Биокомпозитные материалы на основе фосфатов кальция для стоматологии и медицины



Скачать 178.5 Kb.
Дата03.05.2016
Размер178.5 Kb.
БИОКОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ ДЛЯ СТОМАТОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ

Лазебная М.А., Колобов Ю.Р., Храмов Г.В., Колобова Е.Г., Гребцова Е.А.

Г. Белгород, БелГУ, НОиИЦ «Наноструктурные материалы и нанотехнологии»
Одним из важных направлений современного материаловедения является разработка биоматериалов на основе фосфатов кальция и, прежде всего, с использованием гидроксилапатита Ca10(PO4)6(OH)2 – ГАП. В костной и зубной ткани ГАП присутствует в виде пластин длиной ~40-60 нм, шириной 20-30 нм и толщиной 1,5-5 нм, поэтому получение именно нанокристаллического гидроксилапатита позволяет увеличить его биохимическую активность и проникающую способность. Искусственные материалы на основе ГАП признаны абсолютно биосовместимыми.

Существует достаточно большое количество способов получения гидроксилапатита. Однако в случае наноразмерного ГАП наиболее предпочтительным является синтез данного вещества методом осаждения из водного раствора. При выполнении нашей работы нанокристаллический гидроксилапатит готовили синтезом из водных растворов исходных ингредиентов - насыщенного раствора Ca(OH)2 и растворов H3PO4 различной концентрации по реакции [1,Error: Reference source not found,Error: Reference source not found]:

10Са(ОН)2 + 6Н3РО4 = Са10(РО4)6(ОН)2 ↓+ 18Н2О (1)

Готовый продукт синтеза представлял собой 2 – 3 % гидродисперсию нанокристаллического гидроксилапатита. В полученной суспензии продукт синтеза существует в виде кристаллов со средней длиной около 100 нм и шириной 5-15 нм. Параметры синтеза определяют свойства конечного продукта. Так, наблюдается изменение габитуса кристаллов с увеличением скорости смешивания реагентов – от дискообразной до игловидной. Геометрические размеры частиц при этом симбатно уменьшаются. Увеличение концентрации ортофосфорной кислоты приводит к уменьшению размеров агломератов при сохранении размерных параметров отдельных «иголок».

Одним из альтернативных вариантов повышения скорости интеграции материалов на основе фосфатов кальция с костной тканью является введение в кристаллическую решетку кристаллов гидроксилапатита силикат-ионов [2]. Была разработана оригинальная методика синтеза кремний-замещённого гидроксилапатита Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x (Si-ГАП с x ≤ 2). В качестве реагента – «поставщика» аниона SiO44- был выбран силикат натрия, который добавлялся в реакционную смесь базовых реагентов (Ca(OH)2 и H3PO4 ) в виде водного раствора[3].

Исследование морфологии частиц Si-ГАП (кремний-замещенного гидроксилапатита) (рис. 1а), показало, что частицы имели игольчатую форму с длиной 70-150 нм, шириной 5-10 нм. Данные, полученные с помощью EDX-анализа образцов Si-ГАП, свидетельствуют о присутствии, помимо кальция, фосфора, кислорода, также атомов кремния, как в кристаллической структуре частиц, так и частично в аморфной фазе. Электронная диффракция выбранной области в кристаллической структуре частицы Si-ГАП и ГАП выявила подобие структуры кристаллической решётки ГАП и Si-ГАП. Это позволяет сделать вывод, что в результате синтеза получен наноразмерный кремний-замещённый гидроксилапатит.



Рисунок 1- ПЭМ - микрофотография наночастиц Si-ГАП(a,b), ГАП (с).


Данные, полученные с помощью ПЭМ (рис. 1b), подтверждают, что наночастицы Si-ГАП имеют меньшую кристалличность по сравнению с нормальным ГАП (рис. 1с), наблюдается различный тип дефектов. Таким образом, в процессе образования Si-ГАП имеет место разрыхление кристаллической решетки гидроксилапатита и повышение степени ее дефектности, что в свою очередь способствует лучшей резорбируемости, а, следовательно, и биоактивности гидроксилапатита, модифицированного в форму Si-ГАП[Error: Reference source not found].

Одно из возможных дальнейших применений наноразмерного гидроксиапатита – введение его в состав электролита для формирования биоактивных кальций-фосфатных покрытий, получаемых с помощью метода микродугового оксидирования, на сплавах титана ВТ-1-0, ВТ-6, ВТ- 16 [4,5,6,7].Для медицинских имплантатов оксидные слои служат в качестве коррозионностойкого рельефного слоя, улучшающего биоинертные и механические свойства имплантата [8], а в случае использования электролита с добавлением кальций-фосфатных соединений (например, гидроксилапатита), в качестве покрытия, увеличивающего остеоинтеграционные свойства имплантатов [9].

Формирование кальций-фосфатных композитных покрытий проводили методом микродугового оксидирования (МДО) на установке, разработанной в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск). В качестве материала субстрата был использован наноструктурный технически чистый титан ВТ1-0, полученный по разработанному в Научно-образовательном и инновационном центре «Наноструктурные материалы и нанотехнологии» БелГУ методу пластической деформации винтовой прокаткой [10-1112]. Для повышения соотношения Са/Р и улучшения свойств покрытия был выбран щелочной электролит с добавлением нанокристаллического гидроксилапатита [Error: Reference source not found,Error: Reference source not found,Error: Reference source not found], содержащий 2% KOH и 0,75% нанокристаллического гидроксилапатита (ГАП). Образцы цилиндрической формы имели размеры d=7 мм, h=2 мм. Покрытия формировались в импульсном режиме.

Важным фактором является прогнозирование биодеградации покрытий при помещении имплантата в организм [13]. Известно, что наряду с процессами остеосинтеза параллельно включается еще и механизм, связанный с биодеградацией кальций – фосфатных покрытий, заключающейся, прежде всего, в растворении таких покрытий. В зависимости от физико-химических параметров (степень кристалличности, пористость, растворимость в биологических средах, шероховатость поверхности и т.д.), кальций – фосфатные покрытия показывают разную скорость биодеградации. В настоящее время во многом динамика процессов резорбции конкретных кальций – фосфатных покрытий остается неясной и является предметом исследований.

Растворение кальций-фосфатного покрытия проводили в стационарных условиях в 2 этапа.


  1. Обработка покрытий в кислоте с целью удаления кристаллической и частично аморфной фазы ГАПа, не участвующей в формировании каркаса покрытия, представляющего собой преимущественно оксидную стеклофазу. В качестве растворяющего агента в результате предварительных экспериментов была выбрана 0,1 М соляная кислота HCl, оптимизированное время экспозиции образцов .- 6 мин.

  2. Культивирование в 0,9% стерильном растворе хлорида натрия в течение 8 недель при комнатной температуре.

В соответствии с ГОСТ Р 52770-2007 для изделий внутреннего протезирования в качестве модельной среды выбран 0,9%-ный раствор хлористого натрия. Образцы с нанесенным МДО - покрытием, предварительно взвешивали и помещали в бюксы с изотоническим раствором. Проводили культивирование образцов в течение 2, 4, 6 и 8 недель при комнатной температуре. По истечении времени экспозиции образцы вынимали, промывали и помещали их в стакан с дистиллированной водой для последующей УЗ - обработкой (=3 мин). Отмытые образцы выдерживали в течение 2 часов в сушильном шкафу при 120°С, затем фиксировали изменение массы образцов.

Комбинированные покрытия на наноструктурном технически чистом титане ВТ1-0, полученные методом микродугового оксидирования в щелочном растворе с добавлением нанокристаллического гидроксилапатита, показывают низкую растворимость в растворе, моделирующем биологическую жидкость в течение более чем двух месяцев. Это обусловлено фазовым составом таких покрытий, а также высокой степенью кристалличности. Процессы растворения в среде, моделирующей биологическую жидкость, протекают в среднем слое биоактивного покрытия в течение первых 2 недель, что связано в основном с гидролизом по аниону фосфата кальция, являющегося абсолютно биосовместимым резорбируемым материалом. В соответствии с этим, наблюдается наиболее значительное изменение значений pH среды в течение указанного времени (0,7 ед. pH). Основа покрытия – стеклофаза на основе смешанных оксидов титана и кальция, оказывается устойчивой к воздействию солевых и кислотных растворов.

Гель ГАП с концентрацией 15-20% в спирте используется для производства стоматологического препарата «Нанофлюор», являющегося совместной разработкой БелГУ и ЗАО «Опытно-экспериментальный завод «ВладМиВа» (г. Белгород).

Работы по данным исследованиям, а также сам метод синтеза, велись в рамках проектов ФЦП № 02.513.11.3160 «Разработка технологии создания биосовместимых наноструктурированных функциональных керамических и композиционных материалов для медицины», № 02.523.11.3007 «Разработка опытно-промышленных технологий получения нового поколения медицинских имплантатов на основе титановых сплавов», № 14.740.11.0222 «Физико-химические основы разработки функциональных наноструктурированных материалов для дентальной имплантологии»


Список литературы

1 Гребцова Е.А., Нгуен Х.Н.Ч., Лазебная М.А.Трубицын М.А.Влияние параметров синтеза на свойства наноструктурного гидроксилапатит//«Проведение научных исследований в области наносистем и материалов: мат. Всеросс. Конф. С элементами научной школы для молодежи. – Белгород: Изд-во БелГУ, 2009 с.22-23

2 Carlisle, E.M. Silicon: A possible factor in bone calcification [Text] // Science. – 1970.- vol 167. –p. 279-280

3 Лазебная М.А., Трубицын М.А., Нгуен Хуинь Нгок Чам, Гребцова Е.А.«Синтез и кристаллохимическое модифицирование наноразмерного гидроксилапатита»//Сборник трудов III Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 27 сентября -2 октября 2010 г). Рязань: Изд.-во РГРТУ, 2010

4 Патент 2342319 RU Способ формирования наноразмерного гидроксилапатита / Волковняк Н.Н., Иванов М.Б., Колобов Ю.Р., Бузов А.А., Чуев В.П.- дата приоритета 14.08.2007; опубл. 30.07.2008.

5 Патент 2345181 RU Способ получения электролита для нанесения биоактивных покрытий/ Волковняк Н.Н., Иванов М.Б., Колобов Ю.Р. – дата приоритета 03.09.07; получен 03.02.09.

6 Колобов Ю.Р., Дручинина О.А., Иванов М.Б., Сирота В.В., Лазебная М.А. и др. Формирование пористых комбинированных биоактивных покрытий на титановых сплавах ВТ6 и ВТ16 методом микродугового оксидирования //Нано- и микросистемная техника.- 2009.- №2. – с.48-53

7 Патент 2363775 RU Способ получения покрытий на изделиях, выполненных из титана и его сплавов. / Ковалева М.Г., Колобов Ю.Р., Сирота В.В., Храмов Г.В. и др.-; опубл. 10.08.2009

8. Калита В.И., Гнедовец А.Г., Мамаев А.И.. и др. // Формирование композиционных пористых покрытий на поверхности имплантатов низкотемпературной плазмой. ФиХОМ. 2005., №3, С.39-47

9. Kolobov Yu.R., Karlov A.V., Bushnev L.S., Sagimbaev E.E.// Structure and properties of oxide coating applied on the orthopaedic titanium alloys by microarc oxidation. // Acta Orthopedica Scandinavica. - 1998, V.69, S.280, Р.48-50.

10. Колобов Ю.Р., Липницкий А.Г., Иванов М.Б., Голосов Е.В. Роль диффузионно-контролируемых процессов в формировании структуры и свойств металлических наноматериалов // Композиты и наноструктуры. – 2009. – №2. – С. 5-24 

11. М.Б. Иванов, А.В. Пенкин, Ю.Р. Колобов, Е.В. Голосов, Д.А. Нечаенко, С.А. Божко Теплая поперечно-винтовая прокатка в валках конической формы как метод интенсивной пластической деформации // Деформация и разрушение материалов. – 2010. №9. В печати.

12 . Патент 2389568 RU Способ получения субмикрокристаллической структуры в нелегированном титане / Колобов Ю.Р., Иванов М.Б., Голосов Е.В., Пенкин А.В. - Заявл. 2008.12.29; Опубл. 2010.05.20

13 Лазебная М.А., Колобов Ю.Р., Иванов М.Б. и др. Морфология и физико-химические параметры микродуговых кальций-фосфатных покрытий при растворении в биологической жидкости // Сб.материалов Всерос. школы-семинара молодых ученых и преподавателей (Белгород, 8-15 ноября,2008).- Белгород: Изд-во БелГУ, 2008.–с.113-114


Каталог: assets -> files -> conf
conf -> Методика коррекции физических нагрузок спортсменов университета
conf -> К вопросу о переработке облепихи в пищевой промышленности
conf -> Практикум по дисциплине «моделирование биологических процессов и систем»
conf -> Применение информационных компьюторных технологий при проведении социально-гигиенического мониторинга студенческой молодежи: опыт оренбургского государственного университета
conf -> Образование детей «индиго» как проблема современности
conf -> Токсикология тяжелых металлов
conf -> Перспективы использования ферментных препаратов в производстве соков
conf -> Физическая культура в обеспечении здоровья студентов


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница