К.т.н. Свентская Н.В. ¹, к.т.н. Лукина Ю.С. ^1,2, к.т.н. Сивков С.П. ¹,

к.м.н. Зайцев В.В.², к.т.н. Белецкий Б.И. ¹, Сарычева Н.И.¹

¹ - Российский Химико-Технологический Университет им. Д.И. Менделеева

² – Центральный Институт Травматологии и Ортопедии им. Н.Н. Приорова

Разработка композиций на основе дикальцийфосфата дигидрата с биоактивным стеклом

Для восстановления дефектов костной ткани применяют различные типы материалов: пористые и плотноспечённые стекловидные, керамические, полимерные имплантаты и цементные пасты. Основные преимущества кальций-фосфатных цементов - возможность регулирования фазового состава, приближая к минеральной составляющей кости, введения порообразователей, армирующих волокон, наполнителей и заполнителей, факторов роста, а также высокая технологичность позволяют использовать их in situ для закрытия дефектов малой и средней протяжённости.

В РХТУ им. Д.И. Менделеева был создан ряд составов цемента дикальцифосфата дигидрата (ДКФД), формирование которого происходит на основе кислотно-основного взаимодействия между b-трикальцийфосфатом (b-ТКФ) и монокальцийфосфатом моногидратом (МКФ) по реакции:

b-Ca₃(PO₄)₂ + Ca(H₂PO₄)₂×H₂O + 7H₂O ® 4CaHPO₄×2H₂O

Высокая пористость цементного камня на уровне 55 % обеспечивает его быструю инфильтрацию внутренними средами организма, проникновение остеогенных клеток в объём порового пространства с размером пор 40-80 мкм, способствует формированию ткани остеоидного типа. Способность к резорбции обеспечивает пролонгированный выход ионов Ca²⁺ и РО₄^3- с участием данных ионов в процессе минерализации. Недостатком данной системы является низкие показатели рН контактной среды - на уровне 3,3-3,8, а также невысокие прочностные характеристики [1].

Были проведены исследования, направленные на модификацию цемента дикальцийфосфата дигидрата щелочными компонентами – частицами трёхкальциевого силиката, силиката натрия и щелочными биоактивными стёклами. Выбор наполнителя был ограничен рядом требований: повышения значений рН до физиологических значений, участие в формировании цементной матрицы и упрочнение композиции, введение в состав материала растворимых форм кремния, присутствие которого способствует поддержанию упругости соединительных тканей, стимулирует формировании молодого костного матрикса, его минерализацию [1 - 3].

На основе проведённых исследований в качестве наполнителя было выбрано щелочное биоактивное стекло состава 50S25N5P: SiO₂-50, Na₂O-25, CaO-20, P₂O₅-5% (масс.), представленной метасиликатами натрия, что на химическом уровне обеспечивает градиентную резорбцию материала протекающую за счёт выхода более растворимой фазы метасиликата натрия с последующим растворением метасиликата кальция и силиката кальция цепочечного типа с целью повышения рН контактной среды и резорбируемости композиции [3]. Были изучены композиции на основе ДКФД с биоактивным стеклом аморфного и закристаллизованного типа с содержанием до 15 % масс.

Установлены отличительные особенности фазообразования и изменения свойств композиций, содержащих аморфное и кристаллическое стекло. Так, при введении аморфного стекла рН композиций через 4 часа повышается до 5, а при введении кристаллического стекла - до 6, что определяет фазовый состав затвердевшей композиции: цемент без наполнителя представлен фазой ДКФД, а композиции со стеклом - фазами ДКФД, ДКФА (дикальцийфосфат ангидрит) и β-ТКФ, при этом степень завершённости реакции образования ДКФД в образцах с закристаллизованным стеклом значительно снижена. Значения пористости образцов повышаются в ряду цемент (45 %) – цемент + аморфное стекло (52 %) – цемент + кристаллическое стекло (58 %). Значения прочности в данном ряду падают. Композиции с кристаллическим стеклом обладают значительно большей растворимостью. Такие композиции могут применяться в виде инъекционных цементов, паст, замазок [4, 5].

В дальнейшем были проведены исследования направленные на получение прессованных материалов («холодной» керамики) на основе данных композиций, обладающих повышенной прочностью в 2-4 раза выше прочности исходных композиций. Прессование композиций проводили при давлении 10-30 МПа, соотношение вода/твёрдое изменяли от 0,22 до 0.30 мл/г. На основе отработанной технологии возможно получение блоков заданной формы.

Исследованные в экспериментах in vivo композиции при их ортотопической имплантации в дефект критического размера голени самцов крысы линии «Вистар» и морфологическое исследование резецированных образцов через 30 суток после имплантации показали хорошую биосовместимость, остеоинтеграцию и высокую скорость резорбции. Было обнаружено формирование остеогенной ткани, содержащей остаточное количество цементной композиции [6].

Значительным преимуществом любой формы подачи разработанных композиционных материалов является возможность введения факторов роста для увеличения остеоиндуктивного потенциала без потери их индуктивных свойств.

В заключении отметим, что на основе композиции дикальцийфосфата дигидрата с различными видами биоактивных стёкол возможно создание имплантатов регенеративного действия, активно стимулирующих формирование костных структур и подвергающихся полному удалению из организма.

Литература:

1. Lukina, Yu. Остеопластический биорезорбируемый кальцийфосфатный цемент. Синтез и исследование свойств. Влияние состава на поведение в организме. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011.

2. Lukina, YuS; Sventskaya NV. Biocomposite material based on dihydrate of dicalcium phosphate. Glass and ceramics, V. 67, N. 11-12, p. 354-357. DOI: 10.1007/s10717-011-9297-9.

3. Beletskii, BI; Sventskaya, NV. Silicon in living organisms and biocomposite materials of the new generation. Glass and ceramics, V. 66, N. 3-4, p. 104-108, DOI: 10.1007/s10717-009-9136-4.

4. Лукина, Ю.С. Исследование композиций брушитовый цемент – биоактивное стекло / Ю.С. Лукина, Н.В. Свентская, С.П. Сивков, В.В. Зайцев, Б.И. Белецкий // “Биоматериалы в медицине”: Сб. тезисов докл. – Москва: ИМЕТ РАН. - 2011- С. 76-78.

5. Заявка на патент № 2011139585 от 29.09.2011, класс A61L25/00, A61L27/00. Ю.С.Лукина, С.П. Сивков, Н.В. Свентская, Б.И. Белецкий Брушитовый цемент для костной хирургии.

6. Зайцев, В.В. Варианты доклинической оценки различных типов остеопластических материалов в модельных экспериментах in vivo / В.В. Зайцев, Ю.С. Лукина, В.С. Комлев, Т.В. Сафронова, В.И. Путляев, Н.В. Свентская, // “Биоматериалы в медицине”: Сб. тезисов докл. – Москва: ИМЕТ РАН. - 2011- С. 94-96.