CC BY
28
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2019 - V. 26, № 3 - P. 33-36
УДК: 538.958 DOI: 10.24411/1609-2163-2019-16480
ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КСЕНОГЕННОГО МАТЕРИАЛА И ГУБЧАТОЙ КОСТНОЙ ТКАНИ ЧЕЛОВЕКА НА
ОСНОВЕ СТРУКТУРНЫХ И МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ДЛЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО
ОСТЕОКОНДУКТИВНОГО МАТЕРИАЛА
Ю.А. ИППОЛИТОВ**, Д.Л. ГОЛОЩАПОВ*, П.В. СЕРЕДИН*, М.М. ТАТАРИНЦЕВ**, Л.В. БУТ**,
А.Л. ГАВРИЛОВ-БАЛАБАН**
*ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл. 1, Воронеж, 394018, Россия **ФГБОУ «Воронежский государственный медицинский университет им. Н.Н. Бурденко», Студенческая ул. 10, Воронеж, 394036, Россия
Аннотация. Целью исследования явилось проведение дифференцировки основных структурных и морфологических особенностей естественных и синтетических биокомпозитов для выбора оптимального остеокондуктивного материала при реализации задач остеозамещения. В работе были выбраны образцы материалов, которые относятся к фосфатам кальция, а именно к гидроксиапатиту кальция с разной морфологической организацией - остеокондуктивный материал ксеногенной группы, представляющий собой обработанные костные блоки бедренной кости крупного рогатого скота с органической составляющей коллагена I типа, губчатая кость нижней челюсти человека и биомиметический карбонат-замещенный гидро-ксиапатит кальция, синтезированный с использованием яичной скорлупы птиц. Стуктура и определение фазового состава неорганической составляющей образцов были изучены методом рентгеновской дифракции. Анализ структурных, молекулярных и морфологических характеристик остеокондуктивных образцов показал, что они не соответствуют в полной мере аналогичным свойствам, характерным для губчатой костной ткани человека. Это создает условия для серьезного ограничения в их практическом применении. Кроме того, обнаруженные в работе особенности в спектроскопических характеристиках натив-ной кости и ксенографта могут использоваться в диагностических целях, а также при разработке новых остеокондуктивных средств ксеногенного и синтетического происхождения.
Ключевые слова: челюстно-лицевая хирургия, остеозамещение, ксеногенный костный блок, гидроксиапатит кальция.
mMPARATIVE CHARACTERISTICS OF A XENOGENIC MATERIAL AND CANCELLOUS BONE TISSUE BASED ON STRUCTURAL AND MORPHOLOGICAL FEATURES TO CHOOSE THE OPTIMAL OSTEOPLASTIC MATERIAL
YU.A. IPPOLITOV**, D.L. GOLOSHCHAPOV*, P.V. SEREDIN*, M.M. TATARINCEV**, L.V. BUT**,
A.V. GAVRILOV-BALABAN**
*Voronezh State University, Universitetskaya Pl. 1, Voronezh, Russia, 394018
"Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko, Studencheskaya Str., 10, Voronezh, Russia, 394036
Abstract. The research purpose was to conduct a comparative analysis the main structural and morphological features of natural and synthetic biocomposites to choosing the optimal osteoplastic material for the purpose of osteorepair. The samples for the analysis were osteoplastic specimens which are calcium phosphates, namely calcium hydroxiapatites with a varying morphological structure, i.e. a xenogenic osteoplastic material which were cattle hip bone blocks, a human spongy lower jaw bone and a biomimetic carbon-replaced calcium hydroxyapatite synthesized using a bird's egg shell. The analysis of the structural, molecular and morphological characteristics of the samples showed that they don't fully correspond to those similar characteristics of a human spongy bone tissue. This fact is severely restrictive in terms of their practical application. In addition, the features of the spectroscopic characteristics of a native bone and xenograft identified throughout the course of the study can be used for diagnostic purposes as well as for the development of new xenogenic and synthetic osteoplastic products.
Keywords: maxillofacial surgery, osteorepair, xenogeneic bone block, calcium hydroxyapatite.
Введение. В настоящее время в стоматологической практике применяются, исследуются и разрабатываются синтетические органоминеральные материалы с качественно различными свойствами для восполнения разнообразных дефектов твердой ткани человеческого организма. Природа таких материалов может быть и чисто синтетической, когда материалы получаются, как продукт химической или биогенной реакции, где образцы представляют собой форму обработки биологических объектов. Оба подхода ставят целью создание стоматологических материалов, в том числе для челюстно-лицевой хирургии с максимально близкой структурой, составом и морфологией к твердым тканям человека, что является одним из активно развивающихся направлений современного биоматериаловедения [1,3,5].
Доказано, что наилучшие результаты по интеграции с костной тканью имеют материалы, содержащие в своем составе аналог минеральной составляющей костной ткани человека - гидроксиапатит кальция [1,7] и органическую матрицу, используемую для улучшения репаративных процессов и повышения тропности. Комплексные материалы -биокомпозиты, разработанные на основе гидроки-сапатита кальция, коллагена и хитозана или иной биодеградируемой органической матрицы, имеют ряд преимуществ для стоматологического применения в плане контроля их биоактивности и скорости резорбции [5].
Цель исследования - провести дифференци-ровку основных структурных и морфологических особенностей естественных и синтетических биокомпо-
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2019 - V. 26, № 3 - P. 33-36
зитов для выбора оптимального остеокондуктивного материала для реализации задач остеозамещения.
Материалы и методы исследования. В работе были выбраны образцы материалов, которые относятся к фосфатам кальция, а именно к гидроксиапа-титу кальция с разной морфологической организацией. Образец №1 - остеокондуктивный материал ксеногенной группы, представляющий собой обработанные костные блоки бедренной кости крупного рогатого скота. Материал содержал в своем составе органическую составляющую, которая относится к коллагену 1 типа, а также сульфатированные глико-заминогликаны, внесенные для ускорения репара-тивных процессов в очаге остеозамещения [6]. Образец №2 - губчатая кость нижней челюсти человека, состав которой детально описан в литературных источниках [7,9]. Образец №3 - биомиметический кар-бонат-замещенный гидроксиапатит кальция, синтезированный с использованием яичной скорлупы птиц [9]. В работе было исследовано по 7 однотипных образцов каждого вида, полученных в различное время. Представленные в работе экспериментальные данные по каждому типу образца были усреднены по каждой группе для исключения случайных ошибок.
Структура и определение фазового состава неорганической составляющей описанных выше образцов (№1, №2, №3) были изучены методом рентгеновской дифракции. Данный метод дает интегральную оценку атомной структуры неорганических материалов и помогает выявить ее неоднородности, дефекты, искажения, позволяет определить размер нанокристаллов в биологических объектах и наличие примесных фаз, а также установить фундаментальные свойства материалов. Рентгенофазовый анализ выполнен с использованием международной базы данных ICDD (International Center for Diffraction Data). Исследование молекулярного состава, в том числе органической составляющей биогенных материалов, проводилось на основе метода инфракрас-ной-Фурье спектроскопии (спектрометр VERTEX-70, «Bruker», Германия). Определение элементного состава полученных материалов проводилось методом рентгеноспектрального микроанализа на рентгеновском микроанализаторе JED-2200 - приставке к растровому электронному микроскопу JEOL, на котором также исследовалась морфология исследуемых в работе образцов. Особенности поверхности материалов с пористой структурой исследовались методом оптической микроскопии с использованием микроскопа твердомера ПМТ-3 (Россия).
Результаты и их обсуждение. Исследования материалов методом рентгеновской дифрактомет-рии показали, что ксеногенный материал (образец №1), губчатая кость нижней челюсти человека (образец №2) и синтезированный по разработанной нами методике карбонат-замещенный гидроксиапа-тит кальция (образец №3), имеют структуру гидро-ксиапатита кальция с различными особенностями.
Проведенный анализ позволяет установить, что костная ткань человека и костные блоки, полученные из бедренной кости крупного рогатого скота, содержат искажения в кристаллической структуре в результате дефектов. Эти биологические материалы содержат в своем составе большое количество сторонних ионов и комплексов, которые и приводят к искажениям в структуре биогенного гидроксиапати-та. Выявлено, что размер нанокристаллов гидро-ксиапатита, по результатам расчетов в образцах костной ткани человека и ксеногенного материала крупного рогатоко скота составляет ~10 нм, что меньше, чем в синтезированном карбонат-замещенном гидроксиапатите кальция (~35 нм). Этот факт подтверждает известные данные о нанок-ристаллической природе костного скелета [9]. Метод рентгеновского микроанализа доказывает, что все изученные в работе материалы являются фосфатами кальция с различным соотношением кальция и фосфора (Са/P). Эти данные согласуются с результатами исследований других авторов [2]. Биологические образцы (№1 и №2) отличаются от синтетического гидроксиапатита (образец №3) по содержанию углерода, что является следствием наличия органической составляющей в биогенных материалах. По этой причине содержание кальция и фосфора в образцах №1 и №2 снижено по сравнению с синтетическим образцом №3. Отметим, что в синтетическом гидроксиапатите в незначительной концентрации присутствует магний. Это является следствием используемого для синтеза источника гидроксиапа-тита - яичной скорлупы.
Полученные методом ИК-спектроскопии результаты подтвердили данные рентгеноструктурно-го анализа о том, что в костной ткани человека и в ксеногенном материале крупного рогатого скота основной кристаллической фазой является гидроксиапатит кальция (рис. 1).
3000 2850 1750 1500 1250 700 600
и, cm'1
Рис. 1. Выделенные области изменений в ИК-спектрах исследуемых материалов: 1 - ксеногенного материала крупного рогатого скота, 2 - костной ткани человека, 3 - синтезированного гидроксиапатита, * - моды, относимые к гли-козаминогликанам (ГАГ)
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2019 - V. 26, № 3 - P. 33-36
В соответствии с полученными данными в составе синтетических материалов обнаружены амидные группы белка коллагена (Амид I, II, III), присутствующего в нативной костной ткани [4]. Следует отметить, что ксеногенный материал крупного рогатого скота хотя и имеет в своем составе описанные молекулярные группы, однако, в соответствии с экспериментальными данными, их содержание в различных образцах ксенографта является индивидуальным. Исходя из информации об особенностях, имеющихся в ИК-спектрах органических соединений известно, что перераспределение интенсивностей и асимметрия у наблюдаемых в ИК-спектрах колебательных мод соответствует изменениям, происходящим на молекулярном уровне в биологических объектах. Данный факт означает, что в составе ксенографта крупного рогатого скота присутствует не только коллаген I типа, но и обнаруживаются органические структуры другой природы, отсутствующие в нативной костной ткани человека, что, возможно, является следствием производственной обработки ксенографта. В том числе, в спектре образца №1 в областях 550-750 и 12001800 см-1 наблюдаются особенности - моды колебаний (рис.1). Данные моды в ИК-спектрах соответствуют сульфатированным гликозаминогликанам, которые добавляются к ксеногенному материалу для улучшения репаративных процессов [4]. Однако сопоставление относительных интенсивностей таких мод колебаний, как коллагена I типа c данными ИК-спектров работ по ксеногенным остеопластическим материалам, имеющим положительную динамику при остеозамещении, приводят к заключению о нарушении состава материала и вопросу о концентрации как остаточного ксеноколлагена, так и сульфати-рованных гликозаминогликанов [7].
Ввиду разной иерархической организации изучаемых в работе материалов, а также с целью обнаружения остаточных органических волокон у биокомпозитов, исследование морфологии образцов группы №1, №2, №3 провели методом оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии. Результаты оптической микроскопии (рис. 2) показали, что остеопластический материал крупного рогатого скота отличается морфологическим строением от губчатой костной ткани челюсти человека не только иерархической структурой, но и размерами пор костного матрикса.
Рис. 2. Изображения, полученные с оптического микроскопа морфологии образцов костной ткани человека
(слева) и остеопластических ксеногенных материалов крупного рогатого скота(справа) при увеличении *120 крат
При рассмотрении образцов №1 и №2 (рис. 2) видно, что в образце костной ткани человека присутствуют сопряженные макропоры с размерами более 500 мкм, в то время как в ксеногенном образце купного рогатого скота размер пор в среднем колеблется в интервале ~ 120-250 мкм с присутствием включений и меньшей плотностью пор на единицу поверхности. Считается, что для достижения достаточной тропности пористый остеоинтегратор должен содержать систему взаимосвязанных открытых и сопряженных между собой крупных пор [5,9]. Распределение по размерам этих пор должно находиться в пределах от 50 до 500 мкм - аналогично костной ткани человека. Поэтому отсутствие в ксеногенном материале крупных пор ставит вопрос о применимости остеокондуктивного материала, полученного из бедренной кости животных.
При существенно большем увеличении в ><100000 (рис. 3) в образцах костной ткани человека и ксеногенного материала крупного рогатого скота также обнаруживаются различия. На субмикронном уровне в кости человека присутствуют коллагенопо-добные образования с высокой развитостью, в то время как в ксеногенном материале морфология характеризуется наличием существенно более крупных органических образований, являющихся следствием обработки.
Рис. 3. Микрофотографии сканирующей электронной микроскопии морфологии образцов костной ткани человека (а) и остеопластического ксеногенного материала крупгого рогатого скота (б) при увеличении в *100000 крат
Выводы. Проведенный анализ и сопоставление структурных, молекулярных и морфологических свойств изученных образцов остеокондуктивных материалов показал, что они не соответствуют в полной мере губчатой костной ткани человека, что создает условия для серьезного ограничения в их практическом применении. Выявленные особенности в спектроскопических характеристиках натив-ной кости и ксенографта крупного рогатого скота, могут использоваться при разработке новых остео-интеграторов ксеногенного и синтетического происхождения.
БЛАГОДАРНОСТИ. Исследование в части отработки методики получения биомиметических нанокристаллических модельных материалов на основе гидроксиапатита, воспроизводящих структурные и морфологические особенности эмали
и имеющих высокий потенциал реминерализации твердых тканей выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-15-00003).
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2019 - V. 26, № 3 - P. 33-36
Литература / References
1. Bone Regeneration of Hydroxyapatite with Granular Form or Porous Scaffold in Canine Alveolar Sockets / Jang S.J., Kim S.E., Han T.S. [et al.] // In Vivo. 2017. Vol. 31, № 3. P. 335341 / Jang SJ, Kim SE, Han TS, et al. Bone Regeneration of Hy-droxyapatite with Granular Form or Porous Scaffold in Canine Alveolar Sockets. In Vivo. 2017;31(3):335-41.
2. Elemental Analysis of Bone, Teeth, Horn and Antler in Different Animal Species Using Non-Invasive Handheld X-Ray Fluorescence / Buddhachat K., Klinhom S., Siengdee P. [et al.] // PLOS ONE. 2016. Vol. 11, № 5. P. e0155458. DOI: 10.1371/journal.pone.0155458 / Buddhachat K, Klinhom S, Siengdee P, et al. Elemental Analysis of Bone, Teeth, Horn and Antler in Different Animal Species Using Non-Invasive Handheld X-Ray Fluorescence. PLOS ONE. 2016;11(5):e0155458. DOI: 10.1371/journal.pone.0155458.
3. Fabrication and characterisation of composites materials similar optically and in composition to native dental tissues / Seredin P.V., Goloshchapov D.L., Prutskij T., Ippolitov Y.A. [et al.] // Results Phys. 2017. № 7. P. 1086-1094. DOI: 10.1016/j.rinp.2017.02.02 / Seredin PV, Goloshchapov DL, Prutskij T, Ippolitov YA, et al. Fabrication and characterisation of composites materials similar optically and in composition to native dental tissues. Results Phys. 2017;7:1086-94. DOI: 10.1016/j.rinp.2017.02.02
4. Figueiredo M.M., Gamelas J.A.F., Martins A.G. Characterization of Bone and Bone-Based Graft Materials Using FTIR Spectroscopy // Infrared Spectroscopy - Life and Biomedical Sciences. ed. T. Theophile. In Tech, 2012. P. 315-339. DOI: 10.5772/36379 / Figueiredo MM, Gamelas JAF, Martins AG. Characterization of Bone and Bone-Based Graft Materials Using FTIR Spectroscopy. Infrared Spectroscopy - Life and Biomedical Sciences. ed. T. Theophile. In Tech; 2012. DOI: 10.5772/36379
5. Kulakov A.A., Grigor'ian A.S. Reaction of bone tissue elements on synthetic bioresorbable materials based on lactic and glycolic acids // Stomatologiia (Sofiia). 2014. Vol. 93, № 4. P. 4-7 / Kulakov AA, Grigor'ian AS. Reaction of bone tissue elements on synthetic bioresorbable materials based on lactic and glycolic acids. Stomatologiia (Sofiia). 2014;93(4):4-7.
6. Open-Porous Hydroxyapatite Scaffolds for Three-Dimensional Culture of Human Adult Liver Cells / Finoli A.,
Schmelzer E., Over P. [et al.] // BioMed. Res. Int., 2016. e6040146. DOI: 10.1155/2016/6040146 / Finoli A, Schmelzer E, Over P, et al. Open-Porous Hydroxyapatite Scaffolds for Three-Dimensional Culture of Human Adult Liver Cells. BioMed. Res. Int; 2016. e6040146. DOI:10.1155/2016/6040146.
7. Padalhin A., Abueva C.D.G., Jang D.-W., Lee B.-T. Phosphonate-chitosan functionalization of a multi-channel hydroxyapatite scaffold for interfacial implant-bone tissue integration // J. Mater. Chem. B. 2017. Vol. 5, № 6. P. 12931301. DOI: 10.1039/C6TB03228A / Padalhin A, Abueva CDG, Jang D-W, Lee B-T. Phosphonate-chitosan functionalization of a multi-channel hydroxyapatite scaffold for interfacial implant-bone tissue integration. J. Mater. Chem. B. 2017;5(6):1293-301. DOI: 10.1039/C6TB03228A
8. Rapid characterization of glycosaminoglycans using a combined approach by infrared and Raman microspectroscopies / Mainreck N., Brézillon N., Sockalingum G.D. [et al.] // J. Pharm. Sci. 2011. Vol. 100, № 2. P. 441-450. DOI: 10.1002/jps.22288 / Mainreck N, Brézillon N, Sockalingum GD, et al. Rapid characterization of glycosaminoglycans using a combined approach by infrared and Raman microspectroscopies. J. Pharm. Sci. 2011;100(2):441-50. DOI: 10.1002/jps.22288
9. SEM-EDX Study of the Degradation Process of Two Xenograft Materials Used in Sinus Lift Procedures / Ramírez Fernández M., Gehrke S., Pérez Albacete Martinez C. [et al.] // Materials. 2017. Vol. 10, № 5. P. 542. DOI:10.3390/ma10050542 / Ramírez Fernández M, Gehrke S, Pérez Albacete Martinez C, et al. SEM-EDX Study of the Degradation Process of Two Xenograft Materials Used in Sinus Lift Procedures. Materials. 2017;10(5):542. DOI:10.3390/ma10050542.
10. Understanding the Crystallinity Indices Behavior of Burned Bones and Teeth by ATR-IR and XRD in the Presence of Bioapatite Mixed with Other Phosphate and Carbonate Phases / Piga G., Goncalves D., Thompson T.J.U. [et al.] // Int. J. Spectrosc. 2016. P. 1-9. DOI:10.1155/2016/4810149 / Piga G, Goncalves D, Thompson TJU, et al. Understanding the Crystallinity Indices Behavior of Burned Bones and Teeth by ATR-IR and XRD in the Presence of Bioapatite Mixed with Other Phosphate and Carbonate Phases. Int. J. Spectrosc. 2016:1-9. DOI: 10.1155/2016/4810149.
Библиографическая ссылка:
Ипполитов Ю.А., Голощапов Д.Л., Середин П.В., Татаринцев М.М., Бут Л.В., Гаврилов-Балабан Л.В. Дифференцировка ксеногенного материала и губчатой костной ткани человека на основе структурных и морфологических особенностей для выбора оптимального остеокондуктивного материала // Вестник новых медицинских технологий. 2019. №3. С. 33-36. Б01: 10.24411/1609-2163-2019-16480.
Bibliographic reference:
Ippolitov YUA, Goloshchapov DL, Seredin PV, Tatarincev MM, But LV, Gavrilov-Balaban AV. Differentsirovka ksenogennogo materiala i gubchatoy kostnoy tkani cheloveka na osnove strukturnykh i morfologicheskikh osobennostey dlya vybora optimal'nogo osteokonduktivnogo materiala [Comparative characteristics of a xenogenic material and cancellous bone tissue based on structural and morphological features to choose the optimal osteoplastic material]. Journal of New Medical Technologies. 2019;3:33-36. DOI: 10.24411/1609-2163-2019-16480. Russian.
