Композиции на основе дикальцийфосфата дигидрата и биоактивного стекла для ортопедии и травматологии

В заключение отметим, что в настоящей работе представлены экспериментально установленные технологические условия и температурновременные режимы получения высокопористых изделий на основе биокомпозита БАК-1000 объемом до 500 см ; условия получения пористых цилиндрических образцов на основе БАК-РД объемом до 20 см3; отработаны условия получения пористых цилиндрических и крупных образцов на основе биоактивного стекла 50S25N20C5P объемом до 200 см . Данные материалы предназначены для изготовления сложных по форме имплантатов для замещения трубчатых и плоских фрагментов костного скелета, а также восстановления сложных 2х и 3-х мерных обширных костных дефектов в челюстно-лицевой хирургии и травматологии.

Библиографические ссылки:

1. Valerio, P. The Effect of Ionic Products from Bioactive Glass Dissolution on Osteoblast Proliferation and Collagen Production / P. Valerio, M. Pereira, A. Goes, F. Leite. - Biomaterials.-2004-V.25-P.2941-2948.

2. Xynos, I. Gene-Expression Profiling of Human Osteblasts Following Treatment with the Ionic Products of Bioglass 45S5 Dissolution / I. Xynos, A. Edgar, L. Hench a. o.-Journal of Biomedical Materials Research-2001.-V.55-P.151-157.

3. Патент РФ№ 93050910/14 от 10.11.1993.

4. Патент РФ № 2007119647/15 от 28.05.2007.

5. Патент РФ№ 2010153460 от 28.12.2010.

6. Свентская, Н.В. Силикофосфатные биокомпозиционные материалы с регулируемой поровой структурой для костно-пластической хирургии / РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва: Автореферат диссертации на соискание степени к.т.н.-2011.-16с.

УДК 661.842.455:61

Н.В. Свентская, П.В. Голикова, Ю.С. Лукина, С.П. Сивков, Б.И. Белецкий

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ДИКАЛЬЦИЙФОСФАТА ДИГИДРАТА И БИОАКТИВНОГО СТЕКЛА ДЛЯ ОРТОПЕДИИ И ТРАВМАТОЛОГИИ

Исследованы композиции на основе дикальцийфосфата дигидрата и биоактивного стеклаю Изучено влияние давления прессования на пористость, прочность и растворимость полученных композиций. Полученные композиции обладают биосовместимостью, обеспечивают остеоинтеграцию и высокую скорость резорбции.

Compositions on a base dicalciumphosphate dihydrate and bioactive glass are investigated. The influence of pressure of composition on porosity, durability and solubility is studied. The compositions possess biocompatibility, provide osteointegration and high speed of a resorption.

^именение бpyшитoвoгo цемента (дикальцифосфата дигидpaтa, ДKФД) в костной нластике о6условлєно его ocтeoкoндyктивными свойствами, снособностью к peзopбции, нopиcтocтью на ypoвнe 40 - 60 %, ^оч^стью на сжатие до l5 МПа. Однако pH твepдeющeгo цементного камня нaxoдитcя в нpeдeлax 3,3-3,8, что может ^ивести к восналительным peaкциям о^ужающж тканей. Введение биoaктивныx выcoкoщeлoчныx стекол в комнозицию нозволяет не только на^авленно peгyлиpoвaть значения pH твepдeющeй цементной насты, но и нозволяет выделять локально в месте имнлантации pacтвopимыe соединения ^емния, кoтopыe оказывают ocтeocтимyлиpyющий эффект.

Цель paбoты - нолучение выcoкoнpoчныx комнозиций в системе цемент дикальцийфосфата дигидpaтa - биоактивное стекло и установление влияния вида, концешрации нанолнителя на rop^rac^, ^очность, cкopocть peзopбции, pH, а также новедение комнозиций in vivo.

В качестве кальций-фосфатной малицы иснользовали цемент ДKФДГ состава, здесь и далее масс. %: 60 Р-тpexкaльциeвый фосфат, Р-TKФ и 40 монокальцийфосфат мoнoгидpaт, МKФМ. Пpи этом, иcxoдный Р-TKФ тepмooбpaбaтывaли нpи T=900 и T=l200OC в течение 4-8 час. Фopмиpoвaниe мaтpицы ДKФДГ пpoиcxoдит в соответствии с peaкциeй:

p-Ca3(PO4)2 + Ca(H2PO4)2-H2O + 7H2O ^ 4CaHPO4-2H2O

В качестве замедлителя cxвaтывaния нpимeняли pacтвop лимонной кислоты концешрацией 0,00l г/л.

В качестве нанолнителя иснользовали ранулы биоактивного стекла 50S25N20C5P, состава: 5OSi02, 25Na2O, 20CaO, 5P2O5 paзмepoм 50-80 мкм. Cтeклo ^именяли в aмopфнoм (а) или зaкpиcтaллизoвaннoм состоянии (к) и вводили в количестве 10и 20% cвepx массы цемента. Aмopфнoe стекло было пpoзpaчнo, xopoшo нpoвapeнo, нлотность 2,65 г/см3, пoтepи массы нpи выдepжкe в дисти^^ован^й воде в течение 7 сут составляли 6-8%. Зaкpиcтaллизoвaннoe стекло (условия тepмooбpaбoтки: T=800OC, т=1час) в качестве кpиcтaлличecкиx фаз coдepжaлo: на^иево-кальциевый силикат Na4Ca4[Si6O18], cиликoкapнoтит Ca5(PO4)2SiO4 и остаточную стеклофазу, массовая доля комнонентов соответсвенно 16:52:33. Плотность зaкpиcтaллизoвaннoгo стекла - 2,80 г/см , пoтepи массы ^и выдepжкe в диcтиллиpoвaннoй воде в течение 7 сут составляли 25-28%.

Давление ^ессования изменяли в пpeдeлax 10-30 МПа.

^став кoмнoзициoнныx мaтepиaлoв (KМ) был следующим:

т-900-0; KМ-1200-0;

KМ-900-l0a KМ-900-20a т-900-10к KМ-900-20к

KМ-1200-l0a

KМ-1200-20a

KМ-1200-l0к

т-1200-20к

Водо-твердое (В/Т) отношение для каждого состава определяли по нормальной густоте цементного теста. Установлено, что для неуплотненных композиций КМ-900-0 отношение В/Т=0,77 незначительно повышается для

композиций с аморфным стеклом В/Т=0,8 (КМ-900-20а), для композиций с закристаллизованным стеклом В/Т=0,87 (КМ-900-20к). Аналогичная зависимость наблюдается для КМ-1200: В/Т=0,32 (КМ-1200-0), В/Т=0,33 (КМ-1200-20а) В/Т=0,49 (КМ-1200-20к). Для уплотненных композиций были определены следующие значения: В/Т=0,22-0,3 (КМ-900) и В/Т=0,10 (КМ-1200).

На основе экспериментальных данных было показано, что рН контактной среды через 4 часа выдержки повышается с 3,6-3,8 (КМ-1200-0 и КМ-900-0) до 5 при введении аморфного стекла (КМ-900-20а и КМ-1200-20а), а при введении кристаллического стекла (КМ-900-20к и КМ-1200-20к) до 6.

Изменение рН (повышение) сказывается на растворимости Р-ТКФ, формировании цемента ДКФДГ и соотношении фаз в композиции. Установлено, что цемент без наполнителя (КМ-900-0 и КМ-1200-0) представлен единственной фазой ДКФД, а в композиции со стеклом -фазами ДКФД, ДКФА (дикальцийфосфат ангидрит) и Р-ТКФ, при этом степень завершённости реакции образования ДКФД в образцах с аморфным стеклом выше, чем в образцах с закристаллизованным стеклом.

Цементные композиции КМ-900 характеризуются большей пористостью, что обусловлено большей их водопотребностью в сравнении с КМ-1200. Также отмечено повышение водопотребности композиций

содержащих закристаллизованные стеклогранулы в сравнении с композициями, содержащими аморфные стеклогранулы. Установлена тенденция в повышении пористости при увеличении содержания

наполнителя и при уменьшении давления прессования, рис. 1.

Пористость композиций после растворения в физиологическом растворе в течение 7 суток и потери массы практически не меняются при введении стеклогранул аморфного типа. предполагается, что в данном случае протекают два взаимо-противоположных процесса:

2+ 2

1. растворение брушита с выделением ионов и Са и НР04 - в контактную среду;

2. осаждение на поверхности стеклогранул аморфного типа слоев фосфатов кальция.

При введении в композицию стеклогранул закристаллизованного типа параллельно протекают процессы растворения гранул закристаллизованного стекла, повышения рН композиции и увеличение растворимости ДКФД. Композиции с кристаллическим стеклом обладают значительно большей растворимостью. Такие композиции могут применяться в виде паст, замазок, а также имплантатов холодного твердения [4, 5].

А)

Л

н 2

! ^40 н и О

н и

а

о

Н

900-0

не уплотненный

Р=10МПа

Р=20МПа

Р=30МПа

900-10а 900-20а 900-10к 900-20к КОМПОЗИЦИИ

Б)

Я

н

2

а

a

н

о

fi ^ н ^ и о н и в а о

60

50

40

30

20

10

не уплотненным

Р=10МПа

Р=20МПа

Р=30МПа

1200-0 1200-10а 1200-20а 1200-10к 1200-20к КОМПОЗИЦИИ

0

Рис. 1. Пористость открытая композиций: А) КМ-900, Б) КМ-1200

Гранулы стекла обоих типов оказывает отрицательное влияние на прочностные характеристики композиций, рис. 2. Во-первых, это связано с водоцементным отношением. Увеличение количества воды повышает пористость цементного камня, следовательно, количество контактов между кристаллами уменьшается, возрастает число напряжений. В случае с добавкой аморфного стекла В/Т изменяется незначительно в сравнении с добавкой кристаллического стекла. Избыточная вода расходуется на смачивание стеклогранул и является лишней при гидратации цементного камня, способствуя повышению его пористости и снижению прочности. Прочность всех исследуемых образцов в период 1-28 сутки увеличивалась в 1,5-2 раза.

На основе полученных данных были отобраны КМ-900-0, КМ-900-10а, КМ-900-10к, КМ-1200-0, КМ-1200-10а и КМ-1200-10к, полученные при давлении прессования 10МПа для экспериментов in vivo.

А)

Я

И

15

10

£

1

не уплотненный

Р=10МПа

Р=20МПа

Р=30МПа

900-0

900-10а

900-20а

900-10к

900-20к КОМПОЗИЦИИ

5

0

Б)

Л

=

и

=

н

CS

35 и

30

25

20

15

& * С о

10

5

0

Нл

не уплотненный

Р=10МПа

Р=20МПа

Р=30МПа

Ztf]

1200-0

1200-10а 1200-20а 1200-10к 1200-20к КОМПОЗИЦИИ

Рис. 2. Прочность на сжатИе композиций: А) КМ-900, Б) КМ-1200

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 разработанных композиционных материалов является возможность введения факторов роста для увеличения остеоиндуктивного потенциала без потери их индуктивных свойств за счет применеия низкотемпературной технологии.

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.

Библиографические ссылки:

1. Lukina, Yu. Остеопластический биорезорбируемый

кальцийфосфатный цемент. Синтез и исследование свойств. Влияние

состава на поведение в организме. Saarbrucken: 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.

УДК 546.03

А.Ю. Санжаровский, О.П. Баринова, В.Н. Панюшкин, А.В. Ронов, А.Д. Смирнов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ

ШПИНЕЛИ при кристаллизации из раствора в расплаве

Исследована морфология хромоникелевой шпинели NiCr2O4 синтезированной из раствора в расплаве. Определено влияние природы растворителя на кристаллизацию хромоникелевой шпинели NiCr2O4 из раствора в расплаве, средний размер и морфологию частиц NiCr2O4.

The morphology of spinel NiCr2O4 obtained by crystallization via flux method was investigated. The influence of nature of flux on crystallization, particles size and morphology of spinel NiCr2O4 was determined.

Соединения со структурой шпинели представляют интерес для создания материалов различного функционального назначения. На основе хромоникелевой шпинели в настоящее время разработаны материалы обладающие полупроводниковыми, каталитическими, ферромагнитными, магнитострикционными и другими свойствами [1-3]. В настоящее время исследованы кристаллическая структура NiCr2O4, основные физикохимические свойства [1,2,4,5], а также способы получения [6,7].