CC BY
36
УДК 544.77 : 678.7
Наночастицы Fe-Fe3O4 со структурой ядро-оболочка для получения композитов на основе полимолочной кислоты с низкой токсичностью и высокой рентгеноконтрастностью
О.В. Бакина, Л.Ю. Иванова, Н.Е. Торопков, Е.И. Сенькина, М.И. Лернер, Е.А. Глазкова, М.Г. Криницын
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634055, Россия
Модуль упругости полимолочной кислоты (PLA) сопоставим с модулем упругости кости человека, а сам материал обладает высокой биосовместимостью. Поэтому PLA является идеальной матрицей для использования в качестве биоразлагаемых материалов при создании имплантируемых устройств. Однако полимер отличают механические свойства недостаточного уровня и низкая рентгеноконтрастность, что затрудняет оценку деградации и положения устройства после установки методами магнитно-резонансной и компьютерной томографии. В настоящей работе установлено, что введение магнитных наночастиц Fe-Fe3O4 в матрицу PLA может привести к увеличению механической прочности, повышению рентгеноконтрастности и способствовать равномерной биодеградации полученного материала. Наночастицы со средним размером 68 нм были получены электрическим взрывом железной проволоки в кислородсодержащей атмосфере. Морфологию наночастиц Fe-Fe3O4 можно описать как ядро-оболочка: ядро обогащено фазой a-Fe, а оболочка представлена фазой магнетита Fe3O4 (=4 мас. %). Композит Fe-Fe3O4@PLA с различным содержанием наночастиц синтезировали по технологии полимеризацион-ного наполнения с последующей 3Б-печатью образцов заданного размера для проведения испытаний. Установлено, что введение наночастиц в полимолочную кислоту в количестве до 10 мас. % дополнительно упрочняет материал, в результате чего сдерживается разрушение по дефектам печати. При большом содержании наночастиц в материале (от 15 %) наблюдалось формирование агломератов, которые являются дополнительными сильными концентраторами напряжений в материале, а крупный размер агломератов снижает их подвижность в материале во время пластического течения полимерной матрицы в процессе деформации. Наличие наночастиц Fe-Fe3O4 значительно улучшает рентгеноконтрастность изображений и стимулирует рост фибробластов 3Т3 в экспериментах in vitro. Разработанный материал может найти потенциальное применение для изготовления костных каркасов и соединительных винтов, напечатанных при помощи 3Б-технологий.
Ключевые слова: полимолочная кислота (PLA), наночастицы Fe-Fe3O4, биоразлагаемые материалы, цитоток-сичность, рентгеноконтрастность
DOI 10.55652/1683-805X_2022_25_1_90
Fe-Fe3O4 nanoparticles with core-shell structure for the fabrication of polylactic acid-based composites with low toxicity and high radiopacity
O.V. Bakina, L.Yu. Ivanova, N.E. Toropkov, E.I. Senkina, M.I. Lerner, E.A. Glazkova, and M.G. Krinitsyn
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634055, Russia
Polylactic acid (PLA) has the elastic modulus comparable to that of human bone and shows high biocompatibility. These properties make it an ideal matrix for biodegradable materials used in implantable devices. However, the polymer has insufficient mechanical properties and low radiopacity, making it difficult to evaluate the degradation and position of the implanted device by magnetic resonance imaging and computed tomography. This paper reports that the introduction of magnetic Fe-Fe3O4 nanoparticles into the PLA matrix can increase the mechanical strength, radiopacity and promote uniform biodegradation of the resulting material. Fe-Fe3O4 nanoparticles with an average size of 68 nm were synthesized by electric explosion of an iron conductor in an oxygen atmosphere. The nanoparticles have a core-shell morphology: an a-Fe enriched core and an Fe3O4 magnetite shell (=4 mass %). Fe-Fe3O4@PLA composite with different content of nanoparticles was synthesized using polymerization filling technique, and test samples of a given size were made by 3D printing. It was found that the introduction of nanoparticles into PLA in an amount of up to 10 mass % increases the strength of the material and prevents fracture from printing defects. In the case of a high content of nanoparticles (above 15%) they form agglomerates that become additional effective stress concentrators in the material. The large size of the agglomerates reduces their mobility during the plastic flow of the deformed polymer matrix. The presence of Fe-Fe3O4 nanoparticles significantly improves the radiopacity of images and stimulates the growth of fibroblast cell line 3T3. The developed material is promising for the manufacture of 3D printed bone scaffolds and screws.
Keywords: polylactic acid (PLA), Fe-Fe3O4 nanoparticles, biodegradable materials, cytotoxicity, radiopacity
© Бакина О.В., Иванова Л.Ю., Торопков Н.Е., Сенькина Е.И., Лернер М.И., Глазкова Е.А., Криницын М.Г., 2022
1. Введение
В настоящее время традиционные технологии получения имплантируемых устройств позволяют производить биоинертные материалы, обладающие необходимыми механическими характеристиками. Однако большой проблемой остается их возможное разрушение, непрогнозируемый иммунный ответ, атрофия костной ткани и другие негативные реакции организма на присутствие инородного материала [1]. Использование биоре-зорбируемых имплантатов имеет неоспоримые преимущества, связанные с их пролонгированной деградацией, замещением костной тканью и последующим исчезновением, что устраняет необходимость повторной операции для удаления фиксирующих устройств без риска возникновения воспалительного процесса [2]. Наиболее исследованными и применимыми биоразлагаемыми синтетическими полимерами являются полимолочная кислота (РЬЛ), поликапролактон, поли-у-глутаминовая кислота, полиангидриды, полифос-фазены, полиуретаны, поли-(глицерин себацинат) и некоторые синтетические гидрогели [3]. Благодаря универсальности и простоте модификации химическими добавками они находят широкое применение в медицине [4]. Биоразлагаемые материалы на основе РЬЛ обладают биосовместимостью и необходимыми физико-химическими свойствами для изготовления имплантатов [5]. Модуль упругости полимолочной кислоты аналогичен модулю упругости человеческой кости (модуль Юнга 5-10 ГПа), поэтому она является идеальной матрицей для создания костных каркасов [6].
Однако полимолочная кислота является хрупким материалом, относительное удлинение при растяжении составляет около 3 % [7]. Кроме того, за счет низкой электронной плотности РЬЛ не может быть обнаружена с помощью рентгеновских методов [8]. Применение этого биоматериала ограничено медленной кинетикой разложения [9]. Продукты разложения РЬЛ повышают кислотность биологических сред и их токсичность, что снижает остеоиндуктивность и может вызывать в дальнейшем воспалительные процессы [10]. Для регулирования свойств РЬЛ перспективным является создание композитов, наполненных нано- и микрочастицами [11, 12]. Авторы [13] сообщали о новом методе получения композита при 3Б печати РЬЛ, в котором чередующиеся слои напыленного алюминия и РЬЛ обеспечивали более высокую прочность на разрыв, однако не способство-
вали клеточной адгезии. Создание композитов PLA/гидроксиапатит механическим смешиванием микрокристаллических порошков приводило к повышению прочности PLA на изгиб [14] и ос-теогенеза за счет активации остеобластов и пре-остеобластических клеток [15]. Фосфат кальция CaP, благодаря сходству с костным минералом, сильно остеокондуктивен, однако при совмещении с полимолочной кислотой из-за низкого содержания CaP на поверхности каркаса присутствовало небольшое количество биоактивных частиц, что не сказывалось на клеточной адгезии к композиту [16]. В отличие от керамик, биодегра-дируемые металлы, такие как железо и магний, обладают необходимыми прочностью и пластичностью. Применение магния ограничено высокой скоростью коррозии и образованием водорода, что значительно замедляет процесс регенерации [17], и в настоящее время такие материалы рассматриваются только с точки зрения применения в сердечно-сосудистых стентах при постоянном удалении продуктов коррозии потоком крови.
Железосодержащие сплавы обладают значительно большей прочностью, что необходимо для создания имплантатов для костей, несущих нагрузку. За последние годы магнитные наночасти-цы железа и оксидов железа, такие как магнетит (Fe3O4), маггемит (y-Fe203) или гематит (a-Fe203) привлекают все больше внимания в области медицины, в особенности в качестве контрастных веществ [18], благодаря большой площади поверхности, уникальным магнитным свойствам и благоприятному токсическому профилю [19]. В отличие от применяемых контрастирующих агентов, магнитные наночастицы размером от 30 до 150 нм способны длительное время циркулировать с кровью, что снижает их побочное действие, связанное с нефротропностью и гепатотрофно-стью [20]. Применение магнитных наночастиц железа ограничено их низкой скоростью коррозии. Для увеличения скорости коррозии мы предлагаем использовать композитные наночастицы Fe-Fe304. Наличие оксида железа Fe304 уменьшит сопротивление и усилит анодное растворение Fe, как это уже было показано авторами [21]. В работе [22] были получены методом искрового плазменного спекания и исследованы композиты Fe-Fe203 с добавкой Fe203 до 50 мас. % Отмечено, что скорость деградации железа увеличилась в 14 раз уже при содержании 5 мас. % Fe203. Создание композитов совмещением наночастиц Fe-Fe304 с матрицей PLA может привести к увеличе-
нию механической прочности, ренгеноконтраст-ности и скорости коррозии, а также способствовать равномерной биодеградации полученного материала. Настоящая работа направлена на установление количественной взаимосвязи между массовой долей наночастиц Fe-Fe304, введенных в матрицу PLA, физико-механическими и структурно-морфологическими характеристиками полученных композитов. Разработанный материал может стать перспективным композитом для изготовления костных каркасов и соединительных винтов, напечатанных при помощи 3Б-техноло-гий.
2. Материалы и методы
Для получения наночастиц использовался электрический взрыв железного проводника диаметром 0.3 мм, длиной 65 мм в кислородосодержащей атмосфере (аргон + 1 об. % кислорода) при напряжении 16 кВ, емкости конденсатора 1.2 мкФ в режиме быстрого взрыва, который реализуется при протекании по проволочке импульса тока с плотностью 107-108 А/см2. Содержание кислорода в газовой смеси было выбрано на основании проведенных ранее исследований [23]. Непосредственно после синтеза частицы пассивировались медленным напуском воздуха.
Для получения композита порошок PLA (Natural Works Ingeo 40-43d, Nature Works LLC, США) в количестве 95, 90 и 85 мас. % тщательно перемешивался с наночастицами в концентрации 5, 10 и 15 мас. % соответственно. Затем твердая смесь в виде нарезанных гранул загружалась в двухшне-ковый экструдер Rondol (Twin Screw Extruders, Microlab) для получения нити композита с диаметром 1.75 мм. После этого из полученной нити при помощи лабораторного принтера Wanhao Duplicator i3 (Китай) печатались образцы, необходимые для проведения исследований. Диаметр сопла экструдера 0.4 мм, температура на выходе экструзионной головки 210 °С.
Рентгенофазовый анализ наночастиц проводили с помощью дифрактометра XRD-6000 (Shima-dzu, Япония) при CuKa-излучении. Структуру на-ночастиц изучали методом просвечивающей электронной микроскопии (JEM-2100, Япония). Учитывая магнитные свойства наночастиц, их предварительно помещали в формы для заливки, которые заполняли эпоксидной смолой для микроскопии и выдерживали для полимеризации в течение 72 ч при комнатной температуре, а затем в термо-
стате при 60 °C 3 дня. Ультрамикротомирование для получения срезов толщиной 50 нм выполняли при помощи алмазного ножа. Удельную поверхность наночастиц и композита определяли методом БЭТ по тепловой десорбции азота (Сорбто-метр М, Россия). Рентгеноконтрастные изображения образцов композитов были получены с помощью импульсного источника рентгеновского излучения при напряжении 70 кВ и токе 2 мА. В качестве контроля был взят образец чистой полимолочной кислоты. Испытания на растяжение для определения прочностных характеристик материала при одноосном растягивающем нагруже-нии, равномерно распределенном по сечению, были проведены на машине УТС 110М-100 (ООО «Тестсистемы», Россия) при скорости деформации 1 мм/с и комнатной температуре. Образцы были изготовлены в соответствии с требованиями ГОСТ 25.604. Для получения изображений пленок образцов использовали оптический микроскоп AXI0VERT-200MAT (Zeiss, Германия).
Для исследования кинетики биодеградации образцов были напечатаны образцы площадью 1 см2, высотой 0.5 см (рис. 1). Образцы для испытания были обработаны этанолом, высушены при комнатной температуре и погружены в модифицированный раствор Хэнка, моделирующий биологическую среду, детальный состав которого описан в [24]. Несмотря на то, что биологические жидкости содержат большое количество белков, в растворе Хэнка они отсутствуют, т.к. наличие белков привело бы к значительному усложнению интерпретации результатов по биодеградации, связанному с адсорбцией белков на поверхности исследуемых материалов. Значение pH раствора Хэнка доводили до 7.2 при помощи NaOH или HCl, эксперимент проводили при постоянной температуре 37 ± 1 °C. Соотношение площади по-
Рис. 1. Образец композита Fe-Fe304@PLA (содержание наночастиц 5 мас. %)
верхности к объему раствора в соответствии с рекомендациями [25] составляло 1 см2/50 мл. После погружения и выдержки в течение определенного времени образцы извлекали из раствора Хэнка. Продукты коррозии очищали в ультразвуковой ванне в растворе этанола в течение 10 мин, а затем сушили в вакууме при комнатной температуре до постоянной массы.
Раствор, полученный после биодеградации, испытывали на биотоксичность в отношении клеточной линии 3Т3 фибробластов эмбриональной ткани мыши (ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», Россия). Клетки культивировали при 37 °С в атмосфере 5 % CO2/95 % воздуха (Sanyo, Япония) в среде Игла MEM (Lonza, Швейцария) с добавлением 10 мас. % фетальной бычьей сыворотки (Hyclone, США) и 5 мас. % пенициллин-стрептомицина-глутамина (Hyclone, США). Культуру клеток рас-севали в 96-луночные микропланшеты в количестве 7000 клеток/лунка. В лунки добавляли исследуемый раствор и инкубировали при температуре 37 ± 1 °С и 5 % CO2 в течение 24 ч. Количество живых клеток после контакта с исследуемым раствором определяли при помощи МТТ-теста. В
качестве контроля использовали клетки, инкубируемые только в питательной среде. Методика проведения МТТ-теста подробно описана в протоколе MTT Cell Proliferation Assay ATCC®30-1010K. Оптическую плотность определяли при помощи планшетного анализатора Infinite M1000 PRO (Tecan, Австрия) при длине волны 570 нм. Для статистической обработки результатов применяли параметрические методы при уровне значимости р < 0.05.
3. Результаты и обсуждение
В результате электрического взрыва железной проволоки в кислородосодержащей атмосфере при содержании кислорода 1 об. % формируются наночастицы Fe-Fe3O4. Нами было показано, что наночастицы Fe-Fe3O4, полученные в таких условиях, обладают наибольшим магнитным моментом а = 180 Гс • см3/г, близким к магнитному моменту для чистого объемного железа (182 Гс • см3/г при комнатной температуре). Дальнейшее увеличение содержания оксидной фазы приводило к сниже-
Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения и картина электронной дифракции от наночастицы Бе-РезОф СЭМ (а); ПЭМ (б); ПЭМ высокого разрешения (выделена область, от которой получена нанодифракция) (в); картина электронной нанодифракции и схема ее идентификации (г)
Рис. 3. Гистограммы распределения наночастиц Fe-Fe3O4 версии)
(а) и их агломератов (б) по размерам (цветной в онлайн-
нию магнитных свойств образцов. Содержание кислорода в газовой смеси 1 об. % обеспечивало содержание оксида железа Fe3O4 в наночастицах около 3 мас. %.
Характерные изображения синтезированных наночастиц Fe-Fe3O4, полученные методом просвечивающей (ПЭМ) и сканирующей (СЭМ) электронной микроскопии, приведены на рис. 2. Наночастицы имеют неправильную форму, помимо сферических наблюдаются частицы шестиугольной и прямоугольной формы. Гистограммы распределения синтезированных наночастиц и их агломератов по размерам приведены на рис. 3. Распределения наночастиц близки к нормально-логарифмическому варианту распределения с асимметрией в правой части, максимум распределения находится в области 50 нм (рис. 3, а). Средний размер частиц составил 68 ± 2 нм. Нано-частицы в порошке агломерированы, о чем свидетельствует большое количество агломератов наночастиц размером от 100 до 300 нм (рис. 3, б).
При электрическом взрыве железного проводника в кислородосодержащей атмосфере при малых концентрациях кислорода в основном происходит диффузия кислорода в объем металла, т.к. при концентрации кислорода около 1 об. % экзотермический эффект реакции окисления железа относительно невелик. В результате на поверхности наночастиц железа формируется тонкий оксидный слой Fe3O4. Полученные наночастицы имеют структуру ядро-оболочка, наличие которой подтверждается данными элементного анализа частиц в режиме картирования (рис. 4). Спектры, приведенные на рис. 4, б, подтверждают, что ядро состоит из железа, оболочка — из оксида железа.
Фазовый состав наночастиц (рис. 5) представлен a-Fe (-96 мас. %) и оксидной фазой. Основной оксидной фазой, содержащейся в порошках, является магнетит Fe3O4 (-4 мас. %), который является двойным оксидом (Fe2O3*FeO) со структурой шпинели. Таким образом, с учетом данных
m
100
200-
150-
100-
Я 50-
S
- Fe /Д. \б
- Ядро \
/ / Оболочка \ \ v i -^v
rUÍP [ X — i —
50
100
Расстояние, нм
150
200
Рис. 4. ПЭМ-изображение наночастицы ядро-оболочка Бе-Ре304 (а) и концентрационные профили железа и кислорода (б) вдоль линии, показанной на рис. (а) (цветной в онлайн-версии)
Рис. 5. Дифрактограмма от композитных наночастиц Fe-Fe3O4
картирования (рис. 4, б) оксидная оболочка частицы в основном представлена фазой Fe2O3*FeO, а ядро — фазой a-Fe.
Такое покрытие наночастиц железа оболочкой оксида железа придает им химическую стабильность и биосовместимость [26, 27], что является наиболее важным при совмещении с полимерной матрицей, т.к. такие свойства наночастиц, как высокая реакционная способность, площадь поверхности, температура плавления могут оказывать сильное влияние на общие свойства композита. Металлические частицы, добавленные в матрицу PLA, способны изменять морфологию полимера, механические, физико-химические и термические свойства, включая снижение молекулярной массы в течение срока хранения композитов [28], что не наблюдается при модификации полимолочной кислоты частицами оксида железа.
Так, авторы [29] модифицировали нетканый волокнистый материал на основе PLA частицами оксида железа Fe3O4 со средним размером 600 нм и установили, что даже добавка 5 мас. % частиц, способствующая увеличению шероховатости поверхности композита, не оказывала влияния на
химический состав и кристаллическую структуру полимолочной кислоты. Таким образом, присутствие наночастиц Ре-Ре3О4 может улучшить механические характеристики и биосовместимость разработанного композита по сравнению с чистой полимолочной кислотой, не влияя на свойства матрицы при хранении.
Диаграммы растяжения композитов Ре-Ре3О4 @РЬЛ в зависимости от содержания наночастиц приведены на рис. 6, а. На основе обработки инженерных диаграмм растяжения были построены графики зависимости коэффициента деформационного упрочнения ® от деформации (рис. 6, б).
Предел прочности материалов изменяется несущественно в сторону увеличения. С увеличением содержания наночастиц Ре-Ре3О4 до 10 мас. % предел прочности материала увеличивается с 41.0 ± 1.55 до 46.2 ± 0.35 МПа, при этом растет и пластичность. Подобный эффект отмечен в работе [7], где показано, что добавление 5 мас. % наночастиц железа приводило к увеличению прочности композита по сравнению с полимолочной кислотой на 2.5 МПа.
У образцов с содержанием 15 % Ре3О4 пластичность наименьшая среди исследованных композиционных материалов, прочность снижается до 41.9 ± 1.23 МПа. Такой эффект можно объяснить тем, что на механические свойства полимерных композитов в значительной степени влияет дисперсность наполнителя [30]. Увеличение содержания наночастиц приводит к образованию крупных агломератов (рис. 7), наличие которых препятствует растяжению полимерных цепей.
При деформации чистой полимолочной кислоты разрушение более хрупкое, происходит без существенной деформации и деформационного упрочнения материала. Такое поведение характерно
0 1 2 3 4 s,% 0 1 2 3 4 8,%
Рис. 6. Зависимость напряжения (а) и коэффициента деформационного упрочнения 0 (б) от величины относительной деформации при растяжении образцов из композитного материала Ре-Ре3О4@РЬЛ с различным содержанием наноча-стиц (мас. %) (цветной в онлайн-версии)
Рис. 7. Оптические изображения пленок образцов композита Бе-Ре304@РЬЛ с различным содержанием наночастиц: 5 (а), 10 (б), 15 мас. % (б)
для напечатанных образцов РЬЛ и зависит от параметров печати [31]. Хрупкое разрушение происходит по дефектам печати (поры, несплошности, межслоевые дефекты и т.п.). При этом изначально РЬЛ характеризуется более высокой пластичностью и может деформироваться до 10 % без разрушения. Введение наночастиц в объем полимерного материала дополнительно упрочняет материал, в результате чего разрушение по дефектам печати сдерживается. Композит при этом частично возвращает пластические свойства, что и отражается на деформационных кривых (рис. 6, а).
При содержании 15 % наночастиц в материале снижаются предел прочности, величина деформационного упрочнения и пластичность материала. Это указывает на существование некоторого предельного содержания наночастиц в материале, до которого пластичность композита растет. При большом содержании наночастиц в материале они начинают формировать агломераты, которые являются дополнительными сильными концентраторами напряжений в материале, а их крупный размер снижает их подвижность в материале во время пластического течения полимерной матрицы в процессе деформации.
Обладая низкими удельным весом и электронной плотностью имплантаты на основе РЬЛ не могут быть обнаружены с помощью компьютер-
ной и магнитно-резонансной томографии, что не позволяет оценить деградацию и положение устройства после установки. Типичное изображение образца РЬЛ не демонстрирует рентгеноконтра-стности (рис. 8, а), тогда как наличие наночастиц Бе-Ре304 значительно улучшает рентгеноконтра-стность изображений (рис. 8, б-г). Даже в концентрации 5 мас. % такие образцы можно легко идентифицировать. Ранее подобный эффект был получен для образцов РЬЛ, содержащих большое количество наночастиц Бе304 (от 20 мас. %) [8].
На рис. 9 приведено относительное изменение массы как функции от времени нахождения исследуемых образцов в растворе Хэнка, моделирующем биологическую жидкость. Масса контрольного образца из немодифицированной полимолочной кислоты в течение 40 дней изменялась незначительно и соответствовала скорости деградации РЬЛ, описанной в литературе [28]. В первые дни экспозиции относительная потеря массы образцов отличалась незначительно, что может быть связано с покрытием наночастиц оболочкой РЬЛ, как уже было показано в [32]. Однако деградация начинает ускоряться через 3-4 суток экспозиции. Потеря массы композитов Ре-Ре304@РЬЛ оказалась значительно выше, чем потеря массы РЬЛ и линейно зависела от содержания наночас-тиц в композите (рис. 10).
Рис. 8. Компьютерно-томографические изображения образцов композита Fe-Fe3O4@PLA с различным содержанием наночастиц: 0 (а), 5 (б), 10 (в), 15 мас. % (г)
О 10 20 30 40
Время деградации, день
Рис. 9. Относительная потеря массы PLA и композитов Fe-Fe3O4@PLA с различным содержанием наночастиц в течение 40 дней экспозиции в растворе Хэнка при 37 °C (цветной в онлайн-версии)
Скорости деградации, рассчитанные по потере массы после 40 дней экспозиции композитов в буфере Хэнка с содержанием 5, 10 и 15 мас. % наночастиц Fe-Fe3O4 составили 0.11, 0.20 и 0.32 мг/см2 в день соответственно. Для сравнения скорость разложения PLA в условиях эксперимента составила 0.03 мг/см2 в день. Таким образом, присутствие наногальванических пар Fe/Fe3O4 значительно увеличивает скорость коррозии полученного композита. Раствор Хэнка представляет собой слабощелочную среду с pH = 7.2, которая обогащена кислородом. Гидролиз PLA может привести к локальному снижению рН. Таким образом, ускорение деградации наночастиц также можно объяснить снижением локального pH в местах контакта «PLA - поверх-
Содержание наночастиц, мас. %
Рис. 10. Корреляционная зависимость между величиной относительной потери массы образцов и долей наночастиц в композитном материале Fe-Fe3O4@PLA
ность частиц», способствующим растворению железа и оксида железа. Увеличение коррозии железа в стали со снижением рН раствора было исследовано еще в 1924 г. авторами [33]. Сравнение полученных результатов по снижению массы композитов Fe-Fe3O4@PLA с полученными и уже описанными в литературе композитами PLA приведено в табл. 1.
Хотя PLA является нетоксичным материалом, биотоксичность контрастирующих добавок является предметом серьезных опасений. Например, раствор BaSO4 при введении в качестве контрастного вещества индуцировал остеолиз [37]. На рис. 11 приведены данные по исследованию in vitro токсичности полученных композитов в отношении чувствительной клеточной линии 3T3, которые показали, что образцы не проявляли ни-
Таблица 1. Сравнительная характеристика биодеградации железосодержащих композитов на основе PLA
Состав композита Характеристика частиц Относительная потеря массы Ссылка
PLA/поли(s-капро-лактон)^е304 Наночастицы Fe304, полученные химическим осаждением из солей, средний размер 32.3 нм -8 % (0.9 % ШС1) [33]
PLA + Fe (5 мас. %) Частицы железа со средним размером 45 мкм До 90 дней деградации (0.9 % №С1) масса композита постоянно увеличивалась [28]
PLA + Fe (10 мас. %) Частицы железа с размером 20-45 мкм Через 30 дней экспозиции в натрий-фосфатном буфере (рН = 7.4) масса образца увеличивалась [34]
PLA/Fe203 (37 мас. %) Микрочастицы Fe203 (20-50 мкм) Через 4 недели экспозиции в среде БМБМ изменений по массе практически не наблюдалось, однако на образцах образовывались глубокие трещины [35]
PLA/P2O5, CaO, Na20, MgO, Fe203 (19 мас. %) Наностержни сложного состава диаметром 15 мкм 28 дней экспозиции в натрий-фосфатном буфере (рН = 7.4) не приводило к изменению массы [36]
Fe-Fe304@PLA Наночастицы Fe-Fe304 со структурой ядро-оболочка 13 % (буфер Хэнка) Синтезированные в исследовании
Литература
Рис. 11. Количество живых клеток линии 3Т3 (относительно контроля) после контакта с экстрактом в среде Игла МЕМ образцов Fe-Fe3O4@PLA с различным содержанием наночастиц (цветной в онлайн-вер-сии)
каких признаков токсичности после 40 дней деградации. Наличие наночастиц снижало токсичность продуктов разложения PLA и стимулировало рост клеток.
4. Заключение
Установлено, что введение наночастиц Fe-Fe3O4 в объем образцов из PLA (до 10 мас. %) дополнительно упрочняет материал, в результате чего разрушение по возможным дефектам печати сдерживается. При содержании наночастиц до 15 % в материале снижаются предел прочности, величина деформационного упрочнения, пластичность материала, что указывает на существование некоторого предельного содержания нано-частиц в материале, до которого пластичность композита растет. При большом содержании на-ночастиц в материале они начинают формировать агломераты, которые являются дополнительными сильными концентраторами напряжений в материале, а их крупный размер снижает их подвижность в материале во время пластического течения полимерной матрицы при деформации. Наличие наночастиц Fe-Fe3O4 значительно улучшало рентгеноконтрастность изображений композитного материала Fe-Fe3O4@PLA, что позволяет снизить интенсивность рентгеновского излучения для получения изображений высокого качества. Наночастицы оказывает положительное влияние на биологическую активность композитного материала.
Настоящее исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Министерства науки и технологий Израиля в рамках исследовательского проекта № 19-53-06006.
Albrektsson T., Becker W., Coli P., Jemt T., Molne J., Sen-nerby L. Bone loss around oral and orthopedic implants: An immunologically based condition // Clinic. Implant Dentist. Rel. Res. - 2019. - V. 21. - No. 4. - P. 786-795. - https:// doi.org/10.1111/cid.127932
Prakasam M., Locs J., Salma-Ancane K., Loca D., Large-teau A., Berzina-Cimdina L. Biodegradable materials and metallic implants—A review // J. Funct. Biomater. - 2017. -V. 8. - No. 4. - P. 44. - https://doi.org/10.3390/jfb8040044 Alizadeh-Osgouei M., Li Y., Wen C. A comprehensive review of biodegradable synthetic polymer-ceramic composites and their manufacture for biomedical applications // Bioact. Mater. - 2019. - V. 4. - P. 22-36. - https://doi.org/ 10.1016/j.bioactmat.2018.11.003
Reddy M., Ponnamma D., Choudhary R., Sadasivuni K.K. A comparative review of natural and synthetic biopolymer composite scaffolds // Polymers. - 2021. - V. 13. - No. 7. -P. 1105. - https://doi.org/10.3390/polym13071105 Liu S., Qin S., He M., Zhou D., Qin Q., Wange H. Current applications of poly (lactic acid) composites in tissue engineering and drug delivery // Composites. B. Eng. - 2020. -P. 108238.
Gregor A., Filova E., Novak M., Kronek J., Chlup H., Buz-go M., Blahnova V., Lukasova V., Bartos M., Necas A., Ho-sek J. Designing of PLA scaffolds for bone tissue replacement fabricated by ordinary commercial 3D printer // J. Biol. Eng. - 2017. - V. 11. - No. 1. - P. 1-21. DeStefano V., Khan S., Tabada A. Applications of PLA in modern medicine // Eng. Regeneration. - 2020. - V. 1. -P. 76-87. - https://doi.org/10.1016Zj.engreg.2020.08.002 Singhvi M.S., Zinjarde S.S., Gokhale D.V. Polylactic acid: Synthesis and biomedical applications // J. Appl. Microbiol. - 2019. - V. 127. - No. 6. - P. 1612-1626. Zimina A., Senatov F., Choudhary F., Kolesnikov E., Anisi-mova N., Kiselevskiy M., Orlova P., Strukova N., Generalo-va M., Manskikh V., Gromov A., Karyagina A. Biocompati-bility and physico-chemical properties of highly porous PLA/HA scaffolds for bone reconstruction // Polymers. -2020. - V. 12. - No. 12. - P. 2938.
Saberi A., Bakhsheshi-RadH.R, Karamian E., Kasiri-Asga-rani M., Ghomi H., Omidi M., Abazari S., Ismail A.F., Sharif S., Berto F. Synthesis and characterization of hot extruded magnesium-zinc nano-composites containing low content of graphene oxide for implant applications // Phys. Mesomech. - 2021. - V. 24. - No. 4. - P. 486-502. -https://doi.org/10.1134/S1029959921040135 Vardhan H., Kumar R., Chohan J.S. Investigation of tensile properties of sprayed aluminium based PLA composites fabricated by FDM technology // Mater. Today. Proc. - 2020. -V. 33. - P. 1599-1604. - https://doi.org/10.1016/j.matpr. 2020.05.335
12. Russias J., Saiz E., Nalla R.K., Gryn K., Ritchie R.O., Tom-sia A.P. Fabrication and mechanical properties of PLA/HA composites: A study of in vitro degradation // Mater. Sci. Eng. C. - 2006. - V. 26. - No. 8. - P. 1289-1295. - https:// doi.org/10.1016/j.msec.2005.08.004
13. Bae J.Y., Won J.E., Park J.S., Lee H.H., Kim H. W. Improvement of surface bioactivity of poly (lactic acid) biopolymer by sandblasting with hydroxyapatite bioceramic // Mater. Lett. - 2011. - V. 65. - No. 19-20. - P. 2951-2955. -https://doi .org/10.1016/j.matlet.2011.06.023
10
11
14. Rakovsky A., Gotman I., Rabkin E., Gutmanas E.Y. ß-TCP-polylactide composite scaffolds with high strength and enhanced permeability prepared by a modified salt leaching method // J. Mech. Behavior Biomed. Mater. - 2014. -V. 32. - P. 89-98.
15. Rahman M., Dutta N.K., Roy Choudhury N. Magnesium alloys with tunable interfaces as bone implant materials // Front. Bioeng. Biotech. - 2020. - V. 8. - P. 564.
16. Cretu B.E.B., Dodi G., Shavandi A., Gardikiotis I., Ser-ban I.L., Balan V. Imaging constructs: The rise of iron oxide nanoparticles // Molecules. - 2021. - V. 26. - No. 11. -P. 3437. - https://doi.org/10.3390/molecules26113437
17. Arias L.S., Pessan J.P., Vieira A.P.M., de Lima T.M.T., Del-bem A.C.B., Monteiro D.R.M. Iron oxide nanoparticles for biomedical applications: A perspective on synthesis, drugs, antimicrobial activity, and toxicity // Antibiotics. - 2018. -V. 7. - No. 2. - P. 46.
18. Illert P., Wängler B., Wängler C., Zöllner F., Uhrig T., Li-tau S., Pretze M., Röder T. Functionalizable composite na-noparticles as a dual magnetic resonance imaging/computed tomography contrast agent for medical imaging // J. Appl. Polymer Sci. - 2019. - V. 136. - No. 19. - P. 47571.
19. Meng G.Z., Zhang C., Cheng Y.F. Effects of corrosion product deposit on the subsequent cathodic and anodic reactions of X-70 steel in near-neutral pH solution // Corros. Sci. -2008. - V. 50. - No. 11. - P. 3116-3122.
20. Cheng J., Huang T., Zheng Y.F. Microstructure, mechanical property, biodegradation behavior, and biocompatibility of biodegradable Fe-Fe2O3 composites // J. Biomed. Mater. Res. A. - 2014. - V. 102. - No. 7. - P. 2277-2287.
21. Lozhkomoev A.S., Pervikov A.V., Kazantsev S.O., Sharipo-vaA.F., Rodkevich N.G., Toropkov N.E., Suliz K.V., Sva-rovskaya N.V., Kondranova A.M., Lerner M.I. Synthesis of Fe/Fe3O4 core-shell nanoparticles by electrical explosion of the iron wire in an oxygen-containing atmosphere // J. Nano-part. Res. - 2021. - V. 23. - No. 3. - P. 1-12.
22. Levesque J., Levesque J., Hermawan H., Dube D., Manto-vani D. Design of a pseudo-physiological test bench specific to the development of biodegradable metallic biomaterials // Acta Biomater. - 2008. - V. 4. - No. 2. - P. 284-295.
23. ASTM G31-21. Standard Guide for Laboratory Immersion Corrosion Testing of Metals.
24. Iniguez-Franco F., Auras R., Burgess G., Holmes D., FangX., Rubino M., Soto-Valdez H. Concurrent solvent induced crystallization and hydrolytic degradation of PLA by water-ethanol solutions // Polymer. - 2016. - V. 99. -P. 315-323. - https://doi.org/10.1016/j.polymer.2016.07.018
25. Yu B., Wang M., Sun H., Zhu F., Han J.A., Bhat J. Preparation and properties of poly (lactic acid)/magnetic Fe3O4 composites and nonwovens // RSC Advanc. - 2017. -V. 7. - No. 66. - P. 41929-41935.
26. Ganapathe L.S., Mohamed M.A., Yunus R.M., Berhanud-din D.D. Magnetite (Fe3O4) nanoparticles in biomedical application: From synthesis to surface functionalization // Magnetochemistry. - 2020. - V. 6. - No. 4. - P. 68.
27. Chen D., Tang Q., Li X., Zhou X., Zang J., Xue, Xiang J., Guo C. Biocompatibility of magnetic Fe3O4 nanoparticles and their cytotoxic effect on MCF-7 cells // Int. J. Nano-med. - 2012. - V. 7. - P. 4973.
28. Oksiuta Z., Jalbrzykowski M., Mystkowska J., Romanc-zuk E., Osiecki T. Mechanical and thermal properties of po-lylactide (PLA) composites modified with Mg, Fe, and polyethylene (PE) additives // Polymers. - 2020. - V. 12. -No. 12. - P. 2939. - https://doi.org/10.3390/polym12122939
29. Djellali S., Nacereddine H., Tahar S., Anne B., Yves G. Structural, morphological and mechanical characteristics of polyethylene, poly (lactic acid) and poly (ethylene-co-glyci-dyl methacrylate) blends // Iran. Polymer J. - 2013. -V. 22. - No. 4. - P. 245-257.
30. Wang H.T., Chiang P.C., Tzeng J.J., Wu T.L., Pan Y.H., Chang W.J., Huang H.M. In vitro biocompatibility, radiopacity, and physical property tests of nano-Fe3O4 incorporated poly-L-lactide bone screws // Polymers. - 2017. - V. 9. -No. 6. - P. 191. - https://doi.org/10.3390/polym9060191
31. Rajpurohit S.R., Dave H.K. Effect of process parameters on tensile strength of FDM printed PLA part // Rapid Prototyping J. - 2018. - V. 24. - No. 8. - P. 1317-1324.
32. Qi Y., He Y., Lin W., Li P., Qin L., Hu Y., Chen L., Liu Q., Sun H., Liu Q., Zhang G., Cui S., Hu J., Yu L., Zhang D., Ding J. Strategy of metal-polymer composite stent to accelerate biodegradation of iron-based biomaterials // ACS Appl. Mater. Interfac. - 2018. - V. 10. - No. 1. - P. 182192. - https://doi.org/10.1021/acsami.7b15206
33. Whitman G.W., RussellR.P., Altieri V.J. Effect of hydrogen-ion concentration on the submerged corrosion of steel // Indust. Eng. Chem. - 1924. - V. 16. - No. 7. - P. 665-670.
34. Jiang D., Ning F., Wang Y. Additive manufacturing of biodegradable iron-based particle reinforced polylactic acid composite scaffolds for tissue engineering // J. Mater. Proc. Tech. - 2021. - V. 289. - P. 116952.
35. Alam F., Varadarajan K.M., Kumar S. 3D printed polylactic acid nanocomposite scaffolds for tissue engineering applications // Polymer Test. - 2020. - V. 81. - P. 106203.
36. Sharmin N., Hasan M.S., Parsons A.J., Rudd C.D., Ahmed I. Cytocompatibility, mechanical and dissolution properties of high strength boron and iron oxide phosphate glass fibre reinforced bioresorbable composites // J. Mech. Behav. Bio-med. Mater. - 2016. - V. 59. - P. 41-56.
37. Aldenhoff Y.B.J., Kruft M.I.B., Pijpers A.P., van der Veen F.A., Bulstra S.K., Kuijer R., Koole L.H. Stability of radiopaque iodine-containing biomaterials // Biomaterials. -2002. - V. 23. - No. 3. - P. 881-886.
Поступила в редакцию 28.07.2021 г., после доработки 02.11.2021 г., принята к публикации 11.11.2021 г.
Сведения об авторах
Бакина Ольга Владимировна, д.т.н., снс ИФПМ СО РАН, ovbakina@ispms.ru Иванова Людмила Юрьевна, к.т.н., мнс ИФПМ СО РАН, 1i860701@gmai1.com Торопков Никита Евгеньевич, мнс ИФПМ СО РАН, zerogooff@gmai1.com Сенькина Елена Ивановна, асп. ИФПМ СО РАН, aov862@ngs.ru Лернер Марат Израильевич, д.т.н., зав. лаб. ИФПМ СО РАН, 1erner@ispms.ru Глазкова Елена Алексеевна, к.т.н., снс ИФПМ СО РАН, eag1@ispms.ru Криницын Максим Германович, к.т.н., мнс ИФПМ СО РАН, krinmax@gmai1.com
