CC BY
127
СВС СИНТЕЗ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОСТНЫХ ИМПЛАНТАТОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА, КОБАЛЬТА И ГИДРОКСИАПАТИТА КАЛЬЦИЯ
Камынина О.К.1-1; Сычев А.Е.1-1, Вадченко С.Г.1-1, Сачкова Н.В.1-1, Балихина Е.Н.1-1, Плащина И.Г.2);
Крылова Е.А.2); Селезнева И.И.3); Коновалов А.Н.3) 1)1 Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Моск.
обл., tel. (495)9628035, kuz@ism.ac.ru 2) Институт биохимической физики им. Н.М. Эммануэля РАН, г. Москва, 3) Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, г. Пущино, Моск. обл.,
В работе разработан способ получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) пористых биокомпозитных материалов титан - кобальт - гидроксиапатит. Исследовано влияние степени кристалличности гидроксиапатита (Ca10(PO4)6(OH)2, ГАП) на структуру, фазовый состав и . механические свойства материалов.
Разработка и создание новых материалов для костных имплантатов является актуальной задачей современной реконструктивной хирургии. Особый интерес представляют пористые материалы, по своей структуре максимально приближенные к костной ткани. С одной стороны, открытая пористая структура может обеспечить миграцию клеток и прорастание сосудов в процессе интеграции материала с костной тканью, с другой - приближает упругие свойства стекла, металлов и керамики к параметрам кости [1-3].
В данной работе пористые биокомпозитные материалы на основе сплавов титан-кобальт получали методом самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза (СВС), в основе которого лежит реакция экзотермического взаимодействия химических элементов или соединений, протекающая в режиме направленного горения [4, 5]. Целью данной работы была разработка метода повышения остеоинтегративного потенциала сплавов титан-кобальт путем введения в состав композитного материала гидроксиапатита кальция. Проведено сравнение двух альтернативных методов введения ГАП: включение ГАП в состав реакционной смеси СВС и нанесение его на поверхность пористого сплава TiCo методом химического соосаждения. Исследовано влияния степени кристалличности ГАП на структуру, механические свойства полученных материалов и их взаимодействие с мезенхимальными стволовыми клетками. Материал и методы исследования
В работе использовались порошки Co (d~1-2 дш, Eurotungsten), Ti (d<10 дш, Performance Metals and Alloys NJ, USA.), ГАП (Саш(Р04)б(0Н)2, ЗАО «БИОМЕД»). Для получения биокомпозитных материалов методом СВС порошки металлов предварительно смешивались в стехиометрическом соотношении для TiCo, затем в эту реакционную смесь добавляли ГАП. В качестве газифицирующейся добавки применяли гидрид титана. Из смеси прессовали образцы в виде цилиндров диаметром 12 мм и высотой 15-16 мм. Образцы вертикально устанавливались в реакционную камеру, которая заполнялась аргоном. Начальная температура процесса варьировалась от 300 0С до 600 0С. Реакция инициировалась раскаленной вольфрамовой спиралью.
Исследование структуры полученных образцов было проведено методом локального рентгеноспектрального анализа на рентгеновском микроанализаторе "Superprobe JCXA-733". Прочностные характеристики материалов проводили при одноосном нагружении образцов на испытательной машине «Инстрон-1195» (о сжатия). Фазовый состав полученных материалов определяли методом рентгенофазового анализа с помощью установки ДРОН-3 на медном излучении. Фибробласты человека были выделены из кожно-мышечной ткани эмбриона на сроке 6 недель. Клетки культивировали в среде ДМЕМ/199 (1:1) с добавлением 10%
эмбриональной телячьей сыворотки (ЭТС) и 100Ед/мл пенициллин/стрептомицина в атмосфере 5% С02. Культура клеток на 8 пассаже (CD133-, Cd117-, CD45-, CD90+, CD54-, CD62L-, CD62P-, CD9+, CD34-, CD31-, CD71-, CD20-, CD157-, CD106+, CD62E+) была использована для тестирования материалов. Клетки высевали на поверхности образцов с плотностью 35 тыс./см2 и культивировали в течение 72 часов. Оценку морфологии и жизнеспособности клеток проводили на микроскопе Axiovert 200M с использованием метода окрашивания клеток 0.0002% раствором акридинового оранжевого в фосфатном буфере. Результаты и их обсуждение
Целью данной работы была разработка метода повышения остеоинтегративного потенциала сплавов титан- кобальт путем введения в состав композитного материала гидроксиапатита кальция. На первом этапе исследования было проведено сравнение двух альтернативных методов введения ГАП в состав композитного материала: включение ГАП в состав реакционной смеси СВС и нанесение его на поверхность пористого сплава Т1Со методом химического соосаждения. Для оценки биосовместимости данных материалов было проведено исследование адгезии мезенхимальных стволовых клеток на поверхности материалов. (Рис.1)
а б в
Рис. 1. Внешний вид клеток, культивируемых на поверхности пористого сплава Т1Со (а), сплав Т1-С0 с соосаждением ГАП (б), сплав Т1-Со-ГАП (в)
Внешний вид клеток, культивируемых на поверхности пористого сплава Т1Со, говорит об адгезивности данного материала, однако некоторое количество окрашенных в красный цвет клеток свидетельствует о повышенном содержании одноцепочечных или фрагментированных нуклеиновых кислот. Клетки, культивируемые на поверхности пористого сплава, модифицированного ГАП, демонстрировали более высокую жизнеспособность, чем Т1-Со, вне зависимости от способа введения ГАП. Однако, в случае химического соосаждения, часть порового пространства материалов Т1-Со была закупорена гидроксиапатитом, что не является оптимальным для создания на его основе биоинженерных конструкций. Таким образом, метод введения ГАП в состав реакционной смеси СВС был признан более перспективным.
На втором этапе исследования были определены оптимальные параметры получения пористых материалов в условиях СВС (дисперсность порошков, состав смеси, исходная плотность, начальная температура). Были получены четыре вида образцов пористых материалов на основе сплавов титан-кобальт, отличающиеся составом исходной смеси и , как следствие этого, имеющие существенные различия в микроструктуре. (Рис.2)
а) б) в) г)
Рис. 2. Структура образцов ТьСо-ГАП, синтезированные в условиях высокотемпературного синтеза, в зависимости от степени кристалличности гидроксиапатита кальция.
Исследование образцов показало, что все материалы обладают равномерной открытой пористостью 50-70%., однако в зависимости от химического и фазового состава ГАП, добавляемого в исходную смесь, меняется не только величина пористости, но и форма и размер пор полученного материала. Так при использовании кристаллического ГАП размер пор 50-80 мкм, преобладают поры округлой формы (рис. 2а). При введении аморфного ГАП и ГАП с добавками биополимеров пористая структура образцов изменяется - поры имеют вытянутую форму, размер пор 200-600 мкм. При этом перегородки между порами тоже имеют пористую структуру, преобладают поры округлой формы, диаметром приблизительно 100 мкм (рис. 2б, 2в). Образец, не содержащий добавок ГАП, характеризуется неравномерной пористостью, при этом размер пор варьируется от 50 мкм до 1 мм (рис. 1г).
Исследование микроструктуры и элементного состава образцов показало, что при введении ГАП в исходную смесь, матрицы синтезированных образцов состоят из одной фазы Т1Со (рис. 3). Поверхность пор образцов с добавками ГАП покрыта соединениями кальция, фосфора и кислорода. Матрица образцов, синтезированных без добавок ГАП, состоит из двух фаз - Т1Со и ТЮо2 (рис. 3г). По результатам рентгенофазового анализа, образцы, синтезированные с добавками ГАП, состоят из фаз Т1Со и СаТЮз, образцы, синтезированные из смеси без гидроксиапатита кальция - Т1Со и ТЮо2. Данные результаты показывают, что фазовый состав ГАП, входящего в исходную смесь влияет на продукт реакции.
Рис.3. Микроструктура образцов в зависимости от степени кристалличности ГАП. А) - кристаллический ГАП; б) наноразмерный аморфный ГАП с добаками биополимеров; в) наноразмерный аморфный ГАП; г) без добавок ГАП.
Для создания имплантатов необходимо, чтобы материал обладал высокой пористостью, при этом обладая хорошими прочностными характеристиками. В таблице 1 приведены результаты исследований прочности образцов при одноосном нагружении (о сжатия).
Таблица 1._
Состав исходной смеси образца Сеж., МПа
Т1+Со+ГАПкр. 22
П+Со+ГАПорг. 115
П+Со+ГАПаморф. 22,3
П+Со 66,5
Таким образом, в результате проведенного исследования была показана перспективность метода СВС для синтеза композитных пористых материалов на основе Ti-Co-HAP. В ходе данной работы были определены оптимальные параметры получения пористых материалов в условиях СВС. Исследовано влияние фазового и химического составов гидроксиапатита кальция на структуру, элементный и фазовый состав, прочностные характеристики синтезированных материалов. Использование наноразмерного аморфного ГАП и ГАП с добавками биополимеров позволяет получить равномерную однофазную структуру материала, облегчает формирование пор и приводит к модификации свойств их поверхности. Полученные композиционные материалы по совокупности свойств (пористая структура с открытой системой пор, прочностные характеристики, адгезивность для клеток) могут быть использованы в реконструктивной хирургии и ортопедии.
1. D.I. Ilan, A.L. Ladd: Bone Graft Substitutes, Operative Techniques in Plastic and Reconstructive Surgery,2003, vol. 9, pp. 151-160
2. S.J. Simske, R.A. Ayers,T.A. Bateman: Porous materials for bone engineering, Mater Sci Forum, 1997, vol. 250, pp. 151.
3. T.W. Bauer, G.F. Muschler: Bone graft materials: an overview of the basic science, Clin Orthop Rel Res, 2000, vol. 371, pp. 10-27.
4. Мержанов А.Г., Боровинская И.П. Докл. АН СССР, 1972, т. 204, № 2, стр. 366
5. Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P., Combust. Sci. Technol. 1975, vol. 10, no. 5-6, p. 195
6. Крылова Е.А. "Способ получения микрогранул на основе гидроксиапатита кальция" Патент на изобретение № 2235061, 2004
7. Darzynkiewicz Z. et al. Features of apoptotic cells measured by flow cytometry. Cytometry, 1992, vol. 13, no. 8, pp. 795-808
SHS OF Ti-Co-HAP POROUS MATERIALS FOR BONE IMPLANT SURGERY
O.K. Kamynina'. S.G. Vadchenko1, A.E. Sytschev1, N.V. Sachkova1, E.N. Balikhina1, E.A. Krylova2, I.G.
Plashchina2, I.I. Selezneva3, A.N. Konovalov3 1Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, RAS - Chernogolovka - Moscow reg. -
142432 Russia - kuz@ism.ac.ru 2N.M. Emmanuel Institute of Biochemical Physics RAS, Moscow, 117997, Russia 3Institute of Theoretical and Experimental Biophysics RAS, Puschino, 142290, Russia
The method of Self-propagating High temperature Synthesis (SHS) was used to fabricate Ti-Co-HAP porous biocompatible composites [HAP = hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2]. The structure, phase composition, and mechanical strength of synthesized composites were studied as a function of the extent of HAP crystallinity.
