Пористая циркониевая керамика для эндопротезирования костной ткани

Пористая циркониевая керамика для эндопротезирования костной ткани

С.П. Буякова, И.А. Хлусов1, С.Н. Кульков

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Центр ортопедии и медицинского материаловедения ТНЦ СО РАМН, Томск, 634050, Россия

В работе представлены результаты исследований структуры и механического поведения пористой керамики, получаемой из нанокристаллического порошка частично стабилизированного диоксида циркония, предназначенной для использования при эндопротезировании костной ткани. Получена керамика с пористостью, способной обеспечить биомеханическую связь на границе раздела костная ткань - имплантат. Показано, что наличие микромеханической неустойчивости пористого керамического каркаса существенно увеличивает предельную деформацию получаемой керамики, что открывает новые возможности в использовании высокопористой керамики для замещения костной ткани.

Porous zirconium-based ceramics for endoprothesis of bone tissue

S.P. Buyakova, I.A. Khlusov, and S.N. Kulkov

Structure and mechanical behavior of porous ceramics from nanocrystalline powder of partial stabilized zirconia for bone tissue endoprosthesis are investigated. ZrO2-based ceramics has porosity providing biomechanical bonds at the interface “bone tissue - implant”. It is shown that micromechanical instability of porous ceramic frame significantly increases the ultimate deformation of this ceramics. This provides new possibilities in using of high-porous ceramics for bone tissue endoprosthesis.

Согласно статистике Министерства здравоохранения России число нуждающихся в эндопротезировании костной ткани с каждым годом неуклонно возрастает. Поэтому перед исследователями ставятся новые все более сложные задачи, связанные с разработкой искусственных материалов, использование которых сопряжено с наименьшим риском для здоровья человека. Независимо от того, какого вида костная ткань нуждается в протезировании, материалы, используемые в костной имплантологии, должны сочетать в себе ряд свойств, обеспечивающих длительное и безопасное пребывание эндопротеза в организме. Это не только биологическая совместимость, т.е. отсутствие иммунологических и канцерогенных эффектов, аллергических и воспалительных реакций организма, химическая инертность, устойчивость к окислению, отсутствие гальвано-элект-рических явлений, но и, что принципиально важно для биоимплантата, механическая совместимость с костной тканью, близость значений прочностных и упругих характеристик к таковым у живой костной ткани. При разработке искусственных эндопротезов костной ткани достаточно сложно добиться абсолютного сочетания перечисленных выше требований [1, 2].

На сегодняшний день материалы, применяемые в эндопротезировании и стоматологии, можно отнести к трем основным группам: металлы, полимеры и керамика. Из них керамика является максимально биоинерт-ным материалом, оказывающим наименьшее влияние на иммунную систему организма, а по типу химической связи она наиболее близка к гидроксиапатиту кости. Благодаря уникальному сочетанию необходимых для применения в медицине свойств — химической инертности, биосовместимости, высокой коррозионной стойкости и стойкости к износу, прочности, твердости и низкой ползучести — керамические материалы находят все более широкое применение в качестве биологических конструкций. Однако несмотря на перечисленные достоинства ее использование в качестве материала для замещения костной ткани весьма ограничено. Это связано, прежде всего, с тем, что для биоимплантации необходимо наличие в имплантате развитой поровой структуры, поскольку наилучший контакт на границе имплантат - кость достигается в случае прорастания биологической ткани в поры имплантата. Между тем, вследствие высокой чувствительностью керамики к пористости наличие пор приводит к резкому снижению

© Буякова С.П., Хлусов И.А., Кульков С.Н., 2004

Рис. 1. Структура кортикальной костной ткани

механической прочности керамик. Получение биосов-местимой керамики с развитой поровой структурой и высокими прочностными свойствами открывает принципиально новые возможности по лечению заболеваний, требующих замены утраченной костной ткани.

Особый интерес в ряду керамических материалов представляет керамика на основе частично стабилизированного диоксида циркония. Ее достоинства — значительная твердость, вязкость разрушения, стойкость к износу, возможность получения высокой чистоты поверхности, а стойкость к тепловым воздействиям позволяет применять высокотемпературную стерилизацию имплантатов. Прочность керамики такого рода может изменяться в широких пределах (500-2 500 МПа) в зависимости от объема порового пространства, что втрое выше, при той же пористости, прочности оксида алюминия, а также многих не оксидных материалов, в частности нитрида и карбида кремния. Высокая прочность и вязкость разрушения керамики ZrO2 позволяют направленно варьировать как размер и форму пор, так и конечную пористость.

Решение проблемы, связанной с получением прочной керамики с развитой поровой структурой, может быть найдено в использовании исходных порошков с размером частиц в диапазоне нескольких десятков нанометров. Ранее в работах [3, 4] было показано, что вы-

Рис. 2. Структура керамики, получаемой без порообразующих добавок

Рис. 3. Структура высокопористой керамики, получаемой методом порообразующих добавок

сокая диффузионная активность нанокристаллических порошков при спекании позволяет получать в пористом керамическом каркасе так называемые стержневые и пластинчатые структуры с высокой прочностью на границах раздела, которые в процессе нагружения ведут себя подобно жестко закрепленным продольно нагруженным стержням, в результате чего при механическом нагружении такого материала достигается значительная макродеформация без разрушения [3, 4].

В данной работе представлены результаты исследований структуры и свойств пористой керамики, получаемой из нанокристаллического порошка частично стабилизированного диоксида циркония, и их сопоставление со структурой и механическим поведением костной ткани.

Пористость в керамике обеспечивалась двумя способами. Первый заключался в варьировании технологических параметров процессов прессования и спекания порошка, в частности, давления прессования, температуры и продолжительности изотермической выдержки. Второй способ состоял в использовании легко выгорающих порообразующих добавок с разной геометрией частиц порообразователя. Механическое поведение и прочностные свойства анализировались при активной деформации сжатием образцов полученной керамики и образцов кортикальной костной ткани.

Биомеханическая совместимость искусственного эндопротеза с костной тканью достигается в случае максимального приближения его структуры и свойств к структуре и свойствам кости.

Структура костной ткани весьма неоднородна (рис. 1), основу составляют минеральный компонент гидроксилапатит и коллаген — эластичная органическая составляющая. Размер пор в зависимости от участка костной ткани колеблется от 2 до 100 мкм при общем объеме порового пространства до 50 %.

Поровая структура керамики, получаемой без порообразующих добавок, с пористостью менее 10 % представлена преимущественно изолированными порами

с, %

30 _ FH

\

\

?0 -\

X

\

\

\

10 -\

\

V

\

\

0

)

<dnop> = 2.5 мкм

D, мкм

С, %

20

10

„И

<dnop> = 725 мкм

0 10

500 1000

2000 D, мкм

Рис. 4. Распределение пор по размерам: средний размер пор сравним с размером зерна

(рис. 2). В структуре керамики с пористостью от 10 до 50 % присутствуют два вида пористости — изолированная и сообщающаяся, изолированные поры и поро-вые кластеры. Поровая структура керамики с пористостью более 50 % — система сообщающихся пор. Средний размер пор в керамике такого рода возрастает с увеличением объема порового пространства и составляет 2.5-3.5 мкм.

Геометрия пор в керамике, получаемой с использованием порообразующих добавок зависит от конфигурации частиц порообразователя. Метод порообразую-щих добавок позволяет в широких пределах варьировать размер пор (рис. 3). При этом в керамике присутствуют два вида пористости: обеспеченная непосредственно частицами порообразователя и укладкой частиц порошка керамики при прессовании и спекании (рис. 4).

Анализ деформационного поведения при сжатии кортикальной костной ткани выявил, что наряду с упругим деформированием при нагружении происходит накопление микроповреждений, т.е. зародившиеся трещины останавливают свое развитие (рис. 5). При этом предельная деформация до окончательного разрушения за счет эластичной органической составляющей кости существенно больше, чем у традиционно используемых в эндопротезировании керамических материалов.

Рис. 5. Диаграмма деформирования при сжатии кортикальной костной ткани

Деформирование с постепенным накоплением микроповреждений характерно и для полученной из нано-кристаллических порошков циркониевой керамики с пористостью более 30 % (рис. 6). При этом предельная макродеформация керамики такого рода сравнима с предельной деформацией костной ткани.

Полученные пористые образцы оксида циркония прошли биологическое тестирование. В первую очередь, согласно международным требованиям, выполнены эксперименты in vitro. Проверена способность изделий с различной пористостью поглощать биологические жидкости, поскольку смачиваемость материала — один из показателей его биосовместимости, а насыщение материала жидкостью показывает дальнейшие перспективы его использования. В качестве подобной жидкости служила среда, в которой культивируются клетки вне организма. Результаты показали, что максимальная аккумуляция жидкости в материале отмечается при его 70 %-ной пористости и составляет около 22 % по массе. В абсолютных значениях это примерно 215 мкл на 1 г керамики. В остальных случаях показатель варьирует в пределах 5-12 % (рис. 7).

Рис. 6. Диаграммы деформирования при сжатии керамики ZrO2

ф----------п--------------------------

ф

^ 0 “Г------Г-И-1—--1------и-1--Щ---

О- 2 18 25 40 60 70 75 80

Пористость

Рис. 7. Заполняемость керамики жидкостью в зависимости от объема порового пространства

Цитотоксический тест с трипановым синим показал удовлетворительные свойства исходного нанокристал-лического порошка диоксида циркония, из которого была получена пористая керамика. При 1 и 24-часовом культивировании недельных экстрактов порошка в стерильном растворе хлорида натрия жизнеспособность клеток костного мозга крыс не отличалась от контроля (среда культивирования) (рис. 8). Функциональное состояние клеток костного мозга (прилипание к пластику) также соответствовало контрольному уровню.

Цитотоксический тест с трипановым синим показал удовлетворительные свойства и для образцов полученной пористой керамики. При 1-часовом культивировании образцов различной пористости и состава жизнеспособность клеток костного мозга крыс составляла 90100 %.

1-Й 24-И

Время культивации

Н Контроль И Экстракт

Рис. 8. Результаты цитотоксического теста порошка ZrO2 с трипановым синим

Таким образом, полученная пористая керамика перспективна для синтеза биоимплантатов с целью замещения дефектов костной ткани.

Литература

1. Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регулятор-

ные механизмы оптимальной биомеханики. - Томск: ТГУ, 2001. -408 с.

2. Дубок В.А. Биокерамика — вчера, сегодня, завтра // Порошковая металлургия. - 2000. - № 7/8. - С. 69-86.

3. Буякова С.П., МасловскийВ.И., НикитинД.С., Кульков С.Н. Меха-

ническая неустойчивость пористого материала // Письма в ЖТФ. -2001. - Т. 27. - № 23. - С. 1-8.

4. Кульков С.Н., Масловский В.И., Буякова С.П., Никитин Д.С. Негуковское поведение пористого диоксида циркония при активной деформации сжатием // ЖТФ. - 2002. - Т. 72. - № 3. -С. 38-42.