Реферат: Материалы в биологических средах

Наука, которая раскрывает глубокие закономерности взаимодействия между биологической, т. е. живой материей, и абиотической – неживой субстанцией, является тем фокусом, где концентрируются наиболее актуальные вопросы современного естествознания.

Дата добавления на сайт: 01 ноября 2024

Скачать работу 'Материалы в биологических средах':

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный Исследовательский Томский Политехнический УниверситетНаименование института – Институт неразрушающего контроля
Наименование направления – Биомедицинская инженерия
Наименование кафедры – Промышленной и медицинской инженерии
Реферат
По дисциплине Материаловедение
Материалы в биологических средах
Выполнил:
Студент гр.1Д90
Проверил:
Преподаватель
Томск 2011

Введение
Наука, которая раскрывает глубокие закономерности взаимодействия между биологической, т. е. живой материей, и абиотической – неживой субстанцией, является тем фокусом, где концентрируются наиболее актуальные вопросы современного естествознания. В данном реферате, мы сформулируем и проанализируем основные требования к абиотическим материалом, обеспечивающие их безопасное применение в медицине. Такие как биологическая совместимость, стабильность функциональных свойств и возможность стерилизационной обработки при помощи существующих методов.

Требования, предъявляемые к материалам для медико-биологического применения
Требования, которые предъявляются к материалам для конкретного медико-биологического применения, должны учитывать как природу и состояние тканей организма, с которыми осуществляется контакт, так и длительность контакта. Кроме того, необходимо принимать во внимание характер контакта — внешнее воздействие либо внутритканевое использование (временное или постоянное). Сформулировать требования к каждому конкретному случаю не представляется возможным, материалы должны соответствовать требованиям, обусловленным спецификой их применения.
Самые общие требования, предъявляемые к материалам для медико-биологического применения, могут быть сформулированы следующим образом.
Биологическая совместимость материала и среды, в которой он должен функционировать (отсутствие токсических реакций, аллергии, антигенного ответа, денатурации белков и т.д.). Особое значение имеет гемосовместимость и тромборезистентность материала, исключение возможности разрушения клеточных элементов крови, тромбозов и тромбоэмболий. Контакт абиотического материала с тканями и средами организма не должен вызывать опухолеобразования.
Кроме того, в зависимости от специфики применения материал должен обладать бактерицидным действием; быть стойким к истиранию и разрушению в среде организма, способным к образованию диффузных пленок; служить в качестве адсорбента или носители кислорода. Материал должен соответствовать и многим другим требованиям.
Стабильность функциональных свойств материала в течение времени, необходимого для каждого конкретного случая применения.
Возможность стерилизационной обработки с целью соблюдения правил санитарии и гигиены без изменения свойств и формы материала или изделия.
Биологическая совместимость
Проблема биологической совместимости охватывает как влияние биологической среды на материал, так и воздействие материала на окружающие ткани.
Биологически совместимые материалы необходимо проектировать на молекулярном уровне. Начальной стадией такого проектирования является определение молекулярной совместимости тех или иных материалов с биологической субстанцией» т.е. анализ того, насколько гладко протекает «взаимное привыкание» этих сред.
Организм резко отрицательно реагирует на контакт с инородным телом, и если последнее введено внутрь организма, он стремится выделить, отторгнуть его.
Независимо от того, какова природа этого инородного тела, т.е. является ли оно биологической субстанцией, металлом или синтетическим веществом, в любом случае добиться благоприятного взаимодействия и приемлемого сосуществования обеих сред, т. е. того, что называют биосовместимостью, является задачей в высшей степени непростой.
Реакции организма на токсическое воздействие разнообразны. Прежде всего это возможность появления явно патологических процессов и состояний — некробиотические процессы, воспалительные реакции, патологическое возбуждение нервной системы, вплоть до судорог, или патологическое торможение, вплоть до комы н параличей, и другие выраженные клинические, морфологические и функциональные признаки.
Проявлениями воспалительной реакции организма на внешнее воздействие являются боль, чувство жара, покраснение, припухлость и нарушение функций пораженного участка. При этом наблюдаются изменения температуры тела, частоты дыхания и пульса, артериального давления, иммунологических реакций, состава крови (цветовой показатель, гемоглобин, эритроциты, лейкоциты и др.).
Экспериментальные исследования влияния токсических воздействий различных факторов (в том числе и материалов медицинского назначения) проводят на животных: мышах, крысах, морских свинках, кроликах, кошках, собаках. Разработаны методики моделирования интоксикаций и методы исследования функций всистем органов (нервной и сердечно-сосудистой систем, печени, почек) и репродуктивных функций живых организмов, подвергнутых интоксикации. Однако полученные результаты далеко не всегда удается адекватно перенести на человеческий организм.
Изучение биосовместимости абиотических материалов с живыми тканями обусловливает необходимость изучения тонких гистоморфологических и биохимических процессов при их взаимодествии.
В настоящее время в России и других странах существуй ГОСТы, устанавливающие критерии, которые позволяют контролировать изделия для медицинского применения с точки зрения их безопасности. Исходя из этих критериев, проводят определенные физические испытания и химические анализы (в частности, на содержание тяжелых металлов). Среди методов лабораторно-клинических исследований отметим следующие:
1)испытания материалов:
•реплантация;
•культура ткани;
•свертывание крови;
2)испытания экстрактов материалов:
•быстрая интоксикация;
•кожные реакции;
•испытания на пирогенные вещества;
•испытания на гемолиз.
Тестирование и оценка по данным предусмотренных ГОСТами испытаний являются обязательными для материалов медицинского назначения. Однако получение положительных оценок при лабораторных исследованиях еще не означает, что данный материал может быть квалифицирован и зарегистрирован как биосовместимый.
Клеточные реакции на инородные тела
Любой инородный материал, находящийся в ране, влияет на процессы ее заживления. В табл. 1 приведены основные форменные элементы крови, участвующие в развитии воспалительной реакции тканей и сред организма в ответ на введение абиотического материала.
Табл.1 Форменные элементы крови, участвующие в развитии воспалительной реакции биологических тканей и сред, контактирующих с инородными материалами.
Название клеток Физиологические особенности
Эритроцит Красная кровяная клетка
Фибропласт Клетка соединительной ткани, содержащая в цитоплазме жировые включения
Гигантские клетки инородного тела
Многоядерные клетки Большие клетки, происходящие из макрофагов в присутствии инородного тела
Большие клетки, имеющие несколько ядер
Гистиоциты Большие фагоцитарные интерстициальные клетки, образующие часть ретикулоэндотелиальной системы
Лейкоциты Любые бесцветные амебовидные клетки, включающие в основном белые кровяные тельца
Лимфоциты Обычно маленькие кровяные тельца
Моноциты Большие кровяные клетки
Полиморфно-ядерные лейкоциты Большие кровяные клетки амебовидные с неправильными ядрами
Макрофаги Название больших моноядерных блуждающих фагоцитарных клеток, образующихся в тканях
Соеденительно-тканные клетки Клетки с малоизвестными физиологическими функциями
Моноядерные клетки Любые клетки с одним ядром
Фагоцитирующие фиксированные свободные клетки Любые клетки, поглощающие микроорганизмы, другие клетки или инородные частицы, или фиксированные клетки ретикулоэндотелиальной системы, свободные полиморфно-ядерные лейкоциты и макрофаги
Плазматические клетки Сферические или эллипсовидные клетки, функционально вовлеченные в синтез гамма-глобулинов
Круглые клетки Любые клетки, имеющие округлую форму, особенно лимфоциты
Обычно полиморфно-ядерные лейкоциты накапливаются вокруг инородного тела, затем появляются макрофаги. Эти клетки видны на (рис.1,а). В некоторых случаях они становятся очень большими, достигая в диаметре нескольких микрон, что позволило назвать их гигантскими клетками инородного тела (рис.1,б). Они имеют большое количество ядер, стремящихся локализоваться, в цитоплазме отмечаются частицы инородного материала в случае благоприятных условий. Эти гигантские клетки часто организуются таким образом, чтобы прилегать к инородному телу, в то же время появление гигантских клеток является деятельностью фибробластов. В результате это инородное тело окружается фиброзной тканью. В некоторых случаях, когда материал имплантата физически и химически абсолютно инертен, реакция не отличается от обычного заживления раны. Макрофаги, которые появляются в начале реакции заживления, могут не образовывать гигантских клеток инородного тела, и в конце концов образуется только несколько утолщенный фиброзный шов. Часто он менее васкуляризирован и содержит меньше клеточных элементов. В результате этой реакции тканей инородное тело окружается капсулой из фиброзной ткани, что рассматривают как наиболее благоприятный исход, так как материал в этом случае оказывается практически вне организма и дальнейшие реакции отсутствуют.
При воспалительном процессе предполагается и сосудистая реакция на раздражитель. Различают острое и хроническое воспаление. В первом случае имеется экссудация жидкости, появление клеток в тканях в ответ на раздражение. Хроническое воспаление включает локальные клеточные изменения и отсутствие экссудата, хотя к некоторых случаях оба вида воспаления трудно различить.
На клеточную реакцию оказывают влияние химическое, механическое, тепловое воздействие инородного материала, а также его форма в размеры.
Токсичность материалов
Металлы. При попадании свинца, бериллия и ртути возникает интоксикация живого организма с болезненными проявлениями. Поэтому все применяемые в медицине материалы проходят тщательный контроль на содержание этих металлов (допустимая концентрация -10-4%).
Пероральное и внутривенное введение кобальта безвредно, т.к. он практически не абсорбируется и быстро выводится. Большая часть оставшегося кобальта накапливается в печени и почках.
При использовании чистого никеля возможно возникновение дерматитов и канцерогенеза. Во всех работах отмечается отсутствие токсичности титана и тантала.
Молибден считается малотоксичным металлом, выделяется из организма очень быстро и практически нигде не накапливается.
Серебро накапливается в организме довольно быстро, главным образом в ретикулоэндотелиальной системе. Накопление серебра в тканях называется аргирозом. Такое явление весьма опасно для организма и возникает при работе с этим металлом. Отравление серебром, как острое, так и хроническое, возможно после приема лекарств, содержащих препарат серебра. Местный аргироз может быть например, в глазу, где часто накапливается серебро.
Абсорбция вольфрама при приеме внутрь в кишечнике незначительная, в большинстве случаев металл накапливается в костной ткани или селезенке. У человека накопление вольфрама приводит к незначительной системной токсичности.
Таким образом, любое проявление токсичности, связанное с применением имплантата, обусловлено медленным рассредоточением металла в организме. Работы последних лет указывают на возможность тканей прорастать в поры материала. Отмечено вполне хорошее прорастание костной ткани в пористые титановые имплантаты. При изменении степени чистоты обработки поверхности не обнаружено выраженных изменений в реакциях тканей.
Полимеры. Реакции тканей на полимерные материалы менее изучены по сравнению с реакциями на металлы.
Среди материалов, которые не проявили признаков токсичности при введении через рот испытуемым животным, можно назвал силиконовую резину, полипропилен, полиэтилен низкого давления, политетрафторэтилен, полистирол, поливинилхлорид, растворимые в воде эфиры целлюлозы и сходные материалы.
Токсичными для живых организмов являются мономеры и катализаторы, используемые в процессе полимеризации. Эти вещества могут присутствовать и в конечном продукте — полимерах.
Радикалы формальдегида являются умеренно токсичными веществами при вдыхании или попадании на кожу. Формальдегид используется в качестве стерилизанта и компонента ряда пластмасс. Он может выгнать раздражение слизистой оболочки глаз, отек легких.
Степень токсической реакции организма на полимеры зависит от физических форм имплантата. Действия жидкого или твердого полимера совершенно различны.
Имеются сообщения о том, что при длительном пребывании поливинилхлоридных катетеров в организме они вызывают нежелательные явления. Токсические проявления связывают с действием пластификаторов -органических веществ с низкой молекулярной массой, которые могут выделяться из полимера в окружающие ткани.
Обычно макромолекулы чистых полимеров с большой молекулярной массой обладают малыми токсическими свойствами. Чем больше молекулярная масса полимера, тем меньшей способностью к растворению в тканях и жидкостях организма обладает полимер, тем его токсические свойства меньше.
Гемосовместимость
Наиболее важным аспектом биологической совместимости материалов является их сродство с кровью. Пока кровь протекает по естественным сосудам, никаких проблем не возникает. Однако применение аппарата «сердце — легкие» или искусственной почки сразу же вызывает необходимость отвода крови из организма и создания вне органной циркуляционной цепи, а это чревато опасностью свертывания крови в той или иной части цепи. Так, катетеризация кровеносных сосудов (для исследования состояния их поверхности или измерения кровяного давления) часто сопровождается образованием тромбов, которые облепляют катетер и в конечном счете закупоривают сосуд.
К биосовместимым относятся и такие материалы, которые способствуют быстрейшему свертыванию крови, и такие, которые, наоборот, антитромбогенны, т. е. материалы диаметрально противоположного назначения.
Инородные материалы, находящиеся в контакте с кровью, могут оказывать на нее вредное воздействие. Наиболее сильное — тромбообразованне, или гемокоагуляция. Возможно также снижение срока жизни красных кровяных телец, разрушение тромбоцитов и абсорбция или денатурация белков. Некоторые из реакций взаимодействия инородной поверхности и крови (протеинов, эритроцитов н тромбоцитов) также являются стадиями тромбообразования.
У большинства материалов (полипропилен, политетрафторэтилен, натуральная резина, полиэтилентерефталат) время тромбообразования изменяется от 8 до 13 мин. Силиконовая резина менее тромбогенна — время тромбообразования составляет около 20 мин. Отметим, что изучение процессов тромбообразования чрезвычайно затруднительно, поскольку очень сложно изучать явление в динамике. Поэтому реальные условия тромбообразования на поверхности материалов исчерпывающим образом еще не истолкованы.
Имеется три категории тромборезистентных поверхностей:
1)гепаринизированные поверхности;
2)поверхности с анионным радикалом;
3)поверхности относительно инертных материалов.
К относительно инертным материалам, проявляющим хорошие тромборезистентные свойства, принадлежат пироуглерод, фторированная силиконовая резина, сегментированный полиуретан и его производные, гидрон (полигидрооксиэтиленметакрилат) и стеллит (сплав кобальта, хрома и никеля), особенно если он обработан металлографической жировой полировкой.
Опухолеобразоваиие
Еще в 1941 г. Тарнер обнаружил, что диск из фенолформальдегила (бакелит), подкожно имплантированный крысе, через 2 года вызвал образование опухоли. Это было первым наблюдением, показавшим, что материал, имплантированный в живой организм, может вызвать новообразования и злокачественные изменения в окружающих тканях.
Опухоль — это ненормальная масса тканей, рост которых не соответствует росту нормальных тканей и продолжается после того, как исчезает необходимость роста. Опухоли могут быть злокачественными и доброкачественными. Последние являются локализованными, неагрессивными образованиями в отличие от злокачественных, которые способны метастазировать и быстро расти, захватывая окружающие ткани, и являются, таким образом, значительно более враждебными. Причины образования опухолей многочисленны, к ним относятся физические, химические и биологические раздражители.
Из всех химических веществ в канцерогенезе наиболее активными являются углеводные соединения. Некоторые металлические порошки и соли металлов при введении животным вызывают образование опухоли. Например, порошок кобальта или никеля может способствовать возникновению саркомы у крыс.
Хотя абиотические вещества применяются в медицине (в том числе в качестве протезов) уже длительное время, проблема канцерогенеза не возникала. Однако если используемые материалы канцерогенны, то опухоль может быть обнаружена у человека через 15-20 лет. В то же время не исключено, что полученные данные не имеют к человеку никакого отношения, а являются следствием подверженности грызунов опухолевым заболеваниям.
Коррозия металлов
Большинство металлов, находящихся в агрессивной среде, в той или иной степени подвержены коррозии. Гистологически установлено, что металлы проникают в ткани из имплантата и поглощаются клетками. С другой стороны, присутствие металла в тканях не означает, что это металл имплантата. Например, содержащие железо клетки могут аккумулировать эндогенное железо при кровотечениях.
Материал некоторых металлических имплантатов имеет тенденцию растворяться в организме. Это происходит путем очень медленной диффузии металла через пассивную пленку окисла без повреждения последней. Опасные последствия для организма может иметь часто встречающаяся трещиновая коррозия металлов.
На практике очень трудно количественно определить степень коррозии, при которой металл может быть определен как неподходящий для конкретного применения. Нержавеющая сталь, например, подвержена коррозии, но тем не менее остается одним из наиболее популярных материалов для внутритканевого использования.
Одновременное применение в качестве имплантатов разных металлов может быть причиной гальванической коррозии. Один изспособов, который можно использовать для уменьшения поверхностной коррозии между металлическими деталями, — введение инертных пластмассовых прокладок между ними.
Разрушение полимеров
Пластмассы, как и металлы, подвержены воздействию окружающей среды. Однако реакции, которые при этом возникают, отличаются от процессов, происходящих с металлами.
Металл подвергается коррозии — электрохимическому процессу, приводящему к переходу от металлического состояния к...

Похожие материалы:

Реферат: Лазерное излучение в биологических исследованиях

Лекция: Предмет, история и основные этапы развития эпидемиологии. Место и роль эпидемиологии в современной системе медико-биологических наук

Статья: О клинико-биологических корреляциях при алкоголизме

Реферат: Функции биологических мембран. Ионные каналы мембран

Реферат: Материалы песочной терапии