CC BY
13
УДК 661.842.455:61 Бурцева О.А. Лукина Ю.С.
КАЛЬЦИЙ ФОСФАТНЫЕ МАТРИКСЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИЗГОТОВЛЕНИИ ХИРУРГИЧЕСКИХ ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ РЕГЕНЕРАТИВНОЙ МЕДИЦИНЫ
Бурцева Ольга Андреевна, студентка 4 курса факультета технологии неорганических и высокотемпературных материалов, кафедры технологии композиционных и вяжущих материалов. РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20. e-mail: Burtseva.1997@mail.ru
Лукина Юлия Сергеевна, к. т. н, доцент кафедры стандартизации и инженерно-компьютерной графики, РХТУ, Москва, Россия.
Синтез и исследование кальцийфосфатных материалов являются актуальным направлением в области медицинских биоматериалов. Получены пористые кальцийфосфатные матриксы, состоящие из карбонатсодержащего гидроксиапатита. Также была изучена и проработана методика подпрессовки материала для улучшения прочностных характеристик, для изготовления макропористых кальцийфосфатных матриксов был применен метод формирования пористой структуры за счет введения вымываемой добавки в сухую смесь фосфатов кальция. Полученный пористый кальцийфосфатный матрикс имеет пористость 17.9% при прочности на изгиб 8,9 МПа, на сжатие -15,5МПа. Материал является биосовместимым, имеет прочностные характеристики, соответствующие губчатой костной кости, может быть использован при реконструкции дефектов костных тканей человека, а также при создании систем локальной доставки лекарственных препаратов в организм человека.
Ключевые слова: Гидроксиапатит, пористость, прочность, консолидация, кальцийфосфатный матрикс, подпресованный кальцийфосфатный матрикс.
«CALCIUM PHOSPHATE MATRIXES USED IN
MANUFACTURING SURGICAL IMPLANTS FOR REGENERATIVE MEDICINE GOALS» Burtseva Olga Andreevna, Lukina Yulia Sergeevna
Synthesis and study of calcium phosphate materials are a current trend in the field of medical biomaterials. Porous calcium phosphate matrices consisting of carbonate-containing hydroxyapatite were obtained. Also, the method of pressing the material was studied and worked out to improve the strength characteristics. For the manufacture of macroporous calcium phosphate matrices, a method of forming a porous structure was used by introducing a leachable additive into a dry mixture of calcium phosphates. The resulting porous calcium-phosphate matrix has a porosity of 17.9% with a bending strength of 8.9 MPa, and a compression ratio of 15.5 MPa. The material is biocompatible, has strength characteristics that correspond to cancellous bone, can be used in the reconstruction of human bone tissue defects, as well as in creating systems for local drug delivery to the human body.
Key words: Hydroxyapatite, porosity, strength, consolidation, calcium phosphate matrix, prepressed calcium phosphate matrix.
В последние десятилетия ведутся активные исследования медицинских цементов из
кальцийфосфатов. Материалы на их основе разрабатываются и применяются в регенеративной медицине, а именно для заполнения дефектов костных тканей, которые образуются в результате необратимых возрастных изменений в организме человека, хирургических вмешательств и травм. Кальций фосфатные цементы обладают хорошей биосовместимостью c тканями организма и способностью к интеграции костей, в тоже время эти материалы проявляют биологическую активность при формировании новой костной ткани. В регенеративной медицине материалы из кальцийфосфатных цементов широко применяют: для пластики костных дефектов, в качестве биоактивных покрытий, как целостные имплантаты,
которые используют в местах с незначительными физиологическими нагрузками, а также для изготовления пористых матриксов для реконструкции костных тканей. Главным преимуществом цементных кальцийфосфатных материалов является его высокая резорбтивная способность в организме человека (свойство материала с течением времени растворяться в организме, минерализуя костный матрикс, и впоследствии частично или полностью заменяться собственной наращенной костной тканью). В настоящее время применение кальцийфосфатных цементов крайне ограничено, несмотря на их хорошую биосовместимость, так как они имеют низкие прочностные характеристики, что позволяет использовать их в основном в качестве покрытий на различные имплантаты и для заполнения дефектов
костей не несущих значительных нагрузок. Также такие цементы получаются микропористыми (размер пор менее 100 мкм), что затрудняет прорастание собственной костной ткани вглубь материала и уменьшает его фиксацию в месте имплантации. Для решения этих проблем было предложено множество эффективных подходов к получению цементных материалов с лучшими механическими характеристиками, одним из которых является получение пористого кальцийфосфатного матрикса по технологии самосватывающихся композитов. Методика изготовления матриксов основана на подпрессовке цементной пасты с целью удаления лишней жидкости с последующим твердением в растворе. Для получения макропористых образцов в сухой порошок вводят необходимое количество удаляемого после твердения цемента порообразователя. Такой материал обладает улучшенными механическими характеристиками по сравнению с цементами, макропористостью для обеспечения прорастания костной ткани. Такая технология сочетает в себе достоинство фосфатных цементов и прочность подобную керамике [1].
В данном исследовании для получения кальцийфосфатных матриксов по технологии самосватывающихся композитов был выбран за основу состав коммерческого цемента Копап ®SRS компании «Койап (ЗупШеБ-Зй^ес)»: а-Саз(РО4)2 / СаСОз / Са№РО4)2-Н2О = 85/12/3, жидкость затворения - раствор Ка2ЫР04-12Ы20 с концентрацией с=10 г/100мл. Матриксы получали с помощью одноосного прессования увлажненной цементной смеси при давлении 130 МПа. В связи с тем, что цементы используемого состава являются гидравлическими, то набор прочности проводили в
растворе отверждения (раствор Ка2ЫР04-12Ы20) с выбранной концентрацией и выдержкой 24 ч при температуре 60 С. Раствор отверждения и жидкость для затворения имели одинаковый состав с целью обеспечения сходства процессов, протекающих в приповерхностных и глубинных слоях образца. В противном случае возможен градиент концентрации растворенных веществ.
Температура отверждения 60 °С была выбрана по результатам предыдущих исследований на основании наилучших прочностных характеристик матриксов, твердеющих в растворе при температурах 20-80°С. Оптимальное время твердения в растворе составляет 24 часа, так как к этому времени кальцийфосфатные
самоотверждаемые композиции набирают максимальную механическую прочность (59,4 МПа при сжатии и 11,2 МПа при изгибе), что связано с фазовым составам при данной кинетике гидратации. Фазовый состав материала меняется с течением времени твердения (рис.1): исходный а-трикальцийфосфат гидролизуется до
гидроксиапатита, конечного продукта. Помимо основных исходной и конечной фаз наблюдается присутствие фазы дикальцийфосфата дигидрата (брушита). Так, при выдержке в течение 1 ч фаза брушита имеет ярко выраженные, интенсивные пики, уменьшающиеся к 4 и далее к 24 ч. Основные пики, характерные для а-трикальцийфосфата и брушита, становятся менее интенсивными с течением времени, тогда как пики фазы гидроксиапатита становятся более интенсивными. Дальнейшее увеличение времени отверждения в растворе до 72 ч не оказывает влияния на прочностные характеристики.
Рис. 1 Фазовый состав цементного камня с выдержкой образцов в растворе при температуре 60°С и
времени: 1) 1 час; 2) 4 часа; 3) 24 часа
С целью увеличения остеоинтеграции и скорости регенерации костной ткани необходима открытая макропористость. Пористость кальцийфосфатных матриксов получали с помощью введения в сухую цементную смесь парафиновых гранул диаметром менее 900 мкм в количестве 10% от массы смеси, с последующей экстракцией парафина из готовых образцов. В качестве растворителя, для экстракции парафина использовали хлороформ. Для того, чтобы определить конечное время полной экстракции парафина использовали экспериментальный метод изменения массы образца от времени проведения экстракции (рис.2). Время экстракции 12 ч определено как оптимальное время полной экстракции, поскольку при дальнейшем увеличении времени экстракции масса образов не меняете, что трактуется нами как полное вымывание парафина.
Рис. 2 Изменение массы образцов при экстракции парафина
Экстракция парафиновых гранул позволяет получить макропористый материал с размером пор, соответствующим размерам гранул парафина (менее 900 мкм). Открытая пористость полученных макропористых кальцийфосфатных матриксов составила 17,9%, что в несколько раз превышает пористость плотных полученных при тех же условиях матриксов, имеющих пористость 4,3%. Полученные пористые матриксы обладают микропористостью, что создает шероховатость, необходимую для повышения адсорбции протеинов и адгезии остеогенных клеток в процессе регенерации кости человека и макропористостью,
обеспечивающей прорастание костной ткани, сосудов и имплантат.
Пористые кальцийфосфатные матриксы должны не только обладать необходимой макро- и микропористостью, но и иметь достаточную прочность способную выдерживать минимальную нагрузку в соответствии с областью применения материала. Пористость существенно влияет на прочностные характеристики: прочность снижается с увеличением пористости (рис.3).
Рис. 1 Прочность кальцийфосфатных материалов (КФМ)
В данной работе был получен пористый кальцийфосфатный матрикс, обладающий макро- и микропористостью и приемлемыми прочностными характеристики, соответствующими прочности губчатой костной ткани.
Пористый кальцийфосфатный матрикс, полученный по технологии самосватывающихся композитов, может быть использован при создании систем локальной доставки лекарственных препаратов в организм человека: пептидов, антибиотиков, противоопухолевых и
антивоспалительных препаратов,
морфогенетических протеинов. Макропористость обеспечит возможность прорастания костной ткани вглубь имплантата, увеличив остеоинтеграцию.
Список литературы
1. Баринов, С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / Баринов С.М., Комлев В.С. - М.: Наука, 2005
