CC BY
56
Aksenova Svetlana Vladimirovna
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected] Ivanenko Dmitrii Vladimirovich
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected] Palatnikov Mikhail Nikolaevich
Dr. Sc. (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected] Ivanenko Vladimir Ivanovich
Dr. Sc. (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.526-531 УДК 616.71; 61 - 089.844
ИНЪЕКЦИОННЫЕ РЕНТГЕНОКОНТРАСТНЫЕ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫЕ ЦЕМЕНТЫ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ
Д. Н. Грищенко, М. А. Медков
ФГБУН Институт химии ДВО РАН, г. Владивосток, Россия Аннотация
Получены композиционные кальций-фосфатные цементы для восстановления костной ткани, содержащие рентгеноконтрастные вещества — Ta2O5 или (BiO)2CO3. Их присутствие в цементе позволит отслеживать процесс регенерации костной ткани. За счет многокомпонентного состава цемента, при котором одни фазы резобируются медленно, а другие быстро, достигается пролонгированное предоставление организму материала, участвующего в остеогенезе. Полученные цементные пасты способны инжектироваться через иглу шприца с внутренним диаметром 2 мм, не расслаиваясь, благодаря введению в нее полиэтиленгликоля. Ключевые слова:
остеопластические материалы, кальций-фосфатные цементы, рентгеноконтрастные вещества, полиэтиленгликоль.
INJECTABLE RADIOPAQUE CALCIUM-PHOSPHATE CEMENTS FOR BONE TISSUE REPAIR
D. N. Grishchenko, M. A. Medkov
Institute of Chemistry of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Vladivostok, Russia Abstract
The composition calcium-phosphate cements for osteoplasty containing an radiopaque substances — Ta2O5 or (BiO)2CO3 — have been obtained. Their presence in the cement will let to control the process of the bone tissue regeneration. Due to the multicomponent composition of the cement when some phases are resorbed slowly and others rapidly, it was achieved the prolonged delivery of a material participating in osteogenesis to organism. The cement pastes prepared can be injected through a syringe needle with the internal diameter 2 mm without cleavage due to inclusion of polyethylene glycol. Keywords:
osteoplastic materials, calcium-phosphate cements, radiopaque substances, polyethylene glycol.
Создание биологически активных материалов, способных заменить поврежденные участки костной ткани, по-прежнему является приоритетным направлением современного медицинского материаловедения. В настоящее время широко применяется регенеративный подход, заключающийся в восстановлении структурной и функциональной целостности костных тканей за счёт стимуляции собственных остеогенных клеток и активизации их синтетической и секреторной способности. В травматологии и челюстно-лицевой хирургии в качестве костнозамещающих материалов применяют композиционные кальций-фосфатные цементы. Регенерация костной ткани при их использовании происходит благодаря постепенной резорбции ортофосфатов кальция с вовлечением минеральных компонентов в остеогенез. К преимуществам биоактивных цементов
следует отнести следующие: восстановление участков кости, минуя предварительную подготовку импланта (формовка, обжиг и т. д.); способность цементной пасты заполнять любые геометрически сложные костные дефекты; возможность введения материала при помощи малоинвазивных хирургических манипуляций; возможность добавления различных лекарственных веществ во время подготовки пасты.
Один из возможных способов получения кальций-фосфатного цемента — смешивание трикальцийфосфата (ТКФ), монокальцийфосфата моногидрата и воды. Конечным продуктом реакции Са3(РО4)2 + Са(Н2РО4)2-Н2О + 7Н2О ^ 4СаНРО4-2Н2О является дикальцийфосфат дигидрат — брушит. Экспериментальные исследования указывают на то, что брушитовые кальций-фосфатные цементы имеют более высокую скорость резорбции в организме по сравнению с апатитовыми [1, 2]. Их резорбция in vivo настолько высока, что растущая костная ткань не успевает заполнять образующиеся полости [3]. Поэтому эти соединения не подходят для самостоятельного применения в качестве заменителей костной ткани, а используются лишь как компоненты кальцийфосфатных цементных смесей. Скорость биодеградации имплантируемых материалов должна максимально совпадать со скоростью роста новой кости. Избыточное по отношению к стехиометрическому количество трикальцийфосфата в составе исходного цемента увеличивает отношение Ca/P и повышает значение рН твердеющего раствора. Это приведет к снижению растворимости конечного цементного состава в организме. Изменение количества ТКФ в смеси позволит регулировать конечный состав имплантируемых материалов, а значит, влиять на скорость резорбции. Индивидуальные особенности организма диктуют необходимость иметь серию материалов с различной скоростью резорбции.
При получении кальций-фосфатного цемента нами использовались следующие составляющие [4]. Компоненты твердой фазы: трикальцийфосфат и монокальцийфосфат моногидрат с мольным соотношением 1 : 1 или 1,5 : 1. Компоненты жидкой фазы: вода или 17 %-й водный раствор полиэтиленгликоля (ПЭГ), или 30 %-я коллоидная силикатная суспензия в воде (КСС). Очевидно, что фазовый состав цемента влияет не только на резорбируемость, но и на его прочность. Как показывают экспериментальные данные, в зависимости от выбранной затворяющей жидкости прочность образцов распределяется следующим образом: раствор ПЭГ < вода < КСС. При увеличении ТКФ в смеси компонентов ТКФ + МКФМ до соотношения 1,5 : 1 происходит увеличение прочности образцов в среднем в 1,5 раза. На прочность цемента влияет соотношение твердой (Т) и жидкой (Ж) фаз. Был исследован интервал значений Т/Ж от 0,8 до 2. Оптимальное соотношение Т/Ж находится в пределах 1,2-1,5. За пределами этого интервала значений прочность цемента значительно падает.
Рентгенофазовый анализ показал, что при соотношении компонентов ТКФ : МКФМ = 1 : 1 конечным соединением через 24 ч после затворения твердой фазы водой является СаНРО42Н2О (брушит) — рис. 1, 1; при соотношении компонентов ТКФ : МКФМ = 1,5 : 1 в составе цемента обнаруживаются две фазы: СаНРО4-2Н2О + Саю(РО4)6(ОН)2 (брушит + гидроксиапатит — рис. 1, 2.
Рис. 1. Дифрактограммы образцов с различным соотношением компонентов: 1 — ТКФ : МКФМ = 1 : 1; 2 — ТКФ : МКФМ = 1,5 : 1
Значение рН твердеющего цемента увеличивается по мере протекания реакции между твердой и жидкой фазами, достигая к моменту схватывания значений рН, близких к нейтральным. Время схватывания цемента 3-5 мин при использовании воды или КСС и около 20 мин при использовании ПЭГ. Время полного затвердевания цемента 2-4 ч, средние значения прочности полученных материалов 2-6 МПа.
В настоящее время для диагностики различных заболеваний внутренних органов, в том числе и костной ткани, используют рентгеновские лучи. Возможности этого вида диагностики увеличиваются при использовании
рентгеноконтрастных веществ (РКВ). Наличие рентгеноконтрастных веществ в цементной пасте позволяет контролировать процесс заполнения дефектов и восстановления поврежденных тканей. Однако введение некоторых рентгеноконтрастных веществ, например йодсодержащих, сопровождается рядом побочных эффектов. Отмечено их токсическое действие на кровь, почки, печень и щитовидную железу [5, 6]. Благодаря своей значимости для медицины продолжается поиск эффективных и безопасных РКВ. Наиболее перспективными для рентгенодиагностики являются нетоксичные рентгеноконтрастные соединения тантала [7].
Своими характеристиками привлекают висмутсодержащие соединения. Они обладают обеззараживающими, подсушивающими, вяжущими и антисептическими свойствами. Ими лечат многие неспецифические воспалительные процессы. На основе галлата, тартрата, карбоната, трибромфенолята, субцитрата и субсалицилата висмута разработано множество медицинских препаратов [8]. Висмутсодержащие препараты снижают токсический эффект, возникающий при проведении противораковой химиотерапии [9]. Считается, что препараты висмута обладают умеренной токсичностью. Длительный прием или прием в больших концентрациях вызывает осложнения. Хроническое отравление висмутом приводит к изменению липидного, белкового и углеводного обмена в организме, снижению содержания гемоглобина в крови и другим нарушениям.
Нами получены рентгеноконтрастные кальций-фосфатные цементы для восстановления костной ткани. Они состоят из следующих компонентов. Для твердой фазы выбраны: трикальцийфосфат и монокальцийфосфат моногидрат с мольным соотношением 1,5 : 1, а также РКВ ((BiO)2CO3 или Ta2O5) в количествах от 0 до 20 %. На основе результатов работы [4] в качестве затворяющей жидкости выбрали 30 % КСС. При прохождении через иглу цементы на основе фосфатов кальция склонны к расслаиванию. Для улучшения свойств цементной пасты, а также для продления сроков ее схватывания в затворяющую жидкость введен ПЭГ в количестве 5 %. ПЭГ — нейтральный, водорастворимый полиэфир, который обладает относительно низкой токсичностью по отношению к тканям организма [10, 11]. Он применяется в качестве добавки, улучшающей инъекцируемость биоцементов [12, 13], а также используется в системах доставки лекарственных препаратов [14, 15]. Благодаря введению ПЭГ большая часть образцов приобрела приемлемую пластичность и не расслаивлась. За приемлемую пластичность принималась пластичность, при которой цементное тесто способно проходить через иглу с внутренним диаметром 2 мм.
Согласно данным рентгенофазового анализа, который проводился через 24 ч после смешения твердой и жидкой фаз, в составе цемента с (BiO)2CO3 присутствуют: брушит (СаНРО42Н2О), гидроксиапатит (Саю(РО4)6(ОН)2), монетит (СаНРО4) и карбонат висмутила ((BiO)2COз). Установлено, что при малых количествах РКВ в цементной пасте (до 5 %) основными компонентами являются: брушит, гидроксиапатит и карбонат висмутила (рис. 2).
Рис. 2. Дифрактограммы исследуемых образцов цементов, где в составе смеси: 1 — 0 % РКВ; 2 — 5 % РКВ; 3 — 20 % РКВ
Была исследована прочность образцов при переменных значениях Т/Ж в цементной пасте и при постоянном содержании в ней (BiO)2COз, равном 5 %. Исследовался интервал 1,52 > Т/Ж > 1. Прочность образцов в этом интервале линейно падает от 2,3 до 0,8 МПа. За пределами этого интервала неудовлетворительными являются характеристики цементной пасты: при Т/Ж >1,52 паста не инъецируется через шприц, а при Т/Ж < 1 время схватывания образцов составляет более 40 мин. Таким образом, существуют оптимальные
соотношения Т / Ж, при которых достигается максимальная прочность цемента на сжатие, при сохранении приемлемой пластичности цементной пасты и удовлетворительном ее времени схватывания. Интервал 1,2 < Т / Ж < 1,4 удовлетворяет этим условиям. Для дальнейших исследований было выбрано отношение Т / Ж = 1,3. В табл. 1 представлены характеристики образцов кальций-фосфатных цементов, полученных в работе.
Таблица 1
Характеристики образцов кальций-фосфатных цементов
№ п/п Количество (ВЮ)2СОз в образце, % Время схватывания, мин Прочность на сжатие, МПа Рентгеноконтрастность, ни
1 0 5 2,9 661
2 2 6 2,2 1078
3 3 7 2,2 1205
4 5 7 2,1 1407
5 7 9 2,0 1843
6 10 10 1,75 2280
7 15 13 1,45 2886
8 20 15 1,05 3071*
* Верхний предел съемки рентгеноконтрастности вещества.
Время схватывания исследуемых образцов колеблется от 5 до 15 мин. Время полного затвердевания цемента 2-3 ч. На прочность образцов влияет содержание РКВ в смеси компонентов: увеличение РКВ снижает прочность цемента (табл. 1). Как известно, заполнение костных дефектов необходимо производить материалами с механическими характеристиками, подобными костным, а прочность на сжатие трабекулярной костной ткани находится в пределах 2-12 МПа [16]. Таким образом, прочность полученных материалов становится неудовлетворительной при содержании в них (ВЮ)2СО3 более 7 %.
Для образцов с Та2О5 отношение Т/Ж было выбрано равным 1,4. Состав полученного цемента аналогичен образцам с (ВЮ)2СОз — брушит + гидроксиапатит + монетит + РКВ (оксид тантала — рис. 3. В табл. 2 представлены характеристики образцов кальций-фосфатных цементов, исследуемых в работе.
Рис. 3. Дифрактограммы исследуемых образцов цементов с 20 % РКВ в составе смеси (2) и без него (1)
Таблица 2
Характеристики образцов кальций-фосфатных цементов
№ п!п Количество Ta2O5 в образце, % Время схватывания, мин Прочность на сжатие, MÜH Рентгеноконтрастность, HU
1 0 5 3,2 961
2 0,5 7 3,0 1049
3 1 7 2,9 1122
4 3 7 3,0 1500
5 5 7 3,0 193S
6 10 10 2,9 2766
7 15 13 2,9 3071*
S 20 15 2,4 3071*
* Верхний предел съемки рентгеноконтрастности вещества.
Время схватывания исследуемых образцов колеблется от 5 до 15 мин. Время полного затвердевания цемента 2-3 ч, прочность большинства полученных материалов около 3 M№. Учитывая, что прочность на сжатие трабекулярной костной ткани находится в пределах 2-12 M№ [16], прочности исследуемых образцов будет достаточно для применения их в качестве материалов, заполняющих костные дефекты. Время схватывания цемента и его пластичность можно регулировать количеством ПЭГ, а также отношением Т I Ж. Варьировать эти значения желательно в определенных пределах. Как показывают исследования, максимально прочные цементы получаются при одновременном выполнении нескольких условий: 5 % < ПЭГ <10 %; 1,2 < Т I Ж < 1,4; 3 < РКВ < 5. В этих случаях время схватывания цемента максимально подходит для проведения хирургических манипуляций и составляет 7-10 мин.
Костные ткани имеют собственную рентгеноконтрастность, которая по классификации C. Mish в зависимости от формы, строения, функции и развития варьирует в диапазоне от 350 до 1250 Hu (единицы Хаунсфилда). Из таблиц 1 и 2 видно, что для визуализации имплантата достаточным является 3 %-е содержание Ta2O5 в цементной пасте, а добавление оксида тантала свыше 15 % нецелесообразно. Для цементной пасты с карбонатом висмутила его содержание должно быть не менее 3,5 %, но и не более 7 %.
Назначение полученных композиционных кальций-фосфатных цементов — закрытие небольших полостей в костных тканях, а также лечение трещин травматического генезиса исключительно в местах, где костная ткань не несет существенной нагрузки. Достоинствами полученных материалов являются биосовместимость и малая инвазивность хиругрических манипуляций — возможность введения пасты с помощью шприца. Наличие рентгеноконтрастных веществ в материалах позволит контролировать процессы заполнения и регенерации дефектов костной ткани.
Литература
1. Сафронова Т. В., Путляев В. И. Mедицинское неорганическое материаловедение в России: кальцийфосфатные материалы II Наносистемы: физика, химия, математика. 2013. Т. 4, № 1. С. 24-47.
2. Вересов А. Г., Путляев В. И., Третьяков Ю. Д. Химия неорганических биоматериалов на основе фосфатов кальция II Рос. хим. журн. 2004. Т. XLVIII, № 4. С. 52-64.
3. In vivo behavior of three different injectable hydraulic calcium phosphate cements I D. Apelt et al. II Biomaterials. 2004. Vol. 25. P. 1439-1451.
4. Кальций-фосфатные цементы для реконструкции костной ткани I M. А. Mедков и др. II Химическая технология. 2015. Т. 16, № 1. С. 12-17.
5. Домарадская А. И. Что нужно знать о побочных реакциях на контрастные вещества? II Российский электронный журнал лучевой диагностики. 2012. Т. 2, № 1. С. 71-73.
6. Фоминых В. П., Финешин И. Н., Шариков П. В. Рентгеноконтрастные препараты. Взгляд реаниматолога II Российский электронный журнал лучевой диагностики. 2012. Т. 2, № 1. С. 35-43.
7. Новые материалы для медицины I под ред. M. Г. Зуева, Л. П. Ларионова. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 151 с.
S. Yang N., Sun H. Biocoordination chemistry of bismuth: Recent advances II Coord. Chem. Rev, 2007. Vol. 251. P. 2354-2366.
9. Seyed K. Imam. Advancements in cancer therapy with alpha-emitters: a review II Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. 2001. Vol. 51, Iss. 1. P. 271-27S.
10. Влияние модификации поли-3-оксибутирата полиэтиленгликолем на жизнеспособность клеток, культивируемых на полимерных пленках I И. И. Жаркова и др. II Биомедицинская химия. 2012. Т. 58, вып. 5. С. 579-591.
11. Новый биосовместимый материал на основе модифицированного твердофазным методом хитозана для лазерной стереолитографии I П. С. Тимашев и др. II Современные технологии в медицине. 2015. Т. 7, № 3. С. 20-31.
12. Hesaraki S., Borhan S., Zamanian A., Hafezi-Ardakan M. Rheological properties and injectability of p-tricalcium phosphate-hyaluronic acid/polyethylene glycol composites used for the treatment of vesicoureteral reflux // Advances in Biomedical Engineering Research. 2013. Vol. 1, Iss. 3. Р. 40-44.
13. Rabiee S. M., Baseri H. Prediction of the setting properties of calcium phosphate bone cement // Computational Intelligence and Neuroscience. 2012.Vol. 2012. 8 p.
14. Jo S., Park K. Surface modification using silanated poly(ethylene glycol)s // Biomaterials. 2000. Vol. 21, no. 6. P. 605-616.
15. Effect of PEG amount in amorphous calcium phosphate on its crystallized products / S. Liu et al. // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2009. Vol. 20, no. 1. P. 359-363.
16. Баринов С. М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины // Успехи химии. 2010. Т. 79, № 1. С. 15-32.
Сведения об авторах
Грищенко Дина Николаевна
кандидат химических наук, ФГБУН Институт химии ДВО РАН [email protected] Медков Михаил Азарьевич
доктор химических наук, ФГБУН Институт химии ДВО РАН, г [email protected]
Grishchenko Dina Nikolaevna
PhD (Chemistry), Institute of Chemistry of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Vladivostok, Russia
Medkov Mihail Azar'evich
Dr. Sc. (Chemistry), Institute of Chemistry of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Vladivostok, Russia [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.531 -534 УДК 544.1
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ ЙОДИДА КАДМИЯ НА СЕНСОРНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК PbS К ДИОКСИДУ АЗОТА
А. Е. Бездетнова1, Ю. Г. Шашмурин1, А. С. Франц1, В. Ф. Марков12, Л. Н. Маскаева1,2
1 Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Россия
2 Уральский институт ГПС МЧС России, г. Екатеринбург, Россия Аннотация
Исследована возможность создания и использования сенсорного элемента для определения диоксида азота на основе тонкой полупроводниковой пленки PbS, синтезированного с легированием солью йодида кадмия. В качестве отклика сенсорных элементов к диоксиду азота использовалось изменение омического сопротивления. Установлена возможность многоразового использования в связи с релаксацией плёнок. Ключевые слова:
химические сенсоры, халькогениды металлов, диоксид азота, сульфид свинца, тонкие пленки.
THE INFLUENCE OF ALLOYING ADDITIVE OF CADMIUM IODIDUM ON SENSORY PROPERTIES OF PbS THIN FILMS TO NITROGEN DIOXIDE
A. E. Bezdetnova1, Yu. G. Shashmurin1, A. S. Franz1, V. F. Markov12, L. N. Maskayeva12
1 Ural Federal University Named after the First President of Russia B. N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russia
2 Ural Institute of GPS Emercom of Russia, Yekaterinburg, Russia
Abstract
The possibility of creation and use of a sensor element for nitrogen dioxide definition on the basis of a thin semiconductor film of PbS synthesized by doping cadmium iodidum salt, has been investigated. As a response of sensor elements to nitrogen dioxide, a change in ohmic resistance was used. The possibility of reusable use in connection with the relaxation of films was established. Keywords:
chemical sensors, metal chalcogenides, nitrogen dioxide, lead sulfide, thin films.
, г. Владивосток, Россия . Владивосток, Россия
