Методы синтеза наноматериалов

К настоящему времени разработано большое количество методов и способов получения наноматериалов. Это обусловлено разнообразием состава и свойств наноматериалов, с одной стороны, а с другой – позволяет расширить ассортимент данного класса веществ, создавать новые и, уникальные образцы.

Как правило, формирование наноматериалов возможно при наличии существенных отклонений от равновесных условий существования вещества, что требует создания специальных условий и, зачастую, сложного и оборудования. Совершенствование ранее известных и разработка новых методов получения наноматериалов определило основные требования, которым они должны соответствовать, а именно, метод должен:

·  обеспечивать получение материала контролируемого состава с воспроизводимыми свойствами;

· обеспечивать устойчивость материала к нежелательной агломерации, спекания в процессе изготовления или слипанию после окончания процесса синтеза;

· иметь высокую производительность и экономичность;

· обеспечивать получение наноматериалов с определенным размером частиц или зерен, причем их распределение по размерам должно быть, при необходимости, достаточно узким.

В настоящее время не существует метода, отвечающего в полной мере всей совокупности требований.

    Существуют два очевидных подхода к синтезу наноматериалов и изготовлению наноструктур – «сверху вниз» и «снизу вверх».

Методы «сверху вниз» диспергационные методы исходные тела измельчают до наночастиц.

      Методы получения «снизу вверх» конденсационные методы – синтез или сборка нанообъектов из атомов и молекул.

 

По природе процесса синтеза наноматериалов методы их получения делятся на: механические, физические, химические и биологические.     Классификация условная, т.к. в реальных методах получения наноструктур используются различные процессы. Химические процессы, часто применяются вместе с физическими и механическими.

В основе механических методов получения лежит воздействие больших деформирующих нагрузок: трения, давления, прессования, вибрации т.п.

Физические методы получения основываются на физических превращениях: испарении, конденсации, возгонке, резком охлаждении или нагреве, распылении расплава, электрический взрыв и т.п.

К химическим относятся методы, основным диспергирующим этапом которых являются: электролиз, восстановление, термическое разложение. Химические методы получения наноразмерных материалов можно разделить на группы, в одну из которых можно отнести методы, где наноматериал получают по той или иной химической реакции, в которых участвуют определённые классы веществ. В другую можно отнести различные варианты электрохимических реакций.

Биологические методы получения основаны на использовании биохимических процессов, происходящих в белковых телах.

Биоматериалы

Биоматериалы — это материалы, призванные заменить поврежденные участки организма: их отдельные органы и ткани.

Требования, предъявляемые к биоматериалам.

Химические свойства:

• отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями

• отсутствие коррозии, или растворение с контролируемой скоростью

Механические свойства:

• прочность

• трещиностойкость

 • сопротивление замедленному разрушению (усталости)

 • износостойкость

Биологические свойства:

• отсутствие реакций со стороны иммунной системы (биосовместимость) • срастание с костной тканью

• стимулирование остеосинтеза

По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом:

 1) токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте) - большинство металлов;

2) биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные) - керамика на основе Al₂O₃, ZrO₂;

3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью) - композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция, керамика на основе фосфатов кальция, биостекла;

4) биорезорбируемый происходит замена материала костной тканью

 

Биокерамика

 

Два свойства делают керамику привлекательной в качестве материала для изготовления имплантатов.

Во-первых, ее исключительная химическая инертность, во-вторых, высокая прочность.

Но возникают проблемы с тем, что кость не может врасти в имплантат, и место контакта заполняется волокнистой соединительной тканью, которая механически охватывает инородное тело. Такой контакт не может быть прочным. Похвальные прочностные характеристики керамики оборачиваются ее повышенной жесткостью. Представим модель керамического имплантата в кости в виде двух состыкованных разнородных материалов: один из них –мягкий (кость), другой – жесткий (керамика). Если приложить к такой системе механическую нагрузку, то она распределится неравномерно: большую часть возьмет на себя жесткий керамический элемент. При отсутствии привычной нагрузки клетки костной ткани запускают процесс растворения кости, которая приводит к развитию остеопороза – болезни, заключающейся в уменьшении массы костей за счет развития их пористости. Остеопороз в сочетании с изначально непрочным контактом керамика–кость означает, что в приконтактной области кости вероятность перелома особенно велика.

Еще один недостаток, присущий керамическим материалам это их повышенная хрупкость, то есть неспособность выдерживать заметные деформации без разрушения. Нагрузка, приложенная к хрупкой керамике, приводит к очень быстрому – катастрофическому, росту микротрещин, имеющихся практически в любом материале, и как следствие – к разрушению. Это явление особенно заметно при динамической нагрузке: ударах, толчках и т.д.

Таким образом, не только зона контакта керамика кость, но и сам керамический имплантат при определенных условиях может являться областью вероятного перелома.

Несмотря на перечисленные недостатки, существуют области травматологии и ортопедии, где керамическим имплантатам нет альтернативы. В первую очередь это относится к протезированию тазобедренного сустава. Наиболее широко используют здесь керамику из оксида алюминия (Al₂О₃) с добавкой очень малых количеств MgO (менее 0, 5%) с целью получения мелкозернистого поликристаллического материала.

Низкой трещиностойкости, присущей керамике на основе Al₂O₃, лишен керамический материал, изготовленный из оксида циркония (ZrO₂) с добавками оксидов магния или иттрия. За свои великолепные механические характеристики подобный материал получил название “керамической стали”.

 

Биоактивная керамика

Биоактивные керамические материалы различаются по скорости резорбции и последующему ремоделированию. К настоящему времени установлено, что увеличение удельной поверхности и пористости биокерамики положительно влияет на кинетику образования кости и, следовательно, улучшает биоактивность материала, позволяющий создавать прочный непосредственный контакт с живой костью.

Некоторые формы биокерамики, такие как костные цементы, обладают опорной функцией, однако прочностные показатели не позволяют их использовать в качестве фиксации компонентов эндопротезов.

Наиболее часто в этом направлении изучаются материалы на основе сульфата кальция, трикальцийфосфата кальция и гидроксиапатита. С этими материалами составляют композиты посредством добавления аутокости, коллагена или костного морфологического белка (BMP).

Биологически активные кальцийфосфатные материалы (КФМ) на основегидроксиапатита (ГАП) и трикальцийфосфата (ТКФ) являются структурными аналогами минерального компонента костного вещества в силу сходства их химического состава с составом костной ткани. Эти материалы разрабатывались для того, чтобы уменьшить потребность в аутотрансплантатах или в последующем даже заменить их.

Гидроксиапатит (ГАП) часто используется материалом в изготовлении биокомпозитных материалов для костной пластики в силу своей высокой биосовместимости. Однако, к сожалению, не удается получить керамику с необходимой прочностью на основе чистого ГАП, что существенно ограничивает область ее применения. Керамика на основе ГАП характеризуется довольно низкой стойкостью к распространению трещин и большим разбросом экспериментальных значений прочности от образца к образцу. Низкая растворимость синтетического ГАП оборачивается его невысокой биоактивностью: костные клетки медленно “переваривают” предложенный им источник кальция и фосфора; как следствие кость медленно врастает в керамический имплантат.

Для повышения биоактивности ГАП разбавляют более растворимыми фосфатами кальция, например трехзамещенным ортофосфатом, или же изготавливают пористую ГАП-керамику. Пористая поверхность биокерамики обеспечивает большую поверхность соприкосновения между биоматериалом и растущей костью, что приводит к образованию большего количества химических связей. Установлено, что пористый ГАП может заселяться костной тканью.

Но в ряде случаев имплантаты на основе ГАП могут сами быть причиной осложнений и нагноений.

Наибольший интерес для практического хирурга представляют биорезорбируемые материалы синтетического происхождения, такие как материалы на основе фосфата кальция, в-трикальций фосфата (в-ТКФ) и кальций - дефицитный гидроксиапатит (КДГАП). Такие материалы производят в виде керамики или цементов. В то же время, свойства этих материалов могут отличаться между собой в зависимости от процедуры создания материала - керамика (спекание) и цемент (осаждение).

После перемешивания в виде порошка кальцийфосфатные материалы могут быть применены непосредственно в виде пасты, которая затем помещается непосредственно в дефект костной ткани. В поисках биодрезорбируемых материалов кальцийфосфатные материалы занимают одно из лидирующих мест и становятся все более популярными. В дополнение к биорезорбируемым свойствам этих материалов, а так же высокой биосовместимости, кальцийфосфатные материалы более специфичны для кости, составляя, таким образом, альтернативу керамическим имплантатам.

Одним из перспективных направлений является создание композитных материалов на основе бифазной керамики с использованием разных связующих компонентов, таких как белки коллагена с многоуровневой структурной организацией компонентов, биологически активных веществ, стволовых клеток. Исследования показали, что использование таких многокомпонентных имплантатов позволяет приблизиться к структуре и свойствам тех или иных видов костной ткани.

.

 

 

Биостекла

К современным материалам последнего поколения следует отнести биоактивные стеклокристаллические материалы, состоящие из стекловидной матрицы и микрокристаллов размером около 4 мкм.

Как известно, обычное стекло представляет собой достаточно быстро охлажденный расплав, содержащий оксиды Na₂O, CaO, SiO₂, а также другие оксидные добавки. Биоактивные стекла содержат в своем составе оксиды Na₂O, CaO, SiO₂, P₂O₅. При создании большинства биостекол используется состав: 24, 5% Na₂O, 24, 5% CaO, 45% SiO₂, 6% P₂O₅. Изменяя состав, можно в широких пределах менять биоактивность таких материалов.

Медленное охлаждение расплава указанных оксидов по специальным температурным режимам позволяет частично закристаллизовать стекло (при этом чаще всего образуется метасиликат кальция - волластонит CaSiO₃) и получить смешанные, стеклокристаллические материалы - биоситаллы, которые имеют более высокие по сравнению со стеклами механические характеристики.

Биостекла и материалы на их основе не воспринимаются организмом как что-то чужое, напротив, серия биохимических реакций (рисунок) на границе биостекло - кость приводит к интенсивному образованию костной ткани в области контакта и в конечном счете к врастанию имплантата в костную ткань. Следует отметить, что переходный слой между биостеклом и костью может иметь толщину до 1 мм (ср. со слоем волокнистой соединительной ткани, имеющим толщину порядка 1 мкм, в случае имплантирования биоинертной керамики) и быть настолько прочным, что перелом произойдет в любом другом месте, но не в зоне срастания.

“События” на границе биостекла и костной ткани

1- формирование Si-OH-групп на поверхности стекла в результате ионного обмена, 2 - образование аморфного фосфата кальция на поверхности гидратированного стекла и его кристаллизация в ГАП, 3 - адсорбция биологически активных веществ апатитовым слоем, 4 - “включение” иммунной системы; направленный выброс и адсорбция специфических костных белков, 5 - прикрепление недифференцированных клеток и их превращение в костные клетки, 6 - рост костного матрикса и его минерализация, 7 - перестройка костной ткани и “зарастание” промежутка между стеклом и костью. Условно говоря, граница между “неживым” и “живым” проходит по стадиям 4 -5.

Считается, что ключевым элементом, который обеспечивает высокую биоактивность указанных материалов, является кремний. Гидролиз биостекла в межтканевой жидкости приводит к образованию тонкого желеобразного слоя (геля) кремниевой кислоты - SiO₂xH₂O на поверхности имплантата. Отрицательно заряженные гидроксильные группы поверхности слоя кремневой кислоты притягивают из окружающего раствора межтканевой жидкости ионы Ca²⁺, заряд поверхности становится положительным, затем на поверхность осаждаются фосфат-ионы - происходит рост слоя гидроксиапатита.

Механические характеристики биостекол не столь обнадеживающие, как их биосовместимость и активность. В силу этого биостекла находят применение в качестве малых или слабонагружаемых имплантатов в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

Биостекло не является новым материалом для медицинского применения. До недавних пор его получали из соединений кремния и использовали для восстановления повреждённой костной ткани.

Исследователи из Университета науки и технологии в Миссури (Missouri University of Science and Technology) Стив Юнг (Steve Jung) и Делберт Дэй (Delbert Day) создали биостекло, которое можно эффективно применять для заживления повреждений мягких тканей.

 

Полимерные имплантаты

 Полимерные материалы являются основой многих групп имплантатов — объектов, вводимых в организм хирургическими методами и функционирую-щих в условиях полного или частичного окружения живыми тканями.

Для изготовления имплантатов при операциях в костной системе — в качестве фрагментов, замещающих разрушенные или удаленные части костей, элементов конструкций искусственных суставов, крепежных деталей, применяют полимеры и композиты с углеродными и неорганическими наполнителями, в частности гидроксиапатитом. Применяемые в создании костных имплантатов полимеры должны или обладать высокой стойкостью к биодеградации (например, полимеры, используемые для изготовления эндопротезов суставов), или распадаться при создании изделий, которые должны постепенно замещаться живой тканью (например, крепежные детали для внутреннего остеосинтеза, пломбировочные составы).

Наиболее хорошо изученными имплантатами для замещения мягких тканей являются грудные эндопротезы, представляющие собой емкости из полисилоксановых резин и содержащие подвижный наполнитель, вводимый через катетер до или после введения эндопротеза. Несмотря на массовое использование таких имплантатов, проблема оптимизации их наполнителя остается не окончательно решенной, т. к. применяемые в разных конструкциях слабо сшитые полисилоксановые гели, масляные эмульсии и солевые растворы обладают определенными недостатками с точки зрения безвредности и механических характеристик. Для заполнения послеоперационных полостей в мягких тканях используют эластичные, в том числе вспененные и гидрогелевые материалы (полисилоксаны, пенополиуретаны). При замещении ряда внутренних мембранных элементов, например реконструкции брюшной и грудной стенок, предложено использовать полимерные сетки, которые в процессе функционирования прорастают соединительной тканью (сетки из полиолефинов, вспененного политетрафторэтилена). Пока не нашли широкого применения клеи для склеивания мягких тканей во время или после операций, хотя разработанные для этих целей клеи на основе полиэфируретанов, цианакрилатов, белков в ряде случаев показывают неплохие результаты. Известными недостатками таких систем являются сложность обеспечения достаточного уровня адгезии и эффективного отвердения в условиях сильного обводнения склеиваемых объектов и низкая прочность клеевого соединения.

Важную роль в ортопедической хирургии играют эндопротезы связок и сухожилий. Так, применение нашли пористые ленты из полиэтилентерефталата и вспененного политетрафторэтилента. Активно исследуют использование для замещения связок и сухожилий способных к биодеградации полиэфиров гидроксикарбоновых кислот. Такие эндопротезы должны замещаться живой тканью. До сих пор эндопротезы мышечной ткани, обладающие удовлетворительными свойствами, не разработаны, хотя известны работы в области создания полимеров, меняющих свои размеры в зависимости от электрофизических характеристик окружающей среды.

Интенсивные работы проводятся по созданию эффективных покрытий для лечения раневых и ожоговых поражений. Сложность решаемых при этом задач во многом определяется тем, что для различных стадий процесса заживления требуются материалы с различным сочетанием характеристик (газопропускающие пленочные и дисперсные сорбирующие, изолирующие и биологически активные материалы). Тем не менее, промышленностью выпускается значительный ассортимент таких материалов, в том числе содержащих несколько полимерных слоев, выполняющих различные функции, в которых используют в различных сочетаниях такие полимеры, как кремнийорганические блоксополимеры, полиэфиры гидроксикарбоновых кислот, полиэфируретаны, поливиниловый спирт, альгинаты, коллаген, хитозан, хондроитинсульфаты и ряд других.

Важное место занимают полимерные имплантаты в офтальмологии. Так, нашли широкое применение имплантаты хрусталиков, изготавливаемые из полиметилметакрилата и сополимеров акрилатов, кремнийорганических материалов; имплантируемые контактные линзы и внутрироговичные сегменты из полиметилметакрилата, сополимеров коллагена и акрилатов); устройства, снижающие внутриглазное давление — шунты (кремнийорганические трубки) и клапаны, для изготовления которых используют полиолефины, полиметилметакрилат, сшитые силиконы.

Отдельной группой широко применяемых имплантатов являются шовные материалы, вернее, их нитяной компонент. В настоящее время распространены шовные нити как из небиодеградируемых полимеров (полипропилена, полиамидов, вспененного политетрафторэтилена, полиэтилентерефталата, шелка, хлопка, льна), так и биодеградируемых (кетгута, полиэфиров гидроксикарбоновых кислот). В полимерные покрытия шовных волокон (полисилоксаны, сополимеры этиленоксида и пропиленоксида, сополимеры N-винилпирролидона и акрилатов) вводят красители, гемостатики и антимикробные вещества.

Искусственная кровь-

общее название для целого ряда кровезаменителей, призванных выполнить и улучшить функции традиционной донорской крови. Кровезаменители - лечебные растворы, предназначенные для замещения утраченных или нормализации нарушенных функций крови.

В XIX веке стараниями выдающегося врача Сергея Боткина была выявлена связь между составом крови и здоровьем человека. В 1890 году в Швейцарии был разработан первый гематоген — богатая железом микстура на основе бычьей крови. Основной действующий компонент гематогена — белок альбумин, получаемый из очищенной бычьей крови. Это вещество богато железом и может восполнить железодефицит. Готовый к употреблению альбумин выглядит как растворимый в воде порошок. Цельную кровь в гематоген не добавляют с 1950 годов — это крайне устаревшая технология.

Если у человека за газотранспортный перенос отвечают красные кровяные тельца, ассоциированные с гемоглобином, то у червей функциональный аналог – эритрокруорин. Большим преимуществом эритрокруорина является несущественное количество или отсутствие инфекционных агентов, опасных для человека. У человека и беспозвоночных животных разные сообщества вирусов. Вирусы червей не опасны для человека.

Перфтора́ н — кровезаменитель с функцией переноса кислорода, применяется в качестве противоишемического и противогипоксического лекарственного средства. Представляет собой субмикронную эмульсию на основе ПФО-соединений. Препарат был разработан группами советских и российских учёных. В СМИ перфторан также известен как «голубая кровь»

В западных научно-популярных изданиях неоднократно появлялись публикации о так называемых кианетиках - людях с голубой кровью, подвержены инфекционным заболеваниям. Дело в том, что у кианетиков вместо железа, переносящего кислород в крови и придающего ей алый цвет, присутствует медь, окрашивающая кровь в оттенки синего цвета. Именно она убивает микробов и способствует лучшей сворачиваемости крови. Проблема лишь в том, что официально в мире на сегодняшний день не зарегистрировано ни одного кианетика. Чего нельзя сказать о животных...

Кальмары, осьминоги, скорпионы, спруты, пауки и еще длинный перечень обитателей Мирового океана имеют даже не голубую, а темно-синюю кровь. С научной точки зрения первым объяснил причину столь странного цвета крови беспозвоночных в 1878 году француз Л. Фредерико. Ученый доказал, что вместо гемоглобина, в основе которого находится железо, в крови моллюсков присутствует гемоцианин, в основе которого лежит медь.

Большинство соединений с медью дает устойчивый синий цвет. Сегодня в биосфере Земли достаточно широко представлены живые существа с кровью синего цвета, содержащей гемоцианин. Например, в крови собаки - 0, 34% железа, а у осьминога - 0, 38% меди.

Серьезные исследователи к подобному предположению относятся скептически, поскольку гемоглобин способен переносить кислорода в пять раз больше, чем гемоцианин. Если же кианетики действительно существуют, то в их кровяных тельцах произошла замена железа на медь, хотя отдельные ионы железа должны были остаться и, смешиваясь с медью, дать вовсе не голубой, а синий цвет. В то же время человек с такой кровью будет очень чувствителен к изменению концентрации в атмосфере углекислого газа. При его повышении голубая кровь густеет, в ней появляются тромбы, и человек быстро умирает. Единственный выход - регулярное потребление алкоголя.

Группой британских учёных из университета Шеффилда (University of Sheffield) разработан новый вид синтетической крови – кровь пластиковая (Plastic Blood), точнее полимерная, потому что при его создании использовался полиэтиленгликоль (ПЭГ).

В основе кровезаменителя — разветвлённая древовидная цепочка небольших молекул, в центре каждой из которых находится комплекс с атомом железа. Структура и работа этого полимера схожи со строением и действием человеческого гемоглобина: атом железа связывает кислород в лёгких, транспортирует к клеткам, а затем высвобождает в нужном месте, точно так же, как и в гемоглобине.

Внешне искусственная кровь выглядит как красная тягучая масса, чем-то напоминающая жидкий мёд. Собственно, красная окраска обусловлена наличием пигментирующих порфиринов, как и в настоящей крови.

 

 

⇐ Предыдущая1234567

Поделиться: