IMPREGNATION OF CARBON UNIVERSAL NANOSTRUCTURAL IMPLANTS (UNI) WITH BONE HYDROXYAPATITE

Full Text

Актуальность.Требования, предъявляемые к материалам, используемым в репаративной хирургии для восстановления дефектов костной ткани, включают не только механическую прочность, но и биосовместимость с тканями организма, а также рентгеноконтрастность. Импланты не должны вызывать воспалительных и аллергических реакций, образования ложных суставов, реакции отторжения [1-3]. Биокерамические материалы, широко рекламируемые в прошлом столетии, не выдерживают механических нагрузок, а также активно резорбируются, поэтому не могут выполнять опорно-несущую функцию. Прекрасной альтернативой биокерамики являются углеродные наноструктурные имплантаты, которые имеют лучшие физические свойства и демонстрируют отсутствие механического конфликта на границе «кость-имплант». Кроме того, пористая структура материала обеспечивает прорастание сосудов и способствует адгезии остеогенных клеток, что в перспективе должно приводить к скорейшему восстановлению здорового костного матрикса [3-7]. Многие авторы [1-9] сравнивают пористый ячеистый углерод с другими материалами, используемыми в восстановительной хирургии. Полученные морфологические данные о процессе регенерации [2] доказывают преимущество УНИ относительно других костнопластических материалов. Однако следует отметить, что основной задачей при хирургическом лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата является не только замещение костных дефектов, но и создание костного блока в пораженном участке. Для решения этой задачи требуется разработка методов увеличения биологической активности пористых углеродных материалов. Практикующими хирургами отмечено [10], что зачастую не происходит интеграции УНИ с костной тканью и не наблюдается образования костно-углеродного блока. Клинические наблюдения показывают, что внедренный УНИ не всегда обеспечивает активный рост новообразующейся кости в его порах [10]. Одно из направлений увеличения биоактивности таких материалов включает адсорбцию как органических, так и неорганических веществ на поверхности углеродных волокон [11]. Пористая структура имплантата позволяет также импрегнировать материалы веществами, способствующими росту здоровой костной ткани. В перспективе, это должны быть вещества белковой природы (факторы роста, а также пептиды или аминокислоты, входящие в состав коллагеновых волокон) и неорганические компоненты (гидроксиапатит, а также минералы-источники ионов, активирующих ферменты). Данная работа посвящена насыщению материалов гидроксиапатитом, основным фосфатом костной ткани с формулой Са10(РО4)6(ОН)2 . Ранее нами [12] были исследованы порошки «Тяньши с высоким содержанием кальция», содержащие костный гидроксиапатит. Доказано, что гидроксиапатит является единственной кальцийфосфатной фазой в составе этой продукции, хотя и не является нанокристаллическим. Данный продукт был выбран для импрегнирования УНИ. Материал и методы исследования. УНИ, использованные в данной работе (регистрационный номер медицинского изделия Р3Н2014/2080), были произведены в ОАО «Центральный НИИ Материалов» (лаборатория углеродных и карбидных материалов, руководитель - д.т.н. Гордеев С.К.). Данный композиционный материал включает в себя углеродные волокна, связанные в единый материал углеродной матрицей. Материал термически устойчив (до 3500ºС), прочность при сжатии - более 40МПа, при изгибе - более 20МПа, модуль упругости - более 29ГПа, общая пористость - 11-22% об., открытая пористость - 6-15% об. Санитарно-химические и токсикологические испытания показали, что УНИ не токсичен и не обладает раздражающим, сенсибилизирующим действием. Подготовка к экспериментальной работе состояла в том, что образцы УНИ выдерживали в ацетоне и высушивали 15 мин. при 100ºС. Порошки «Тяньши с высоким содержанием кальция» отжигали 1 час при температуре 400ºС для удаления органических веществ. Суспензию гидроксиапатита готовили на дистиллированной воде, которую предварительно кипятили для повышения значения рН. Образцы УНИ погружали в суспензии и выдерживали 24 часа при стандартной температуре (25°С), затем сушили в термостате. Дифрактограммы образцов (метод рентгенофазового анализа, XRD) получены на автоматическом дифрактометре PANalytical EMPYREAN с использованием излучения Cu Kα1 (гибридный Ge{111} монохроматор на первичном пучке) и позиционно-чувствительного детектора PIXcel1D Измерение проводили в режиме отражения, θ/2θ сканирование с шагом 0.02° по 2θ. Диапазон измерения 10 - 60° 2θ. Расчет межплоскостных расстояний и интегральных интенсивностей проводился по данным профильного анализа (метод Паули) экспериментальных дифрактограмм с использованием комплекса программ HighScore Plus, Version:3.0.t (3.0.5), Date 30-01-2012. Produced by: PANalytical B.V. Amelo, The Netherland. Для получения СЭМ-изображений (метод сканирующей электронной микроскопии, SEM) и проведения элементного анализа (локальный рентгеноспектральный микроанализ, LXRSMA) использовали растровый электронный микроскоп JSM-6380 (фирма JEOL) с системой рентгеновского энергодисперсионного анализа INCA-260 (Oxford Analytical). Полученные результаты и их обсуждение. Агрегаты, образовавшиеся на волокнах УНИ (рис.1), имеют сферическую форму и размеры порядка 25 мкм (рис.2). рис.1. Оптическая микроскопия: фотография имплантата с кристаллами костного гидроксиапатита. Рис.2. SEM изображение поверхности УНИ с кристаллами костного гидроксиапатита. Метка - 200мкм Согласно данным XRD, гидроксиапатит является единственной кальцийфосфатной фазой, присутствующей на поверхности и в порах имплантата (рис.3). Размер кристаллов, вычисленный по уравнению Селякова-Шеррера, составляет примерно 200-300нм, т.е. объекты исследования не являются нанокристаллическими. Peak List: Pos. [°2Th.] Height [cts] FWHM Left [°2Th.] d-spacing [Å] Rel. Int. [%] 22.9410 63(17) 0.58(9) 3.87350 3.92 25.9314 1603(17) 1.12(1) 3.43320 100.00 28.2546 159(18) 0.81(5) 3.15597 9.95 29.3783 596(26) 0.113(6) 3.03776 37.22 30.2190 224(20) 0.103(7) 2.95513 13.96 31.6188 1216(27) 0.56(2) 2.82743 75.86 32.1738 858(28) 0.38(2) 2.77991 53.53 32.6987 669(28) 1.32(5) 2.73648 41.78 33.6326 69(21) 0.18(5) 2.66260 4.29 34.1282 178(18) 0.51(4) 2.62505 11.10 35.9512 56(14) 0.097(9) 2.49601 3.51 39.5133 210(6) 1.04(3) 2.27882 13.09 43.1648 113(13) 0.37(3) 2.09412 7.03 45.3868 108(14) 0.61(6) 1.99663 6.74 46.6106 360(10) 0.71(2) 1.94702 22.47 47.4478 209(19) 0.42(3) 1.91460 13.01 48.0275 155(17) 0.52(6) 1.89283 9.65 48.4783 168(20) 0.093(5) 1.87628 10.50 49.4338 332(10) 0.71(3) 1.84223 20.74 50.4105 213(15) 2.5(2) 1.80880 13.27 51.9885 156(14) 0.088(5) 1.75755 9.74 53.1604 364(8) 0.67(2) 1.72153 22.72 55.7828 89(11) 1.18(6) 1.64665 5.54 61.5150 69(10) 0.91(8) 1.50624 4.33 62.9964 65(6) 0.73(9) 1.47434 4.05 64.1088 113(6) 1.01(6) 1.45141 7.08 76.8270 71(4) 1.9(2) 1.23975 4.46 Pattern List: (Bookmark 4) Visible Ref. Code Score Compound Name Displacement [°2Th.] Scale Factor Chemical Formula * 01-076-0694 54 Calcium Phosphate Hydroxide 0.000 0.784 Ca5(PO4)3OH Рис. 3. Дифрактограмма УНИ с кристаллами костного гидроксиапатита (с приложением в виде таблиц). LXRSMA показал, что образцы не содержат примесных элементов (рис.4). Рис.4. Спектр LXRSMA поверхности УНИ с кристаллами костного гидроксиапатита. В данной работе изучена возможность насыщения поверхности и пор УНИ костным гидроксиапатитом (рис.5), придающим биоактивные свойства углеродным имплантационным материалам. Рис.5. SEM изображение поверхности УНИ с кристаллами костного гидроксиапатита. Исследованы некоторые характеристики полученных образцов: размер агрегатов на поверхности волокон УНИ составляет 25мкм, размер кристаллов - 200-300нм, фазовый состав однородный, представлен гидроксиапатитом. Примеси (в том числе токсичные) отсутствуют. Выводы. Методика позволяет в какой-то степени «оживить» углеродный имплантационный материал и рекомендуется для дальнейшего практического применения.

About the authors

T. D Poprygina

Voronezh State Medical University

N. I Ponomareva

Voronezh State Medical University

S. K Gordeev

Voronezh State Medical University

V. G Samoday

Voronezh State Medical University

References