические вопросы будут затрагиваться в самом общем виде, необходимом для целей изложения. 

Металлы в чистом виде представляют собой вещества, обладающие в обычных условиях высокой электро- и теплопроводностью, положительным температурным коэффициентом электросопротивления, термоэлектронной эмиссией, ковкостью и др. Эти свойства обусловлены особенностью их строения. Все металлы и сплавы - тела кристаллические. Их можно представить в виде ионно-кристаллического остова, погруженного в «электронный газ», который компенсирует электростатическое отталкивание ионов, связывая их в твердое тело (металлическая связь). 

Из 106 известных в настоящее время элементов 83 являются металлами. Все металлы и сплавы подразделяются на две группы - черные и цветные металлы. К черным металлам относится железо и сплавы на его основе: стали, которые в зависимости от содержания примесей подразделяют на углеродистые и легированные и чугуны. К цветным металлам относят все остальные металлы и их сплавы (Be, Mg, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg и др.).

В травматологии и ортопедии наиболее часто используются высоколегированные, коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие хорошими биомеханическими свойствами и высокой стойкостью против электрохимической, химической, межкристаллитной коррозии. 

Существует несколько классификаций цветных металлов по их свойствам: по весу - на легкие металлы (Be, Mg, Al, Ni), обладающие плотностью менее 3 г/см³, и тяжелые металлы (Pb, W, Au, Hg) с плотностью выше 3 г/см³; по температуре плавления - на легкоплавкие металлы с температурой плавления до 1500°С (Zn, Cd, Sn, Sb, Hg, Hb, Bi) и тугоплавкие металлы с температурой плавления выше 1500°С (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.); по химической активности - на щелочные (К, Na, Li и др) и щелочноземельные (Са, Mg, Sr, Ва и др.); по распространенности - редкоземельные металлы, актиноиды, лантониды и т.д. (Лахтин, Леонтьев, 1980). 

При попадании в организм металлы подвергаются различного рода воздействиям: сжатию, растяжению, кручению, смещению и изгибу. В результате происходит их деформация с изменением внутренней кристаллической структуры. При этом все процессы протекают в агрессивной биологической среде, представляющий собой электролит с большим количеством ионов хлора и водорода. В результате, в первую очередь на поверхности металла протекают сложные электрохимические, окислительно-восстановительные реакции с образованием разнообразных продуктов и генерированием гальванических токов, которые активно влияют на окружающие ткани. 

А.В. Карпов, В.П. Шахов 

Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики