Волова Т.Г., Шишацкая Е.И., Миронов. П.В. Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ, КЛЕТОЧНОЙ И ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ»

1.2. Потребности реконструктивной медицины в функциональных материалах



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

ства полной замены бедра и колена, материалы костных трансплантатов, кар-

диологические устройства стимуляции и клапаны сердца.

В России до недавнего времени действовали нормативные документы,

разработанные еще в СССР. Однако в 1999 г. на базе действующего Между-

народного стандарта ИСО 10993-99 по оценке биологической безопасности

медицинских материалов и изделий, принятой в настоящее время в США

и странах ЕС, в России был введен ГОСТ Р ИСО 10 993.99 «Оценка биологи-

ческого действия медицинских изделий». В 2007 г. издан Приказ Министер-

ства здравоохранения и социального развития РФ № 488 «Об утверждении

Административного регламента Федеральной службы по надзору в сфере

здравоохранения и социального развития по исполнению государственной

функции по выдаче разрешений на применение новых медицинских техноло-

гий». Неотъемлемой частью процесса выдачи разрешения на применение

новой медицинской технологии является классификация в зависимости от

степени потенциального риска применения в медицинских целях по трем

классам:

класс 1 – медицинские технологии с низкой степенью риска, вклю-

чающие в себя прочие медицинские технологии;

класс 2 – медицинские технологии со средней степенью риска, вклю-

чающие в себя медицинские технологии, оказывающие прямое (хирургиче-

ское) воздействие на кожу, слизистые оболочки и естественные полости

организма; терапевтические, физиотерапевтические и хирургические мани-

пуляции в дерматокосметологии;

класс 3 – медицинские технологии с высокой степенью риска, вклю-

чающие в себя медицинские технологии, оказывающие прямое (хирургиче-

ское) воздействие на органы и ткани организма (за исключением медицин-

ских технологий, относящихся к классу 2); пластические реконструктивные

операции; медицинские технологии, связанные с использованием клеточных

технологий и генных манипуляций, трансплантации органов и тканей.

Выдача разрешений на применение новых медицинских технологий

в РФ осуществляется Федеральной службой по надзору в сфере здравоохра-

нения и социального развития на основании результатов соответствующих

исследований, испытаний и экспертиз, подтверждающих эффективность

и безопасность медицинской технологии. При рассмотрении вопроса о выда-

че разрешения на применение новой медицинской технологии, эффектив-

ность устанавливается как степень достижения медицинской технологией

целей своего предназначенного использования; безопасность характеризует-

ся соотношением риска причинения ущерба пациенту, персоналу, оборудо-

ванию или окружающей среде при правильном использовании медицинской

технологии и значимости цели, ради которой она используется. Федеральная

служба по надзору в сфере здравоохранения и социального развития осуще-

ствляет контроль за соблюдением действующих требований к порядку про-

ведения клинических и биомедицинских исследований новой медицинской

технологии и средств для ее реализации.

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ, КЛЕТОЧНОЙ И ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ»

1.2. Потребности реконструктивной медицины в функциональных материалах



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

Для регистрации новых медицинских технологий медицинского назна-

чения и устройств и изделий для их реализации предусматривается проведе-

ние цикла исследований, включающих: проведение санитарно-химических,

токсиколого-гигиенических исследований, санитарно-гигиеническую оценку

изделия; проведение приемочных технических испытаний изделия; проведе-

ние медицинских испытаний изделия.

На первом этапе с применением современных физико-химических

методов (хроматография, масс-спектрометрия и т. д.) оценивают материал

и вытяжки из него; с использованием тест-объектов (изолированные органы

животных, культуры тканей и клеток и т. п.) определяют возможность прояв-

ления цито- и тканетоксического действия; на лабораторных животных

проводят токсикологические исследования. Результаты этого этапа, вклю-

чающие санитарно-химические, цитотоксические, токсикологические и па-

томорфологические исследования, позволяют провести отбор соответствую-

щего материала. Эти исследования, как правило, проводятся специальными

сертифицированными лабораториями и организациями.

На втором этапе проводят токсиколого-гигиенические испытания

макетных образцов, являющихся прототипами промышленных изделий, при

изготовлении которых учитываются такие технологические условия, как

режимы переработки, условия стерилизации, условия хранения и т. п.

На этом этапе используют те же методы, что и на первом этапе. При положи-

тельном прохождении данного этапа исследований изделия и материалы

рекомендуются к клиническим испытаниям.

Клинические испытания, в свою очередь, состоят также из нескольких

этапов (фаз). На первом этапе новое медицинское изделие и технологию его

применения проверяют на 20–30 добровольцах с их информированного

согласия в так называемых локальных исследованиях. Далее с разрешения

надзирающих органов проводятся ограниченные клинические испытания с

участием 300–500 добровольцев. В случае положительных результатов на-

значается расширенное клиническое исследование с участием не менее тыся-

чи человек, которое проводится, как правило, в нескольких независимых

клиниках. И только после получения достоверного доказательства положи-

тельных результатов подготавливается документация к регистрации изделия.

Администрация по продуктам питания и препаратам (FDA) была соз-

дана Актом Конгресса Соединенных Штатов в 1906 г. в результате принятия

Акта о продуктах питания и препаратах. В течение ряда лет Конгресс США

постоянно пересматривал и уточнял рамки действия и контроля за деятель-

ностью FDA. В 1938 г. Конгресс принял «Акт о продуктах питания, препара-

тах и косметике», который определил и зафиксировал директивы того, что

обязаны были делать производители косметики лекарств для предотвраще-

ния фальсификации своей продукции. Этот акт 1938 г. определил роль FDA

как надзирающего органа, разрешающего продажу и сбыт препаратов и кос-

метики и имеющего полномочия преследовать компании, нарушающие

закон. В 1976 г. были приняты важные законы, известные как «Поправки,

касающиеся медицинских устройств». В результате были выработаны четкие

определения того, что представляют собой медицинские устройства, а также

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ, КЛЕТОЧНОЙ И ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ»

1.2. Потребности реконструктивной медицины в функциональных материалах



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

установлены классификации и способы, с помощью которых производители

медицинских устройств должны выводить свои изделия на рынок. В 1990 г.

Конгресс пошел дальше в этом направлении и ввел в действие «Акт о безо-

пасности медицинских устройств», который расширил контроль, осуществ-

ляемый FDA. Производители устройств высокого уровня риска класса 3 в на-

стоящее время обязаны отслеживать устройство от начала производства до

имплантирования. Таким образом, если что-то произойдет с устройством по-

сле имплантации, можно будет найти пациента с целью замены устройства.

Эта поправка к законодательству о медицинских устройствах также пере-

классифицировала многие устройства, которые раньше были устройствами

класса 3, в устройства класса 2.

В ряде стран Европы в 1997 г. были приняты «Директивы о медицин-

ских устройствах». Таким образом, два крупнейших рынка медицинских уст-

ройств (в США и ЕС) работали при двух различных системах. Поэтому Кон-

гресс США принял Акт 1997 г. о Модернизации FDA. Этим Актом нормы

и правила FDA были приведены в соответствие с правилами ЕС и других

стран. После создания ЕС в 1980-х гг. были выработаны единые правила для

того, чтобы медицинские устройства могли продаваться и распространяться

по одному набору правил. Соглашение было оформлено в виде «Директивы

93/42 ЕС о медицинских устройствах», предусматривающее соответствие

этих устройств требованиям или маркировке СЕ медицинских устройств.

Директива ЕС о медицинских устройствах создала механизм, определивший

уведомляемые органы, то есть организации, отвечающие за выдачу марки

соответствия, марки СЕ производителям медицинских устройств. В этой

Директиве было установлено, что производители должны выполнять правила

системы качества ISO 9001 и требования систем качества ISO DIS 13485 для

медицинских устройств.

Марка «СЕ» – это маркировка соответствия ЕС, обеспечивающая соот-

ветствие изделия определенным основным требованиям. Требования для по-

лучения марки СЕ согласно «Директиве 93/42 о медицинских устройствах»

включают 40 пунктов, которые охватывают все известные источники опасно-

сти для пациента; все пункты ранжируют на шесть основных категорий.

Основные требования для получения марки СЕ: внутренний контроль техно-

логии производства, проверка соответствия нормам ЕС, проверка соответст-

вия типа, обеспечение качества производства, проверка изделия, обеспечение

полного качества.

Будущее медицины сегодня напрямую связывают с развитием клеточ-

ных технологий. Эта технология позволяет, не меняя поврежденный орган,

«обновлять» его клеточный состав. Такое «обновление» структурно-

функциональных элементом органа, сможет решать те же задачи, что и ор-

ганная трансплантация. Вместе с тем эта технология намного расширяет воз-

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ, КЛЕТОЧНОЙ И ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ»

1.3. Современное представление о клеточных технологиях



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

можности трансплантационного лечения, делая его доступным для широкого

круга разных категорий пациентов. Основой для развития клеточных техно-

логий являются стволовые клетки, способные в зависимости от микроокру-

жения превращаться в клетки разных органов и тканей. Одна такая клетка

может дать множество функционально активных потомков. В настоящее

время в мире активно разрабатываются подходы к наращиванию стволовых

клеток, а также интенсивно исследуются возможности их генетической мо-

дификации. Список болезней, при лечении которых клеточные технологии

уже используются или их применение планируется в ближайшем будущем,

быстро растет.

Обогащенным источником стволовых клеток являются фетальные тка-

ни. Относительно высоко содержание этих клеток в пуповинной крови.

Будучи трансплантированными, аллогенные стволовые клетки способны

приживляться и дифференцироваться в зависимости от микроокружения. Эти

клетки способны значительно повысить адаптивные возможности организма

за счет усиления процессов физиологической и репаративной клеточной ре-

генерации. При соблюдении определенных условий аллогенная клеточная

трансплантация может не вызывать иммунных реакций, направленных на от-

торжение донорских клеток. Это подразумевает возможность применения

трансплантационных клеточных технологий без использования иммуносу-

прессорной терапии. Представляется важной с медицинской точки зрения

способность низкодифференцированных клеток тормозить, а в некоторых

случаях реверсировать развитие грубоволокнистой соединительной ткани.

Такое торможение создает важные дополнительные предпосылки для эффек-

тивного восполнения клеточных потерь организма новыми функционально-

полноценными клетками. Трансплантация низкодифференцированных кле-

ток незрелой кроветворной ткани во взрослый организм может способство-

вать восстановлению кровотока в ишеминизированных органах и тканях.

Этот эффект объясняется наличием в этой ткани незрелых предшественников

эндотелиальных клеток, способных генерировать рост новых кроветворных

сосудов. В неврологии трансплантационная клеточная технология была

впервые применена при лечении болезни Паркинсона. Обнадеживающие ре-

зультаты применения клеточной технологии получены при лечении болезни

Хагинтона. Значительный опыт в лечении травматических поражений голов-

ного и спинного мозга накоплен в Новосибирском центре иммунотерапии

и клеточной трансплантации. Предметом исследования и клинического при-

менения является также противоопухолевая активность низкодифференциро-

ванных кроветворных клеток. Важным компонентом такой активности явля-

ется способность этих клеток прямо супрессировать опухолевый рост.

Имеются данные об антиатеросклеротической активности низкодифферен-

цированных клеток. Одно из проявлений этой активности – снижение сыво-

роточного уровня атерогенных липопротеинов. Результатом трансплантации

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ «МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ, КЛЕТОЧНОЙ И ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ»

1.3. Современное представление о клеточных технологиях



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

низкодифференцированных клеток, полученных из донорской незрелой кро-

ветворной ткани, является значительное повышение регенераторных и адап-

тивных возможностей организма. Вызываемое этими клетками «обновление»

организма, по-видимому, может препятствовать развитию процессов, веду-

щих к старению организма. Отсюда перспективность и целесообразность

использования клеточных технологий в лечении целого ряда заболеваний,

обусловленных старением организма.

В настоящее время большое внимание уделяется клеточным техноло-

гиям, основанным на трансплантации стволовых клеток, полученных от са-

мого больного. Преимущества этих технологий заключаются в доступности

подходящего неиммуногенного клеточного материала (приемлимый источ-

ник – костный мозг). Получены экспериментальные данные, указывающие на

перспективность применения аутологичных костномозговых стволовых кле-

ток в лечении тяжелых неврологических и сердечно-сосудистых расстройств.

Таким образом, развитие и внедрение клеточных технологий призвано кар-

динально изменить ситуацию с лечением целого ряда заболеваний, практи-

куемая медикаментозная терапия которых малоэффективна.



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

Круг материалов, используемых в медицине, весьма широк и включает

материалы природного и искусственного происхождения, среди которых –

металлы, керамики, синтетические и естественные полимеры, различные

композиты и др. Материалы, предназначенные для контакта со средой живо-

го организма и используемые для изготовления медицинских изделий и уст-

ройств, получили название «биоматериалы». Несмотря на значительные

успехи, достигнутые в биоматериаловедении к настоящему моменту, такие

материалы все еще остро дефицитны, и пока не удалось создать субстанции,

полностью совместимые с живым организмом.

Одно из основных требований, предъявляемых к материалам медицин-

ского назначения, они должны быть биологически совместимыми с живым

организмом. Это материалы, которые при вживлении в организм и пребывая

в нем длительное время, не вызывают негативных реакций в нем.

Металлические материалы, как правило, это сочетания металлических

элементов (железа, титана, золота, алюминия), используются в силу высокой

механической прочности в ортопедии, ортодонтии, во внутренних электриче-

ских устройствах и в искусственных органах. Выбор металлических материа-

лов или сплавов для медицины проводят, исходя из следующих характери-

стик: 1) биосовместимость, 2) физические и механические свойства, 3) старе-

ние материала. Наибольшее распространение получили нержавеющие стали,

титан и его сплавы, сплавы кобальта. Сравнительно недавно разработан

материал из никеля и титана (нитинол), он обладает памятью формы и полу-

чил в настоящее время широкое применение для разработки различных уст-

ройств и имплантатов. Благородные металлы (золото и платина) применяют

в ограниченных масштабах для изготовления химически инертных протезов.

Металлы в силу высокой механической прочности являются предпоч-

тительным материалом для ортопедии. Это связано, прежде всего, с тем, что

металлы характеризуются высоким пределом текучести и жесткости.

В ортопедической практике при хирургии крупных костных дефектов могут

возникать высокие напряжения, поэтому имплантируемый материал должен

выдерживать эти напряжения, не проявляя остаточной деформации или раз-

лома. Напряжение измеряют как силу на единицу площади (в системе СИ –

в паскалях, Па). Соотношение между деформацией и первоначальным разме-

ром образца материала есть натяжение. Если металлический материал

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

2.1. Современные материалы для биомедицины



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

деформируется посредством приложения растягивающего напряжения, то

в направлении приложенной силы возникает удлинение.

Натяжение – это соотношение увеличения длины и первоначальной

длины образца. Градиент графика напряжения-натяжения называется моду-

лем упругости (или модулем Юнга). Если действие приложенной силы, де-

формирующей материал, снимается, материал мгновенно возвращается к

своим исходным размерам. Такое обратимое поведение называется упругой

деформацией. В идеале используемый материал должен обладать модулем

упругости, аналогичным модулю упругости кости. Как правило, если мате-

риал испытывает какой-либо вид циклической нагрузки, он выходит из строя

при более низком напряжении, чем предел текучести при однократном цикле

испытаний. Такое явление в материаловедении называется усталостью. Это

существенно ограничивает области применения металлов. Следующее важ-

ное свойство металлов – это устойчивость к локальной пластической де-

формации, которое выражается в появлении на поверхности металлического

изделия вмятин, царапин и т. п. Значение твердости металла используют

также для оценки прочности материала на растяжение; твердость металла

влияет также на его износостойкие свойства.

Новая эра применения металлов в медицине связана с открытием спо-

собности некоторых металлов «запоминать» предыдущую форму. Впервые

это свойство было обнаружено в 1950-х гг. у сплава золота с кадмием; сплав

деформировался при низкой температуре и возвращался в исходное состоя-

ние при нагревании до критической температуры. Широкое распространение

в реконструктивной медицине получили сплавы никеля с титаном (нитинол).

Эти сплавы, помимо обладания свойством памяти формы, также характери-

зуются сверхупругостью. Изделия различной формы и массы из этого сплава

могут претерпевать большое количество деформаций, возвращаясь в свое

исходное состояние. Механические свойства металлов с памятью формы

позволяют применять для различных медицинских технологий.

Негативным для медицины свойством многих металлов является кор-

розия. Металлы склонны к коррозии (за исключением благородных метал-

лов). Коррозия имплантированного металлического изделия под воздействи-

ем агрессивных биологических жидкостей может привести к выходу его из

строя, а также накоплению в организме токсичных продуктов.

Требования, применяемые к металлам медицинского назначения, сле-

дующие: биосовместимость; обладание соответствующими физическими

и механическими свойствами; длительный срок службы; отсутствие сильной

коррозии.

Главными характеристиками керамики являются биосовместимость,

высокая твердость, изолирующие свойства теплоты и электричества, термо-

и коррозиостойкость Общим свойством керамических материалов является

стойкость к воздействию высоких (свыше 500 °С) температур. Среди недос-

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

2.1. Современные материалы для биомедицины



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

татков, ограничивающих применение керамики в медицине, ее хрупкость

и ломкость.

Керамики состоят из неорганических и органических соединений. Тра-

диционные керамики – фарфор, глины и цементы; современные керамиче-

ские материалы – ферроэлектрики, неметаллические магнитные материалы,

конструкционные окисные и неокисные материалы. Керамические материа-

лы, используемые в медицине, называются биокерамикой. Среди биокера-

мик, нашедших клиническое применение (в основном для реконструкции де-

фектов костной ткани) – оксид алюминия, двуокись циркония, окись титана,

трикальцийфосфат, гидроксиапатит, алюминаты кальция, биоактивное стекло

и стеклокерамика. В зависимости от «поведения» в организме биокерамику

подразделяют на биоинертную, биоактивную и растворяющуюся in vivo

(резорбируемую).

Керамические материалы, как правило, представляют собой поликри-

сталлические (зернистые) структуры или смеси двух и более кристалличе-

ских фаз. В различных типах керамик размер зерен может варьировать в ши-

роком диапазоне (1–1000 мкм). Пористость керамик может быть грубой, от-

крытой и закрытой. Упругие свойства керамики определяют ее механическое

поведение и тесно связаны с кристаллической структурой. Стеклокерамика

представляет собой особый класс керамики и полукристаллические материа-

лы с мелкими (менее 1 мкм) керамическими кристаллитами.

Константы упругости керамики также зависят от микроструктуры. На-

пример, пористость влияет на константы упругости, которые уменьшаются с

увеличением пор. Помимо процентного содержания пор в керамике, форма

пор и их ориентация влияют на упругость.

Наиболее распространенными кристаллическими структурами керами-

ки являются следующие:

простые кубические (например CsCl, CsBr, CsI);

плотные упакованные кубические, так называемая гранецентрирован-

ная кубическая структура, (например CaO, MgO, FeO, BaJ);

плотно упакованные гексагональные (например Al

, Fe

, Cr

Помимо структуры на физико-механические, то есть эксплуатацион-

ные, свойства керамик существенное влияние оказывает способ обработки.

Для клинического применения керамика должна иметь соответствую-

щие биологические, физические и механические свойства. Трудно стабилизи-

руемое свойство керамики – необходимость плотного и постоянного контакта

с тканями в месте их дефекта. Если при контакте тканей и керамического им-

плантата возникают перемещения, то возможны разлом как собственно

имплантата, так и костных структур. Более прочное крепление имплантата

и обеспечение его связи с костью возможно с помощью специально сконст-

руированных покрытий из пористых структур, изготовленных из гидроксиа-

патита, биоактивного стекла (типа разрешенного в клинике специализирован-

ного силикатного стекла «Bioglass®»), апатито-волластонитовой керамики,

которые являются биоактивными. Биокерамика, которая является биоактив-

ной и резорбируемой, – это пример биоматериала третьего поколения,

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

2.1. Современные материалы для биомедицины



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

пригодного для использования в новейших биомедицинских технологиях

(клеточной и тканевой инженерии). Для этих целей биокерамика изготавли-

вается с необходимым количеством и размером пор.

Разработка биорезорбируемых керамических материалов – весьма

сложная проблема, так как требует реализацию такого подхода к конструи-

рованию материала, при котором скорости его резорбции в организме долж-

ны соответствовать скорости образования новых тканей. Как известно, ско-

рости роста ткани у разных пациентов с различными видами травм чрезвы-

чайно варьируют. Это обстоятельство, а также низкие прочностные характе-

ристики керамик весьма ограничивают области применения в медицине.

Обычно керамики применяют для изготовления имплантатов в сочетании

с более механически прочными металлическими материалами, в результате

получают более прочные конструкции с усиленными механическими свойст-

вами и упругими константами, соответствующими характеристикам костной

ткани.

Стремительное развитие науки и техники, наблюдаемое в последние

годы, приводит к все более широкому внедрению в медицине различных

соединений, включая высокомолекулярные как синтетического, так и при-

родного происхождения. Разнообразие материалов и особенно полимеров,

варьирование в широких пределах их стереоконфигурации и молекулярной

массы, возможность получения композитов в разнообразных сочетания

с различными веществами, – все это является основой для получения широ-

чайшего спектра новых материалов с новыми ценными свойствами. Создание

композитов – это перспективная область материаловедения, которая позволя-

ет на базе сочетания уже известных и выпускаемых материалов более эффек-

тивно и быстро придать им принципиально новые свойства по сравнению

с трудоемким и длительным путем создания новых материалов.

Композиты – это многокомпонентные материалы, состоящие из поли-

мерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (мат-

рицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов,

тонкодиспeрсных частиц и др. Композитные материалы – это смесь двух фаз

или более, связанных вместе так, что передача напряжения происходит по их

границе. Поскольку напряжение не передается в пустоты, пористая керамика,

металл или пластмасса обычно не считаются композитом, даже если матери-

ал содержит две фазы – твердую и пустоты. Если пористая структура ин-

фильтруется тканью, она все-таки может вести себя как композитный мате-

риал, но только если стык ткани и материала является достаточно прочным

для передачи напряжений. Композитные материалы создают для того, чтобы

обеспечивать сочетание свойств, которые не могут быть достигнуты с помо-

щью материала, имеющего одну фазу.

Композиционные материалы состоят, как правило, из пластичной осно-

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

2.1. Современные материалы для биомедицины



Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. Учеб. пособие

вы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой проч-

ностью, жесткостью и т. д. Сочетание разнородных веществ приводит к соз-

данию нового материала, свойства которого количественно и качественно

отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав мат-

рицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают

широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие компози-

ты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим

свойствам, но в то же время они легче. Использование композитов обычно

позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее

механических характеристик

Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующе-

го), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы

с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.

Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные ком-

позиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные

композиционные материалы) значительно расширяет возможности регули-

рования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители

воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов. По

структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волок-

нистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые

(армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперс-

ноармированные, или дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде тонко-

дисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает

монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполни-

теле, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость. По природе

матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные,

керамические и другие композиты. Наиболее широкое применение получили

композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомо-

дульными непрерывными волокнами.

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, явля-

ются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов.

Их применение в различных областях дает значительный экономический

эффект. Известны полимерные композиционные материалы на основе

термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных,

полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированных различ-

ными добавками. Углепластики получают при наполнении полимерной

основы углеродными материалами; стеклопластики – стеклянными, органо-

пластики – органическими материалами, боропластики – соединениями бора

и т. п. В последние годы активно развивается направление получения компо-

зиционных материалов на основе углерода, армированного углеродными во-

локнами, это углерод-углеродные материалы. Композиционные материалы

на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и дру-

гими волокнами, а также металлы с керамическими покрытиями активно

применяют в стоматологии и ортопедии. К настоящему времени с использо-

ванием углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон созданы ком-