Пористые кальцийфосфатные стеклокристаллические материалы для костного эндопротезирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.11, кандидат технических наук Бучилин, Николай Викторович

• Бучилин, Николай Викторович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бучилин, Николай Викторович

Список сокращений.

Введение.

1. Обзор литературы.

1.1. Строение кости и требования к материалам для костного эндопротезирования.

1.2. Классификация материалов для костного эндопротезирования.

1.2.1. Первое поколение биоматериалов - биоинертные или «глухие» материалы.

1.2.2. Второе поколение биоматериалов - биоактивные или «продвинутые» материалы.

1.2.3. Третье поколение биоматериалов - «интеллектуальные» композиции и покрытия.

1.2.4. Четвертое поколение биоматериалов - истинно интеллектуальные биоматериалы.

1.3. Разноуровневая пористость и способы ее получения.

1.3.1. Теоретические основы процесса спекания.

1.3.2. Методы получения пористых биоматериалов.

2. Обоснование основных направлений исследования.

3. Методическая часть.

3.1. Приготовление шихты, варка и термообработка стекол.

3.2. Подготовка и характеристика порошков стекол.

3.3. Синтез пористых материалов.

3.4. Методы исследования структуры стекол и стеклокристаллических материалов.

3.5. Методы определения технологических свойств стекол.

3.6. Методы определение физико-механических свойств пористых материалов.

3.7. Методы определения медико-биологических характеристиких материалов.

4. Кристаллизация и спекание порошков кальцийфосфатных стекол.

4.1. Кристаллизационные свойства и структура фосфатных стекол.

4.2. Вязкостные характеристики кальцийфосфатных стекол.

4.3. Влияние фракционного состава на кристаллизационные свойства стекла и физико-химические свойства материалов.

4.4. Выводы по главе 4.

5. Синтез материалов с открытой и канальной поровой структурой.

5.1. Выбор вида и концентрации газообразователя для материалов с открытыми порами.

5.2. Разработка материалов с канальными порами.

5.3. Структура и свойства материалов с открытой и канальной пористостью.

5.4. Выводы по главе 5.

6. Синтез пористых материалов методом шликерного литья.

6.1. Выбор и оптимизация технологических параметров для синтеза материалов с канальными порами.

6.2. Выбор и оптимизация технологических параметров для синтеза материалов с ячеистыми порами.

6.3. Структура и свойства материалов с канальной и ячеистой пористостью.

6.4. Выводы по главе 6.

7. Взаимодействие пористых материалов с физиологическими средами.

7.1. Поведение материалов в искусственной плазме.

7.2. Поведение материалов в контакте с костной тканью животных.

7.3. Выводы по главе 7.

8. Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пористые кальцийфосфатные стеклокристаллические материалы для костного эндопротезирования»

Приоритетной задачей современного здравоохранения и медицины является улучшение качества жизни и здоровья населения. Социальные программы, направленные на улучшение медицинского обслуживания населения ориентированы на широкое использование современных методов лечения, сокращение сроков лечения, снижение количества рецидивов заболеваний. Уровень решения этих задач определяется, в частности, развитием медицинского материаловедения, обеспечивающего создание новых высокоэффективных функциональных материалов и изделий с широким диапазоном свойств, отвечающих требованиям конкретной области медицины.

Традиционно для изготовления различных эндопротезов и имплантатов применяются металлы и их сплавы, пластмассы, керамические материалы, широкое использование которых обусловлено высокими механическими свойствами (металлы, сплавы, кеармика), эластичностью и возможностью подвергаться механической обработке (пластмассы).

Однако указанные материалы обладают рядом недостатков, в первую очередь связанных с их воздействием на живую ткань организма. Так, применение протезов из этих материалов часто вызывает аллергические реакции организма, при длительной эксплуатации возможно окисление протеза и накопление продуктов взаимодействия в живой ткани, иногда проявляются нежелательные канцерогенные, иммунологические и бактериологические эффекты. Эти причины вызвали необходимость разработки материалов, которые сочетали бы в себе высокие физико-химические и механические свойства с биологической совместимостью или биологической активностью по отношению к живой ткани.

Среди материалов, применяющихся в имплантологии, особое место занимают неорганические материалы на основе фосфатов кальция, которые образуют класс биоактивных материалов. Такие материалы отличаются от других тем, что после имплантации выделяют в среду организма ионы кальция и фосфора, и таким образом создают благоприятные условия для восстановления и роста костных клеток, а также образования прочной биохимической связи между эндопротезом и живой костной тканью. К биоактивным материалам относятся: биокерамика, биостекла и биоситаллы. В результате клинических испытаний имплантатов из таких материалов, а также эндопротезов с биоактивными покрытиями была выявлена их высокая эффективность в лечении костных дефектов и заболеваний.

Биоматериалы на основе стекла и ситаллов находят все более широкое применение в медицинском материаловедении. Обращение к этим материалам было неслучайным: при синтезе стекол возможна реализация искусственным путем составов, содержащих элементы, являющиеся основой костной ткани (кальций, фосфор и др.); превращение стекла в ситалл позволяет выделить в нем кристаллические фазы (фосфаты и силикаты кальция), характерные для минеральной части естественной кости.

Наиболее актуальными на сегодняшний день являются исследования, направленные на создание биоактивных материалов, имеющих не только химический состав, позволяющий формировать плотное соединение с живой костью, но и имитирующих ее строение. В первую очередь это относится к задаче создания структурных типов и разновидностей, в наибольшей степени приближающихся к структуре костных тканей различных отделов скелета человека.

Наличие открытой пористости в имплантационных материалах способствует интеграции костных тканей в имплантаты. Для успешного восстановления костной ткани необходимо одновременное протекание процессов формирования костного матрикса, пропитки его жидкими средами организма и насыщение его кровеносными сосудами. Кинетическое или пространственное отставание какого-либо из этих процессов приводит к торможению, а иногда и прекращению участия материала имплантата в регенерационных процессах. Остеобласты (клетки костной ткани) характеризуются размерами порядка 100 мкм и могут прорастать в материал, имеющий открытые поры соответствующего размера, поэтому для восстановительной и заместительной хирургии желательно применять материал, имеющий сообщающиеся поры с диаметром не менее 150 мкм. Пропитке имплантата жидкими средами и его колонизации белковыми молекулами способствует мелкопористая структура с размерами пор 20-80 мкм. Для включения имплантата в общую систему кровоснабжения организма пронизывающие его кровеносные сосуды должны располагаться в направленных сообщающихся порах или каналах. При этом желательный уровень открытой пористости составляет не менее 50 %, средний диаметр сообщающихся пор или каналов должен варьироваться в диапазоне 100-И ООО мкм.

Ранее был разработан биоситалл «КФ» медицинского назначения, полученный по стекольной технологии на основе системы СаО - Р2О5 - А12Оз с добавками ТЮ2, Zr02, В20з. Этот стеклокристаллический биоматериал обладает удовлетворительными физико-химическими, механическими и технологическими свойствами. Он успешно прошел испытания на биосовместимость и биоактивность на животных, был рекомендован для костного зндопротезирования. Однако разработанный биоситалл имеет нулевую пористость вследствие технологических особенностей своего получения.

Цель работы:

Выявление механизма формирования поровой структуры в процессе спекания кристаллизующихся кальцийфосфатных стекол, установление путей управления пористостью стекловидных и стеклокристаллических материалов; разработка стеклокристаллических биоматериалов для костного эндопротезирования с разным типом поровой структуры и отработка технологии их изготовления.

Научная новизна:

Развиты представления об особенностях спекания кристаллизующихся кальцийфосфатных стекол, и на их основе определены условия получения пористых стеклокристаллических материалов, главными из которых являются:

- совпадение температурных интервалов спекания и кристаллизации стекол, что определяет формирование пористого армирующего каркаса спекаемой заготовки;

1 О

- низкая вязкость остаточной стеклофазы ультрафосфатного состава (10М(Г Па-с) в интервале спекания и кристаллизации, обеспечивающая набор прочности заготовки и сохранение поровой структуры материала.

Показано, что для адекватного описания процесса жидкофазного спекания кристаллизующихся стекол недостаточно параметров, на которые опираются при расчетах по классической модели Френкеля. Необходимо вводить коэффициенты, учитывающие изменение поверхности спекающихся частиц за счет объемной кристаллизации стекла, исходя из скоростей роста выделяющихся кристаллов и степени кристалличности материала.

Выявлено, что в результате имплантации разработанных пористых материалов в бедренную кость кроликов на сроки от 2 до 12 месяцев происходит рост новых костных клеток как на поверхности, так и в поровом пространстве материалов, что свидетельствует о структурном подобии разработанных материалов разным участкам естественной кости и их способности стимулировать процессы восстановления костной ткани.

Практическая значимость:

Разработаны биоактивные кальцийфосфатные стеклокристаллические материалы, характеризующиеся различной поровой структурой:

• открытой пористостью 25-50 % с размером пор 20-200 мкм, предназначенные для лечения дефектов кортикальной кости в области диафиза;

• канальной пористостью 4-10 % с диаметром каналов 480-530 мкм, пористостью в межканальных перегородках 20-40 % с размером пор 50-150 мкм, которые рекомендуются для лечения дефектов костей в области метафиза;

• ячеистой пористостью 50-80 % с размером ячеек 100-2000 мкм и размером пор в межъячеистых перегородках 10-40 мкм, предназначенные для лечения дефектов трабекулярной кости.

Предложены методы и оптимизированы технологические параметры синтеза материалов заданной поровой структуры:

- для материалов с открытой и канальной пористостью - полусухое формование; применение крахмала и графитовых стержней в качестве порообразователей;

- для материалов с ячеистой пористостью - шликерное литье; использование тиксотропных шликерных суспензий с соотношением порошок стекла : раствор ПВС = 45:55 55:45 (об. %) и парафиновых гранул-порообразователей.

Испытания разработанных пористых материалов in vitro и in vivo показали возможность и перспективность их использования в качестве носителей мезенхимальных стволовых клеток, а также имплантатов для лечения костных травм и заболеваний.

Апробация работы:

Материалы диссертации доложены и обсуждены на: XX и XXI Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии Москва, РХТУ имени Д.И. Менделеева, 2006 и 2007 г.г.; Всероссийском совещании «Биокерамика в медицине», Москва, ИПК РАН, 2006 г.; Всероссийской конференции «Молодые ученые и инновационые технологии», Москва, РХТУ им. Менделеева, 2007 г.; Всероссийском совещании «Биоматериалы в медицине», Москва, ИМЕТ РАН, 2009 г., материалы демонстрировались на выставках «Мир стекла», «Стекло и современные технологии» (Москва, 2007 г.). По материалам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, получено положительное решение о выдаче патента РФ № 2008151496/02(067615) приоритет от 25.12.2008 г.

1. Обзор литературы

Заключение диссертации по теме «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов», Бучилин, Николай Викторович

9. Общие выводы

1. На основе кристаллизующегося биоактивного стекла состава (мол.%): Р2О5 -45, СаО - 50 , А1203 - 5 , + (сверх 100 %) В203 - 5 , ТЮ2 - 5 , гг02 - 5 получены пористые стеклокристаллические биоматериалы трех структурных типов — с канальной (до 55 %), открытой (до 50 %) и ячеистой (до 80 %) пористостью для лечения травм и заболеваний кости.

2. Формирование структур с открытой пористостью при спекании порошков кристаллизующегося стекла происходит благодаря реализации следующих условий:

- в интервале температур спекания происходит интенсивная объемная кристаллизация частиц стекла с образованием пирофосфатов кальция, титана и циркония, а также остаточной стеклофазы ультрафосфатного состава;

- образовавшиеся кристаллические фазы формируют жесткий каркас, который сохраняет пористость исходной заготовки и препятствует усадке;

- остаточная стеклофаза, содержание которой в температурной области спекания составляет 10-30 %, обладает достаточной текучестью для образования прочных контактов между частицами и набора прочности материала.

3. Установлено, что оптимальным для получения пористых стеклокристаллических материалов на основе кристаллизующихся кальцийфосфатных стекол является температурный интервал 900-950 °С. Материалы, получаемые при этих температурах из порошков стекол различного фракционного состава, обладают открытой пористостью на уровне 25-30 % и порами до 150 мкм. При температурах термообработки, близких к 1000 °С, происходит уменьшение уровня открытой пористости, связанное с процессом плавления кристаллических фаз.

4. Для получения поровых структур разных типов опробован ряд порообразователей. Показано, что при выбранных условиях синтеза при введении крахмала в количестве 3 масс.% формируется поровая структура с открытыми порами до 200 мкм, при использовании 8 масс.% графитовых стержней - структура с канальными порами диаметром 480-530 мкм и пористостью до 55 %, при введении 77 об.% парафиновых зерен - структура с ячеистыми порами 200-1800 мкм и пористостью до 75 %.

5. Установлено, что при получении высокопористых материалов по шликерной технологии необходимо использовать тиксотропные суспензии следующего состава: порошок стекла : раствор ПВС = 45:55 ч- 55:45. Сочетание парафиновых гранул с карбамидом в качестве электролита позволяют довести долю порошка стекла в шликере до 60 об.% при сохранении его текучести и целостности заготовки. При этих условиях получены материалы с сообщающимися ячеистыми порами размерами 2001800 мкм и прочностью при сжатии 1-10 МПа.

6. Установлено, что при контакте с водой и искусственными физиологическими средами (in vitro) степень деградации материалов растет с увеличением пористости и размеров пор в следующем ряду: с пористостью менее 20 % и размерами пор до 80 мкм < с пористостью 30-50 % и размерами пор до 200 мкм < с канальной пористостью 30-50 %, размерами канальных пор до 530 мкм < с ячеистой пористостью 50-80 % и размерами пор 200-1800 мкм. При этом испытательная среда насыщается ионами кальция и фосфора, необходимыми для инициации биохимических процессов, направленных на восстановление поврежденной костной ткани.

7. В результате испытаний in vivo установлено, что:

- мезенхимальные стволовые клетки при контакте с разработанными материалами сохраняют жизнеспособность через трое суток после подсадки, что свидетельствует о возможности внесения имплантатов с готовой клеточной средой в очаг заболевания.

- при контакте с костной тканью кроликов через 2 месяца в поровом пространстве и на поверхности материалов формируется новая костная ткань, а через 9 месяцев -единый костный фрагмент, что демонстрирует перспективность изготовления на их основе эндопротезов с заданными типами поровой структуры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бучилин, Николай Викторович, 2010 год

1. Саркисов П.Д. Направленная кристаллизация стекла основа получения многофункциональных стеклокристашшческих материалов. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, - 1997. - 218 с.

2. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. М.: Техносфера. - 2006. - 226 с.

3. Баринов С.М., Комлев B.C. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука,-2005.-208 с.

4. Vallet-Regi М. Evolution of Bioceramics within the Field of Biomaterials. // C.R. Chimie. 2010. - V. 13.-P. 174-185.

5. Строение тела. Иллюстративный справочник: Под ред. Смита Т. М.: Астрель, -2003.-240 с.

6. Дорожкин С.В., Агатопоулус С. Биоматериалы: обзор рынка. // Химия и жизнь, -2002.-№2.-С. 8-10.

7. Борисенко А.В., Неспрядько В.П. Композиционные пломбировочные и облицовочные материалы в стоматологии. М.: Книга плюс. - 2002. - 224 с.

8. Fujiu Т., Ogino М. Difference of bond bonding behavior among surface active glasses and sintered apatite. // Journal of Biomedical Materials Research. 1984. -V. 18.- P. 845-859.

9. Gou Z., Chang J., Gao J., Wang Z. In vitro bioactivity and dissolution of Ca2(Si03)(0H)2 and p-Ca2Si04 fibers. // Journal of the European Ceramic Society. -2004. V. 24. -1. 13. - P. 3491-3497.

10. Kima S.R., Leeb J.H., Kimb Y.T. Bioactive behaviors of porous Si-substituted hydroxyapatite derived from coral. // Bioceramics. 2004. - V. 16. - P. 969-972.

11. Shena J.W., Qi Wang T.W., Рапа H.H. Molecular simulation of protein adsorption and desorption on hydroxyapatite surfaces. // Biomaterials. 2008. - V. 29. - P. 513— 532.

12. Viswanatha В., Ravishanka N. Controlled synthesis of plate-shaped hydroxyapatite and implications for the morphology of the apatite phase in bone. // Biomaterials. -2008. V. 29. - P. 4855-4863.

13. Gough J.E., Jonesb J.R., Hench L.L. Nodule formation and mineralisation of human primary osteoblasts cultured on a porous bioactive glass scaffold. // Biomaterials. -2004. V. 25. - P. 2039-2046.

14. Davies J.E. Bone bonding at natural and biomaterial surfaces. // Biomaterials. 2007. -V. 28.-P. 5058-5067.

15. Georgiou G., Knowles J.C. Glass reinforced hydroxyapatite for hard tissue surgery -Part 1: mechanical properties. // Biomaterials. 2001. - V. 22. - P. 2811-2815.

16. Строганова E.E., Мнхайленко Н.Ю. Материалы для медицины на основе кальцийфосфатных стекол. // Техника и технология силикатов. 2002. - № 3. -С. 42-46.

17. Verriera S., Blakera J. J., Maquetb V., Hench L.L., Boccaccini A.R. PDLLA/Bioglass® composites for soft-tissue and hard-tissue engineering: an in vitro cell biology assessment. // Biomaterials. 2004. - V. 25. - P. 3013-3021. ,

18. Kokubo Т., Ito S., Shigematsu M., Sanka S., Yamamuro T. Fatigue and life-time of bioactive glass-ceramic A-W containing apatite and wollastonite. // Journal of Materials Science. 1987. -V. 22. -N. 11. - P. 4067-4070.

19. Vogel W., Holand W., Naumann K. Development of machineable bioactive glass ceramics for medical uses. // Journal of Non-Crystalline Solids. 1986. - V. 80. - P. 34-51.

20. Georgiou G., Knowles J.C. Glass reinforced hydroxyapatite for hard tissue surgery -Part 1: Mechanical Properties. //Biomaterials. -2001. -V. 22. P. 2811-2815.

21. Ylanen H., Karlsson K.H., Itala A., Aro H.T. Effect of immersion in SBF on porous bioactive bodies made by sintering bioactive glass microspheres. // Journal of Non-Crystalline Solids. 2000. - V. 275. - P. 107-115.

22. Fidancevska E., Ruseska G., Bossert J., Lin Y.M. Boccaccini A.R. Fabrication and characterization of porous bioceramic composites based on hydroxyapatite and titania. // Materials Chemistry and Physics. 2007. - V. 103. - P. 95-100.

23. Queiroz A.C., Santos J.D., Yilare R., Eugenio S., Monteiro F.J. Laser surface modification of hydroxyapatite and glass-reinforced hydroxyapatite // Biomaterials. -2004. V. 25. - P. 4607-4614.

24. Niiranen H., Tormala P. Bioabsorbable polymer plates coated with bioactive glass spheres. // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 1999. - V. 10. - P. 707-710.

25. Гузман И.Я., Сысоев Э.П. Технология пористых керамических материалов и изделий. Тула:. Приокское книжное изд., 1975. - 196 с.

26. Гегузин Я. Е. Физика спекания. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, - 1984. -312 с.

27. B.C. Горшков и др. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. М.: Высш. шк. - 1988, - 400 с.

28. Кингери У.Д. Введение в керамику. 2-е изд. М.: Издательство литературы по строительству. - 1967. - 576 с.35.