CC BY
58
УДК 661.842.455-033.24:61
А.Н Артюкова, Ю.С Лукина, С.П Сивков, Н.В Свентская
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 * e-mail:[email protected]
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНЕЗИАЛЬНО-БРУШИТОВЫХ БИОЦЕМЕНТОВ
Некоторые биологические материалы, в частности цементы, содержат ионы магния. Магний - элемент, который был обнаружен в биологическом апатите, а значит, является желательным в биоматериалах. По литературным данным замена ионов кальция на ионы магния улучшала поведение материалов in vivo.
Ключевые слова: магний-замещенный Р-ТКФ, кальций-фосфатные материалы, пористость, прочность.
В последние годы наиболее перспективную и стремительно развивающуюся группу материалов для ортопедии и травматологии представляют резорбируемые кальцийфосфатные материалы, и в частности, цементы. Биоцементы выгодно отличаются от других кальцийфосфатных материалов, возможностью адаптации к костному дефекту для обеспечения тесного контакта имплантант - кость, и равномерного распределения по объему введенных в цемент антибиотиков, а также костных
морфогенетических белков для улучшения остеоиндуктивности и их пролонгированного выхода в месте имплантации.
Гидроксиапатит, конечная фаза наиболее распространенного вида биоцемента, является стабильным соединением при физиологических значениях рН = 7,4, что делает цемент на его основе медленно растворимым. В противоположность ему дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД), конечная фаза брушитового цемента, является метастабильным соединением, в связи, с чем цемент является высокорезорбируемым. Однако брушитовый цемент имеет ряд недостатков, таких как низкие значения рН, быстрое схватывание, низкие прочностные характеристики. Ионы магния, вводимые с солями в цементную смесь или в воду затворения, как известно, увеличивают сроки схватывания и улучшают механические свойства брушитовых цементов [2].
При физиологических значениях рН брушитовые цементы обладают большей скоростью растворения, чем апатитовые, что увеличивает скорость регенерации костной ткани. Недостатками брушитовых цементов являются короткие сроки схватывания, невысокие значения прочности, низкие значения рН твердеющего раствора.
Брушитовые цементы представляют большой интерес и используются в виде инъекционных паст, литых блоков, 3-Э печатных блоков, гранул самостоятельно или в виде композиций с другими
материалами, такими как керамические гранулы, биостекло, полимеры. В некоторых исследованиях брушитовые цементы показали остеоиндуктивный эффект. ДКФД хорошо переносится, не вызывая воспалений. Кроме того было установлено, что активность щелочной фосфатазы, секреция коллагена I и отложение волокон коллагена во внеклеточном матриксе увеличивается у брушитовый цементов, содержащих ионы Бг и 2п. М§ усиливает пролиферацию и дифференцировку клеток.
Целью работы является синтез и исследование свойств брушитовых цементов, на основе магнийсодержащего Р-трикальций-фосфата.
Оптимальным способом получения брушитового цемента является взаимодействие смеси порошков Р-трикальцийфосфата (Р-ТКФ), монокальцийфосфата монодигидрата (МКФМ) и водного раствора с образованием пластичной массы, затвердевающей до СаНРО^ШО по следующей реакции:
р-Саэ(РО4)2 +Са(Н2РО4)2-Н2О+7Н2О ^ 4СаНРО4-2ШО (1)
В ходе анализа литературы было выделено три основных способа синтеза Р-ТКФ:
1)твердофазный синтез, основанный на получении смеси фосфата кальция с низким Са/Р отношением с карбонатом кальция (СаСОз) с последующим обжигом;
2) растворный синтез:
3(Са(Шз)2''4Н2О+2((МН4)2НРО4)+2КН40Н^ Саз^Ы+бКНШз+МШО (2)
3) в ходе разложения аморфного фосфата кальция или нестехиометрического гидроксиапатита: Са9(НРО4)(РО4>ОН ^ 3Саз(РО4)2 + ШО| (3)
На первом этапе работы получали Р-ТКФ твердофазным синтезом, использовали следующие фосфаты: СаНРО4-2ШО, СаНРО4 (ДКФА - дикальцийфосфат ангидрит, монетит) и Са2Р2О7 (пирофосфат кальция - ПФК):
2СаНРО4-2Н2СН€аСС>з^Саз(РО4)2+5Н20Т+С02Т (4) 2СаНРО4+СаТОз^Саз(РО4)2+Н20|+С02Т (5)
Са2Р2О7 + CaCOз ^ Caз(PO4)2 + ТО2Т (6)
Обжиг смеси проводили 7 часов при температуре 1100 0С.
Прекурсоры для твердофазного синтеза ТКФ были получены по стандартной растворной методике [3]:
Ca(NOз)2•4H2O + (NH4)2HPO4 ^ СаНРО^ШО! + 2Ж4Ш3 + 2H2O (7)
Осадок тщательно промывали, фильтровали и сушили при 50 0С до постоянной массы.
Для получения монетита CaHPO4, используемого в реакции 5 сушку проводили при температуре (Т=250 0С) в течение 7 часов: CaHPO4•2H2O ^ СаНР04 + 2Н2ОТ (8)
Для получения ПФК Са2Р2О7, используемого в реакции 6, полученный в предыдущей реакции монетит обжигали в печи при 450 0С в течение 5 часов.
2СаНР04 ^ Са2Р207 + Н2ОТ (9)
Авторы [1, 5] модифицировали прекурсоры брушитового цемента (а- и Р-ТКФ) ионами магния для увеличения сроков схватывания, улучшения инъекционной способности и механических свойств.
На втором этапе работы получали исходные компоненты цементов с использованием М§(0Н)2, МвНР04-3Ш0, СаНРО^ШО и СаСОз. Синтез проводили спеканием смеси СаСО3 и СаНРО4 (при х=0); спеканием той же смеси, но с частичной заменой СаСОз на М§(0Н)2 и СаНРО4 на М§НРО4 (либо М§2Р2О7) (при х^0). Прекурсоры СаНРО4 и М§НРО4 (либо М§2Р2О7) были получены растворным синтезом с последующей термообработкой.
1Мв(СНзСШ)2+2(ЫН4)2НР04+4Н2О^МвНР04^3Н20| +Mg^lЩЮ4H20|+3NHfflзС0CHШзС0Ж (10)
Была получена смесь магнийаммонийного фосфата с ньюберитом, что подтверждают данные рентгенофазового анализа.
Обжиг смеси проводился 7 часов при температуре 1100 0С, что обеспечивало формирование магний - замещенного Р-трикальцийфосфата с общей формулой М§хСа (з-х)(Р04)2, где 0 <х <3.
На третьем этапе работы брушитовые магний-замещенные цементы получали в ходе кислото-основного взаимодействия. В данной работе в качестве кислого компонента для получения цемента был выбран моногидрат монокальцийфосфата ОАО «Химстар», в качестве основного - магний-замещенный
трикальцийфосфат, табл. 1.
Смешение данных компонентов с жидкостью затворения приводит к образованию кристаллогидратов дигидрата дикальцийфосфата, имеющего структуру минерала брушита. Са(Н2РО4)2^Н2О + р-МвхСа(з-х)(РО4)2 + 7ШО ^ 4Са(М§)НРО4^2Н2О (11)
Твердение цемента обусловлено срастанием микрокристаллов образовавшихся
кристаллогидратов. Конечные свойства
брушитового цемента определяются количеством и свойствами исходных компонентов и жидкости затворения.
Таблица 1
Составы цементных смесей
Сод-е Са^РО^ШО р-МБхСа(з-х)(РО4)2
магния, % %
моль
х=0 55 45
х=0,75 54 46
х=1,5 5з 47
х=2,25 52 48
х=3 51 49
Жидкостью затворения при приготовлении цементного теста всех полученных в работе составов являлась дистиллированная вода. Исключение составляет состав 1, так как он обладал очень короткими сроками схватывания (20 сек) при затворении дистиллированной водой. Для данного состава в качестве жидкости затворения использовали 0,5М раствор цитрата натрия.
Снижение водо-твердого отношения (В/Т) приводит к повышению прочности коагуляционной структуры и увеличению когезии, но пластическая прочность цементной пасты возрастает, сроки схватывания уменьшаются, что приводит к снижению пластичности цементного теста. Для получения «удобного» для работы цементного теста необходимо предотвратить схватывание цемента в течение первых двух минут после затворения водой. Поэтому при выборе В/Т измерялась пластическая прочность цементного теста.
В/Т отношение подбиралось таким образом, чтобы смесь удобно перемешивалась, получалось пластичное тесто, удобоукладываемое через 1 минуту после затворения водой. Сроки схватывания цементов зависят от В/Т, состава цементной смеси (табл. 2).
Таблица 2.
Зависимость сроков схватывания и В/Т отношения от содержания магния_
Сод-е Ж/Тв Сроки
магия, схватывания, мин
моль Начало Конец
х=0 1,0 1 з
х=0,75 0,6 2 >60
х=1,5 0,6 2 6
х=2,25 0,6 2 6
х=3 0,з7 12 >60
Рентгенофазовый анализ цементного камня, выполненный после 24 часов твердения образцов во влажных условиях, показал наличие брушита СаНРО4-2ШО и ньюберита М§НРО4-3ШО в качестве основных фаз.
Причем при взаимодействии Са(Н2РО4)2^ШО с Р-Саз(РО4)2 основной фазой является брушит (карточка 9-77), примесной - остаточный Р-Саз(РО4)2 (карточка 9-169). При взаимодействии
Са(ШРО4)2^ШО с Mg3(P04)2 основной фазой является ньюберит P-MgHP04^3H20 (карточка 35780), примесной - остаточный фаррингтонит (карточка 33-876). При взаимодействии P-MgxСа(з-х)(РО4)2, где х = 0,75; 1,5; 2,25, образовывалась смесь брушита и ньюберита.
Сроки схватывания цементов зависят от В/Т, состава цементной смеси.
Цементы состава х=0,75 и х=3 сильно отличаются от других составов, так как имеют длинные сроки схватывания. В первом случае это связано с действием иона магния как замедлителя роста кристаллов брушита, во втором - с меньшей реакционной способностью тримагнийфосфата по сравнению с трикальцийфосфатом. Обозначенные сроки схватывания не приемлемы для цементов, застывающих в организме, поскольку за столь длительный срок они способны вымываться с места имплантации. Состав с х=0 даже с замедлителем схватывания цитратом натрия имеет слишком короткие сроки при большом В/Т (В/Т=1).
Цементы составов х=1,5 и х=2,25 имеет приемлемые сроки схватывания, при этом образуется смесь брушита и ньюберита. По литературным данным замена ионов кальция на ионы магния улучшала поведение материалов in vivo.
Механическая прочность затвердевшего цементного камня определяется в большей степени прочностью и количеством контактов между частицами, которое обусловлено их размером и способом их упаковки, что связано с пористостью. Биоцемент, содержащий большое количество воды, является более пористым, а значит, характеризуется большим количеством напряжений, снижая механическую прочность (рис. 1).
Так высокое В/Т для первого состава (х=0) приводит к низким механическим характеристикам. Кроме того рентгенофазовый анализ показал неполное протекание реакции к 1 суткам. При одном и том же В/Т для смесей х=0,75, х=1,5, х=2,25, прочностные характеристики для х=0,75 очень низкие, это связано с содержанием магния, оказывающим замедляющие действие на рост кристаллов брушита.
Возможно, в данном случае образуются мелкие кристаллы брушита на поверхности непрореагировавшего трикальцийфосфата,
оставшегося в большом количестве в цементном камне к 1 суткам твердения. Увеличение содержания магния прямо пропорционально увеличению прочности для составов х=1,5, х=2,25 и снижению пористости. Возможно, это связано со структурой цементного камня.
а 4 --
□ ст изгиб
1 ст сжатие
0,75
1,5
2,25
Х
Рис. 1. Механическая прочность цементного камня на 1 сутки, х - содержание магния в Р-М§хСа(э-х)(РО4>2
Для состава х=3 общая пористость составляет 16%, что связано с низкими значениями В/Т=0,37.
70 60
Í 50
£ 40 ¡ 30
&
£ 20 С
10
0
ИВ
0 0,75 1,5 2,25 3 Х
Рис. 2. Пористость цементного камня, х - содержание магния в р-М§хСа(э-х)(РО4)2
Цемент состава х=3 является прочным цементом, конечной фазой твердения которого является ньюберит и примесь - остаточный фаррингтонит. Сроки схватывания такого цемента велики: конец схватывания от 30 мин до 1часа.
Цемент состава х=2,25 образует прочный цементный камень состава брушит-ньюберит. Сроки схватывания такого цемента приемлемы для использования в медицине: конец схватывания 6 мин. Открытая пористость цементного камня около 30 %.
Цементы составов х=1,5 является прочным цементом, конечной фазой твердения которого является смесь брушита, ньюберита и остаточного трикальцийфосфата. Конец схватывания - 6 мин.
Цементы составов х=0,75 является низкопрочным цементом, конечной фазой твердения которого является смесь брушита, ньюберита и остаточного трикальцийфосфата. Сроки схватывания такого цемента велики: конец схватывания от 30 мин до 1часа.
Цемент состава х=0 является низкопрочным цементом, конечной фазой твердения которого является смесь брушита и Р-ТКФ. Сроки схватывания малы (конец схватывания - з минуты).
Таким образом, наилучшими
характеристиками обладает цемент состава Р-М§хСа(з-х)(РС4)2 при х=1,5 и 2,25.
5
í 3
2
0
0
3
Артюкова Анастасия Николаевна студент кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Лукина Юлия Сергеевна к.т.н., доцент кафедры стандартизации и инженерно-компьютерной графики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Сивков Сергей Павлович к.т.н., доцент, заведующий кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Свентская Наталья Валерьевна к.т.н., ассистент кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Pina S., Torres P. M. C., Ferreira J. M. F. Injectability of brushite-forming Mg-substituted and Sr-substituted a-TCP bone cements // J. Mater. Sci.: Mater. Med.- 2010.- V. 21 - Р. 431-438
2. Bohner M. Physical and chemical aspects of calcium phosphates used in spinal surgery / Eur. Spine J.-2001. - V. 10. - Р. S114-S121
3. Щегров Л.Н. Фосфаты двухвалентных металлов / Киев: Наукова думка. - 1987. - С. 52-74
4. 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.
5. Klammert U., Reuther T., Blank M., Reske I., Barralet J. E., Grover M. L., Kubler A.C., Gbureck U. Phase composition, mechanical performance and in vitro biocompatibility of hydraulic setting calcium magnesium phosphate cement// Acta Biomaterialia. - 2010. V.6 - Р. 1529-1535
Artukova Anastsia Nikolaevna, Lukina Yulia Sergeevna*, Sivkov Sergey Pavlovich, Sventskaya Natalya Valeryevna
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
SYNTHESIS AND RESEARCH OF MAGNESIUM-DOPED BRUSHITE BIOCEMENTS
Abstract
Some biological material, in particular cement, containing magnesium ions. Magnesium - an element that has been detected in the biological apatite, and therefore it is desirable to biomaterials. According to the literature on the replacement of calcium ions, magnesium ions improved the behavior of materials in vivo.
Key words: Magnesium-doped P-TCP, calcium phosphate materials, porosity, compressive strength.
