Модифицированный брушитовый цемент для хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 661.842.455.9

Осипова П.А., Лукина Ю.С., Свентская Н.В.

МОДИФИЦИРОВАННЫЙ БРУШИТОВЫЙ ЦЕМЕНТ ДЛЯ ХИРУРГИЧЕСКОЙ СТОМАТОЛОГИИ И ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВОЙ ХИРУРГИИ

Осипова Полина Александровна, студент 2 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: osipowa.polina@mail.ru;

Лукина Юлия Сергеевна, к.т.н., доцент кафедры стандартизации и инженерно-компьютерной графики; Свентская Наталья Валерьевна к.т.н., доцент кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов,

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20

Перспективным направлением в области хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии является получение биорезорбируемого цемента с оптимальными для имплантации характеристиками. В данной работе были изучены свойства брушитового цемента, модифицированного пирофосфатными ионами. Был получен оптимальный состав брушитового цемента, обеспечивающий повышение прочностных характеристик и приемлемые сроки схватывания.

Ключевые слова: брушитовый цемент, кальцийфосфатный цемент, хирургия, имплантационные материалы, пирофосфатные ионы, прочность, сроки схватывания.

MODIFIED BRUSHITE CEMENT FOR SURGICAL DENTISTRY AND MAXILLOFACIAL SURGERY

Lukina Y.S., Osipova P.A., Sventskaya N.V.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

A promising direction in the field of surgical dentistry and maxillofacial surgery is obtaining bioresorbable cement with optimal characteristics for implantation. In this work we studied the properties of brushite cement modified with pyrophosphate ions. The optimal composition of brushite cement provides increased strength characteristics and an acceptable setting time was obtained.

Keywords: brushite cement, calcium phosphate cement, surgery, implant materials, pyrophosphate ions, strength, setting time.

В медицине существуют различные материалы для лечения костных дефектов, однако, многие из них обладают рядом недостатков, например, могут требовать замены после определенного срока использования, или могут не удовлетворять требованиям по своим прочностным характеристикам. Одной из наиболее перспективных групп материалов являются кальцийфосфатные цементы, благодаря схожести их химического состава с составом минеральной составляющей костной ткани, а также возможности их резорбции после имплантации и постепенной замене новообразованной костной тканью. Кроме того, такой материал можно вводить инъекционно благодаря пастообразной форме цементного теста. Среди кальцийфосфатных цементов особо можно выделить брушитовый цемент, поскольку он обладает наибольшей скоростью резорбции и способствует скорейшей регенерации кости. Брушитовый цемент, однако, имеет ряд недостатков - низкую прочность и короткие сроки схватывания [1].

Брушитовый цемент, дикальцийфосфат дигидрат СаНР04-2Н20 (ДКФД), получают осаждением в ходе взаимодействия относительно кислого фосфата кальция с относительно основным с получением относительно нейтрального продукта.

Одним из наиболее простых и технологичных способов получения брушитового цемента -затворение смеси порошковых компонентов -основного Р-трикальцийфосфата Р-Са3(Р04)2 (ТКФ) и кислого монокальцийфосфата моногидрата Са(Н2Р04)2-Н20 (МКФМ) жидкостью по реакции (1).

р-Саз(Р04)2 + Са(Н2Р04)2-Н20 + 7^0 ^ 4СаНР04-2Н20, (1)

Известны различные способы получения ТКФ, прекурсора для получения цемента: растворный (основан на получении в растворе гидратированного трикальцийфосфата при сливании растворов тетрагидрата нитрата кальция и гидрофосфата аммония в присутствии гидроксида аммония) и твердофазный (основан на получении смеси фосфата

кальция с низким Са/Р отношением с карбонатом кальция (СаСО3) с последующим обжигом) [2].

В работах авторов [1,2] было установлено, что брушитовый цемент, полученный с использованием ТКФ, синтезированным растворным способом, обладает длительными сроками схватывания (начало - 19 минут, конец - 28 минут), а с ТКФ, синтезированным твердофазовым способом, короткими (начало схватывания - менее 30 секунд, конец - 30 секунд). Кроме того, такой цемент обладал низкой прочностью (на сжатие - менее 0,2 МПа).

Цементное тесто должно обладать приемлемыми сроками схватывания: быстро схватывающаяся смесь не позволяет полностью заполнить костные дефекты, а длительное схватывание приводит к смешиванию цемента с кровью, а также к перемещению имплантированного материала с места имплантации [1].

Для имплантации оптимальным являются следующие сроки схватывания: начало - 2 мин 30 сек - 3 мин 30 сек, конец - 4 мин - 4 мин 30 сек.

В работе автора [3] показано, что время твердения брушитового цемента увеличивается в 3-4 раза при введении 0,033М пирофосфатных ионов (Р2О74-).

Целью данной работы является изучение влияния пирофосфатных ионов, введенных в цемент с помощью модифицированного ТКФ, полученного твердофазным способом, на сроки схватывания и прочность брушитового цемента.

В качестве модифицированного прекурсора для получения брушитового цемента в данной работе был использован ß-ТКФ.

Синтез модифицированного пирофосфатными ионами ТКФ проводили твердофазным способом по реакции (2):

2CaHPÜ4 + СаСОз ^ Саз(Р04)2 + CO2 + H2O (t< 1150°С), (2)

но мольное соотношение выбирали таким образом, чтобы ангидрит дикальцийфосфата (ДКФА, CaHP04) по массе был избыточным на 15%, т.е. мольное соотношение CaHP04 / СаС03 = 2,3/1. Избыточный ДКФД при обжиге переходит в пирофосфат кальция, равномерно распределенный по всему объему, по реакции (3):

2СаНРО4 ^ ß^P207 + Н2О (Т=800-9000С), (3)

Полученный модифицированный

пирофосфатными ионами ТКФ использовался в дальнейшей работе как прекурсор для получения цемента.

Модифицирование пирофосфатными ионами ТКФ оказывает благоприятное действие на сроки схватывания брушитового цемента на его основе (состав 6, рис. 1) в сравнении с данными авторов в работе [2]. Однако время схватывания не достигает приемлемых значений. С целью дальнейшего увеличения сроков схватывания цементного теста, в

качестве жидкости затворения использовался раствор гептагидрата сульфата магния (М§804-7Н20), количество и концентрация которого варьировалась для достижения требуемых сроков схватывания (рис. 1).

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 Время, мин.:сек.

Рис.1. Сроки схватывания цемента с разными

значениями В/Т и концентрациями MgSO4-7H2O. Составы: 1 - В/Т=0,6; 1% MgSO47H2O, 2 - В/Т=0,65; 2% MgSO47H2O, 3 - В/Т=0,65; 4% MgSO47H2O, 4 - В/Т=0,6;

4% MgSO47H2O, 5 - В/Т=0,7; 5% MgSO47H2O, 6 -В/Т=0,7; 0% MgSO47H2O.

На основании требований к срокам схватывания цементного теста подходят 4 состава:

1) В/Т=0,7; 5% MgSO4-7H2O;

2) В/Т=0,65; 2% MgSO4-7H2O;

3) В/Т=0,65; 4% MgSO4-7H2O;

4) В/Т=0,6; 4% MgSO4-7H2O.

Для дальнейших исследований был выбран состав с наименьшим В/Т (В/Т=0,6; 4% MgSO4-7H2O), поскольку наименьшее количество воды в цементном тесте обеспечивает меньшую пористость цементного камня, и, следовательно, способствует увеличению прочности цемента.

Для определения прочности цементного камня формовали образцы-балочки размером 10*10*30 мм из цементного теста, образцы выдерживали в течение 24 часов при 100%-ной влажности и температуре 37° в соответствии с ISO 5833 для костных цементов. Прочность образцов была измерена на пятые сутки твердения. Измерение осуществлялось по стандартной методике с помощью универсальной испытательной машины Р-05.

Было определено, что прочность цементного камня на основе ТКФ, модифицированного пирофосфатными ионами, увеличивается более чем в 50 раз по сравнению с немодифицированным ТКФ, полученным тем же способом (рис. 2).

Рис.2. Прочность цементного камня при изгибе и сжатии: 1 - цемент на основе р-ТКФ немодифицированного, 2 - на основе ТКФ модифицированного.

Исследована микроструктура брушитового цемента на основе модифицированного Р-ТКФ при помощи сканирующего электронного микроскопа (рис.3). Изображение получено при увеличении 5000*. Кристаллы цемента на рисунке 3 представлены в форме пластин, характерных для кристаллов дикальцийфосфата дигидрата. Длина кристаллов находится в пределах от 1-7 мкм.

Таким образом, использование

модифицированного пирофосфатными ионами исходного ТКФ, позволяет получить брушитовый цемент с приемлемыми для использования в медицине сроками схватывания и прочностью, соответствующей прочности губчатой кости.

Список литературы

1. Лукина Ю.С. Остеопластический биорезорбируемый кальцийфосфатный цемент. Синтез и исследование свойств. Влияние состава на поведение в организме / Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2011. - 158 с.

2. Артюкова А.Н., Лукина Ю.С., Сивков С.П., Свентская Н.В. Синтез и исследование свойств магнезиально-брушитовых биоцементов // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. XXVIII Межд. конф. молодых ученых по химии и хим. техн. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2014. -Т. XXVIII.

3. Bohner, M. Effect of several additives and their admixtures on the physico-chemical properties of a calcium phosphate cement / Bohner M., Merkle H. P., Van Landuyt P., Trophardy G., Lemaitre J. - J. Mater. Sci.: Mater. Med., 2000. V.11. - р. 111-116

Рис.3. Морфология поверхности кристаллов брушитового цемента на основе модифицированного ß-ТКФ.