ЧТО ТАКОЕ БИОМАТЕРИАЛЫ И ДЛЯ ЧЕГО ОНИ НУЖНЫ?

Термин «биоматериалы» у всех на слуху, но мало кто знает,

что он в точности означает. Между тем биоматериалы уже сегодня

играют важную роль в медицине и смежных отраслях деятельности,

а в дальнейшем их значение будет только расти.

«Биоматериалы»

— это термин сложной судьбы. Часто под

ним

подразумевают

то,

что

в

данный

момент

удобнее:

от

биологических

жидкостей

человеческого

организма

до

белков

гусениц шелкопрядов. Поэтому в начале публикации мы поговорим

о терминологии.

В

литературных

источниках

под

биоматериалами

подразумевают два близких, но, все же, различных термина:



материалы,

полученные

из

живых

организмов

(биологических объектов);



материалы

различного

происхождения,

используемые

в

контакте с биологическими системами (клетками, тканями и

органами), в том числе в составе медицинских устройств.

В дальнейшем, чтобы избежать путаницы в терминологии, мы

будем

использовать

сложившийся

общемировой

подход

к

определениям и выделять:



Биоматериалы

(в англоязычной литературе - biomaterials)

или материалы медико-биологического назначения любого

происхождения;



Биологические

материалы

(в

англоязычной

литературе

-

biological materials / substances) или материалы, полученные

от живых объектов (микроорганизмов, макроорганизмов –

насекомых, растений, животных).

Таким образом, главным критерием принадлежности любого

материала

к

биоматериалу

будет

являться

тот

факт,

что

он

функционируют в непосредственном контакте с живыми тканями,

органами и клеточными объектами.

Традиционно биоматериалы подразделяют в зависимости от

происхождения, особенностей химического строения и отношения к

живым тканям, с которыми они будут взаимодействовать (рис. 1):

Биоматериалы

Природные

Синтетические

Биологические

Небиологические



ксеногенные



алогенные



аутологичные



органические



неорганические

Синтетические

биоматериалы

создаются

искусственным

путем – химическим

синтезом

и, зачастую, не имеют

аналогов в

природе. Природные же биоматериалы широко представленных в

естественной

среде. При этом они могут иметь небиологическое

(как

органическое,

так

и

неорганическое)

и

биологическое

происхождение

(источниками

являются

живые

организмы).

В

последнем

случае

биоматериалы

подразделяется

еще

и

в

зависимости от типа источника на:

•

Аутогенные

(собственные)

–

это

биоматериалы,

взятые,

модифицированные и внедренные в пределах одного и того

же организма.

•

Аллогенные – это биоматериалы, используемые в пределах

одного вида, то есть взятые от одной

особи, прошедшие

специальный

технологический

цикл

обработки

и

внедренные другой особи того же вида.

•

Ксеногенные

— это биоматериалы, полученные от особей

другого

биологического

вида

с

обязательным

прохождением

технологического

цикла

обработки

с

удалением антигенных (иммуногенных) комплексов.

Технологии

получения,

исследования

и

применения

биоматериалов активно развиваются в последние десятилетия и в

значительной

мере

определяют

современный

уровень

развития

таких

областей,

как

медицина

и

фармацевтика,

косметология,

биотехнология, сельское хозяйство и пищевая промышленность.

Можно отметить целый ряд профильных научных журналов

по биоматериалам, имеющих высокий рейтинг. Издано несколько

международных

энциклопедий

и

справочников,

освещающих

различные

вопросы,

связанные

с

биоматериалами.

Вышло

три

издания (1996, 2004, 2012) учебного пособия Biomaterials Science,

рекомендованного

для

университетского

образования.

Активно

работают международные и национальные общества, развивающие

это

научное

направление,

проводящие

международные

конференции, конгрессы и издающие свои журналы.

Сфера

биоматериалов

—

ярко

выраженная

междисциплинарная

область,

в

которой

используют

достижения

химии,

физики,

медицины,

биотехнологии,

материаловедения,

электроники.

Это

определяет

и

особенности

подготовки

профильных

специалистов.

В

настоящее

время

программы

бакалавриата

и

магистратуры

существуют

в

более

чем

250

университетах мира, в том числе и России.

По

направлениям

практического

использования

биоматериалов можно выделить несколько основных векторов:



биоматериалы,

используемые

для

создания

протезов,

применяемых при замещении дефектов и коррекции функции

тканей и органов;



биоматериалы,

используемые

в

биоинженерии

–

генной,

клеточной и тканевой;



биоматериалы,

применяемые

при

создании

систем,

обладающих

биологической,

в

частности

лекарственной

активностью;



биоматериалы общего назначения, в том числе разрушаемые

природными микроорганизмами после использования.

Одно

из

главных

требований,

предъявляемых

ко

всем

биоматериалам – это биосовместимость. Под ней подразумевают

способность

выполнять

определенную

функцию

в

течение

требуемого

времени

без

вреда

для

окружающей

среды,

живых

тканей и организма в целом. Если биоматериал отвечает данному

требованию,

его

называют

биологически

совместимым

или

биосовместимым.

Способы

производства

из биоматериалов

изделий медико-

биологического назначения в значительной мере зависят от области

будущего их практического применения. Важнейшими подобными

направлениями

являются

производство

протезов,

создание

бионженерных

конструкций,

а

также

изготовление

систем

с

биологической активностью (лекарств).

Отсутствие

частей

тела,

органов,

участков

ткани

может

возникать в результате различных травм или заболеваний, а также в

результате хирургического вмешательства с удалением измененных

тканей,

например,

при

онкологических

заболеваниях.

В

ряде

случаев

организм

неспособен

справиться

с

повреждением

естественными

механизмами

регенерации.

Тогда

возникает

необходимость

в замещении

дефекта.

С этой целью

используют

материалы,

способные

компенсировать

нарушения

целостности

организма. Такая компенсация получила название протезирования.

А

изделия,

используемые

для

частичного

или

полного

восстановления

формы и функции

ткани,

органа

или

части тела

получили названия протезов.

Протезирование

является

смежной

дисциплиной

между

техникой

и

медициной,

тесно

связано

с

реконструктивной

хирургией,

ортопедией

и

травматологией.

Протез

может

устанавливаться

как

снаружи

–

экзопротезирование,

так

и

помещаться во внутреннюю среду организма, тогда это называется

эндопротезирование

или

имплантация;

соответственно

изделие

будет называться имплантом.

Для изготовления имплантов могут применять биоматериалы

как природного небиологического (металлы, керамика, полимеры),

так

и

биологического

(ткани

животных,

хитин,

кораллы)

происхождения,

синтетические

материалы,

а

также

комбинации

всех вышеперечисленных или биокомпозиции.

Биоинженерия

(англ.

bioengineering)

—

это

одно

из

современных

научных

направлений,

возникшее

на стыке химии,

биологии,

биофизики,

генной

инженерии

и

компьютерных

технологий,

развивающее

применение

инженерных

принципов

в

биологии

и

медицине.

Быстрое

развитие

этих

областей

за

последние

годы

позволило

ученым

перейти

от

простого

исследования

природных

биообъектов

к

их

изменению

и

усовершенствованию,

улучшению

их полезных свойств, созданию

совершенно

новых

биологических

объектов,

не

существующих

в

природе.

Сфера

деятельности

биоинженерии

простирается

от

создания

искусственных

органов

до

разработки

генетически

модифицированных

организмов.

Методы,

связанные

с

биоинженерией,

принято

подразделять

на

генную,

клеточную

и

тканевую инженерию, на практике они часто дополняют друг друга.

Тканевая

инженерия направлена

на изготовление

сложных

гибридных

конструкций

из

биоматериалов

и

живых

клеток,

для

восстановления

пораженных или утраченных тканей в организме.

При

этом

биоматериалы

используются

для

создания

матричной

основы, в которую будут помещены клетки будущей ткани. Среди

биоматериалов, подходящих для формирования матричной основы

(каркаса), можно выделить следующие: из металлов – магний; из

простых

органических

соединений

–

фосфаты

кальция,

гидроксиапатит, кремнезем и глинозем; из природных полимеров -

полилактид,

поликапролактон,

полиортоэфиры;

из

синтетических

полимеров

–

полиуретан,

метилметакрилат;

из

материалов

биологического происхождения – коллаген, хитозан, желатина.

Биоматериалы активно используются и для создания систем,

обладающих

различной

биологической

активностью,

т.е.

способностью

воздействовать

на

биологические

объекты

(в

том

числе

на

организм

человека),

регулируя

их

жизнедеятельность.

Примерами могут являются:

•

Порошкообразные

наполнители

таблеток

(крахмал,

поливиниловый спирт и другие биополимеры).

•

Полимерные

покрытия

шовных

материалов,

катетеров,

эндопротезов, содержащие антисептики, антибиотики.

•

Многослойные,

наклеивающиеся

на

кожу

терапевтические системы из биоматериалов на полимерной основе

для пролонгированного введения лекарственных веществ.

•

Носители лекарственных

препаратов из наноразмерных

биоматериалов (липосомы, наносферы, наноагрегаты).

В

последние

годы

серьезное

внимание

уделяется

производству

разлагаемых

биоматериалов

общего

назначения.

Прогнозируется,

что

такие

биоматериалы,

безопасные

с

экологической точки зрения, найдут широкое применение не только

в медицине, но при создании разлагающихся в окружающей среде

упаковок,

одноразовых

предметов

обихода,

специальных

видов

одежды и т. п. Из таких биоматериалов можно отметить целлюлозу

и

крахмал.

Изделия

на

их

основе

достаточно

быстро

фрагментируются и усваиваются почвенными микроорганизмами.