Сверхэластичные материалы с памятью формы в медицине

Применение металлов и сплавов в качестве имплантируемых в организм материалов имеет давнюю историю. Еще в 2500 году до нашей эры в Финикии использовали для лечения зубов металлические конструкции. В Древнем Риме большое распространение получили искусственные металлические зубы, а металлическая проволока применялась для фиксации костных отломков. Вплоть до конца XVIII века использовались в основном чистые металлы: золото, серебро, медь. В XIX столетии в связи с улучшением технологии выплавки металлов и сплавов распространение получили имплантаты из высококачественных сталей.

В 1925 году впервые в качестве фиксатора использована нержавеющая сталь. Однако внимание травматологов-ортопедов привлек хромокобальтовый сплав, который в дальнейшем получил более широкое распространение, чем нержавеющая сталь, вследствие своей биоэнертности [23, 10]. 50-е годы XX столетия ознаменовались применением тантала и титана в качестве имплантатов различного назначения. Тантал является биоэнертным материалом, но широкого распространения не получил из-за большого удельного веса и недостаточной жесткости. В настоящее время его применение ограничено использованием тонкой проволоки. В отличие от тантала титан имеет лучшие физико-механические свойства и характеризуется биологической совместимостью с тканями организма. В 70-е годы появились примеры использования нового класса материалов - сплавов с памятью формы, которые принципиально изменяются от упомянутых выше металлических медицинских материалов тем, что они удовлетворяют требованиям высокой прочности и пластичности, упругости и жесткости, гибкости и эластичности, износостойкости и вязкости. Основой сплавов является соединение титана и никеля. В высокотемпературном состоянии сплавы достаточно пластичны, и им можно придать необходимую геометрическую форму. При охлаждении до 5-7°С конструкция становится эластичной и ее можно деформировать без значительных усилий руками. При нагревании в организме до 36°С конструкция стремится восстановить свою исходную форму и при этом обеспечивает надежную фиксацию и равномерную компрессию костных отломков [8, 28, 29,19]).

Наряду с высокими параметрами эффекта памяти формы сплавы на основе никелида титана отличаются практически полной инертностью в организме человека, что позволяет широко использовать их в качестве имплантатов [14]. Титан открыт В. Грегором (Англия) в 1791 г. и назван в честь титанов, сыновей богини Геи. Титан - это легкий, плавкий и прочный металл. Химически стоек, благодаря наличию защитной пленки. Природные ресурсы титана в несколько раз превышают природные ресурсы меди, никеля, олова, свинца, хрома, марганца, молибдена, вольфрама, ртути, висмута, золота и платины вместе взятых. Среди конструкционных материалов титан по наличию природных ресурсов занимает четвертое место, уступая только алюминию, железу и магнию. А среди элементов земной коры он занимает 9-е место [2]. В свободном виде титан в природе не встречается, а обычно находится в форме устойчивых оксидных соединений. Основные титановые минералы - рутил, анатаз, брукит, которые содержат титан в форме диоксида титана. В рамках «Международной программы по химической безопасности» и программы «Критерии здоровья окружающей среды», с поддержкой «Фонда окружающей среды» Всемирная Организация Здравоохранения выпустила ряд документов о влиянии некоторых загрязнителей на окружающую среду и человека. Один из этих документов посвящен влиянию титана на человека и окружающую среду (World Health Organization. Geneva, 1982). В нем, в частности что титан не является необходимым элементом для жизни человека или животных и плохо поглощается растениями. Титан и его различные соединения широко используются в медицине без каких-либо неблагоприятных влияний. Содержание титана в организме человека составляет 9 мг. Соединения титана и титан плохо поглощаются организмом, хотя со временем он может накапливаться в легких, где обнаружены его самые высокие концентрации, 2,4 мг. Титан был найден и в лимфатических узлах, почках и печени, куда он попадает через кровь. В костной ткани содержится менее 1 мг/кг. Установлено, что допускается ежедневное потребление около 300 мкг титана [2].

Нет данных о том, что титан является канцерогенным или мутагенным веществом для человека. В целом считается, что титан и его соединения являются биологически инертными веществами, хотя пока нет количественной оценки или дозовой зависимости для какого-либо влияния, связанного с воздействием титана или его соединений на человеческий организм. В различных областях медицины широко используются имплантаты, изготовленные из металлов, керамики, углерода, полимеров, способные выполнять в живом организме определенную функцию. Титан используется в медицине при изготовлении инструментов, применяется в качестве биосовместимого материала при производстве имплантатов в ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, нейрохирургии и т. д. [24]. Имплантация в ткани человека искусственных материалов -это одна из проблем медицины и техники. Традиционные металлические материалы не обладают эластичностью, характерной для тканей живого организма. США, Германия, Канада, Англия, Китай, Япония и Индия проявляют большой интерес российским разработкам в области создания и применения сплавов никеля и титана эквиатомного состава (TiNi), проявляющих эффекты памяти формы и сверхэластичные свойства, подобные свойствам тканей организма [5, 7].