Влияние состава и способов получения композиционных материалов на основе полилактида и гидроксиапатита на их функциональные свойства
|
Реферат 2
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1 Литературный обзор 9
1.1 Биосовместимые материалы на основе полимеров 9
1.2 Особенности получения полилактида, гидроксиапатита и композиционных материалов на их основе 17
Глава 2 Экспериментальная часть 23
2.1 Получение исходных материалов и композитов 23
2.2 Методы исследования свойств материалов 23
Глава 3 Результаты и их обсуждение 24
3.1 Элементный и фазовый состав композиционных материалов 24
3.2 Физико-химические характеристики поверхности 24
3.3 Функциональные свойства композиционных материалов 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 27
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1 Литературный обзор 9
1.1 Биосовместимые материалы на основе полимеров 9
1.2 Особенности получения полилактида, гидроксиапатита и композиционных материалов на их основе 17
Глава 2 Экспериментальная часть 23
2.1 Получение исходных материалов и композитов 23
2.2 Методы исследования свойств материалов 23
Глава 3 Результаты и их обсуждение 24
3.1 Элементный и фазовый состав композиционных материалов 24
3.2 Физико-химические характеристики поверхности 24
3.3 Функциональные свойства композиционных материалов 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 27
Актуальность исследования
Заболевания и травмы опорно-двигательной системы занимают второе место среди причин травматизма и третье место среди болезней, приводящих к инвалидности взрослого населения. Поэтому исследования и разработки в области получения перспективных материалов для имплантатов являются чрезвычайно актуальными и востребованными [1, 2]. Наибольший интерес представляют материалы для имплантатов, способные резорбироваться при их вживлении в организм человека [3, 4].
В настоящее время в качестве материалов для создания костных имплантатов используются различные металлические и неорганические керамические материалы (титан, оксиды алюминия, циркония и др.). Такие материалы организмом воспринимаются как инородные тела и их применение, в большинстве случаев, сопровождается развитием иммуновоспалительных реакций и впоследствии отторжением. Это нередко требует проведения повторных операций, лечения сильнодействующими антибиотиками, что наносит существенный вред организму человека. Использование биосовместимых биоразлагаемых композиционных материалов на основе полиэфиров молочной кислоты и гидроксиапатита [5, 6] позволяет нивелировать недостатки керамических (оксидных)
материалов [7]. Компоненты композиционного материала являются биосовместимыми и проявляют способность к биорезорбции. Свойства полимерной составляющей имплантата, которая построена из полиэфиров на основе оксикарбоновых кислот, могут задаваться на стадии синтеза с учетом требований, применяемых к материалу для будущего имплантата. Кроме того, продукты биодеградации полимерной матрицы являются совершенно безвредными для организма человека и выводятся через естественные метаболические пути.
Основные преимущества разрабатываемого материала:
- Механические свойства близки к свойствам нативной кости;
- За счёт присутствия гидроксиапатита в составе ускоряется биохимический цикл регенерации костной ткани;
- Время разложения материала может варьировать в широком диапазоне;
- В присутствии композиционного материала макрофаги человека показывают высокий уровень жизнеспособности;
Степень разработанности темы
В диссертационной работе проанализированы данные о современном состоянии исследований в области получения, изучения, практического применения композиционных материалов на основе полилактида и гидроксиапатита, разработанных в ведущих научно-исследовательских коллективах РФ и за рубежом [8, 9, 10].
Цель работы: разработка биосовместимых материалов на основе полилактида и гидроксиапатита с заданными биологическими, физико-химическими и механическими свойствам для создания имплантатов нового поколения.
Основными задачами исследования в рамках поставленной цели являются:
1) получение композиционных материалов на основе ПЛ и ГА с массовым соотношением компонентов ПЛ/ГА: 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 путем смешения компонентов и последующего прессования, а также с массовым соотношение компонентов ПЛ/ГА: 90/10, 80/20, 70/30 в условиях сверхкритического СО2;
2) исследование элементного и фазового составов композиционных материалов, и формирование кальций-фосфатного слоя на поверхности композиционных материалов в модельном SBF растворе;
3) исследование физико-химических характеристик поверхности композитов (смачиваемость, шероховатость) и механических свойств (сжатие, растяжение, трехточечный изгиб) ПЛ, ГА и композиционных материалов на их основе;
4) оценка жизнеспособности клеток иммунной системы в присутствии полилактида и композиционного материала ПЛ/ГА 70/30 и оценка влияния макрофагов и опосредованных ими иммуновоспалительных реакций на интенсивность биорезорбции полимерного композита, определяемой уменьшением молекулярной массы.
Объекты исследований: исходные компоненты: ПЛ, ГА и
композиционные материалы на основе ПЛ и ГА с массовым соотношением компонентов ПЛ/ГА: 90/10, 80/20, 70/30 и 60/40, полученные путем
смешения компонентов и последующего прессования, а также в условиях сверхкритических технологий.
Предмет исследований: физико-химические, механические и
биологические свойства композиционных материалов на основе ПЛ и ГА.
Методы исследований: ИК спектроскопия; рентгенофазовый анализ; рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия; сканирующая электронная микроскопия; гель-проникающая хроматография; высокоэффективная жидкостная хроматография; SBF-исследование; исследование
смачиваемости, шероховатости, прочности на сжатие.
Новизна диссертации:
Работа имеет высокую социальную значимость. Разработанные материалы позволят упростить работу медицинского персонала, а также значительно сократить срок послеоперационной реабилитации, поскольку такой материал стимулирует рост костной ткани, что способствует сохранению здоровья населения и повышению средней продолжительности жизни. Данный материал может быть использован в регенеративной медицине, в частности, в ортопедии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии. Отличительные черты и преимущества по сравнению с существующими аналогами:
1) основные компоненты - гидроксиапатит и полилактид, с соотношением 70/30 масс.%, соответственно, практически полностью повторяют состав костной ткани человека;
2) время резорбции - варьируется за счет изменения свойств полимерной составляющей материала и соотношения полимерная составляющая/неорганическая составляющая в конечном композите;
3) механические свойства задаются в зависимости от типа кости, которая будет подвергнута имплантированию;
4) биосовместимость - материалы не вызывают провоспалительной активации моноцитарных макрофагов.
Практическая значимость исследования определяется тем, что полученные экспериментальные данные могут быть успешно реализованы при получении биоактивных, биосовместимых композиционных материалов на основе полилактида и гидроксиапатита с последующим применением в различных областях медицины при создании материалов для имплантации.
Структура диссертации: диссертационная работа состоит из
реферата, перечня условных обозначений, введения, 3-х глав, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 76 страницах, содержит 26 рисунков, 14 таблиц; список цитируемой литературы состоит из 46 библиографических названий.
Заболевания и травмы опорно-двигательной системы занимают второе место среди причин травматизма и третье место среди болезней, приводящих к инвалидности взрослого населения. Поэтому исследования и разработки в области получения перспективных материалов для имплантатов являются чрезвычайно актуальными и востребованными [1, 2]. Наибольший интерес представляют материалы для имплантатов, способные резорбироваться при их вживлении в организм человека [3, 4].
В настоящее время в качестве материалов для создания костных имплантатов используются различные металлические и неорганические керамические материалы (титан, оксиды алюминия, циркония и др.). Такие материалы организмом воспринимаются как инородные тела и их применение, в большинстве случаев, сопровождается развитием иммуновоспалительных реакций и впоследствии отторжением. Это нередко требует проведения повторных операций, лечения сильнодействующими антибиотиками, что наносит существенный вред организму человека. Использование биосовместимых биоразлагаемых композиционных материалов на основе полиэфиров молочной кислоты и гидроксиапатита [5, 6] позволяет нивелировать недостатки керамических (оксидных)
материалов [7]. Компоненты композиционного материала являются биосовместимыми и проявляют способность к биорезорбции. Свойства полимерной составляющей имплантата, которая построена из полиэфиров на основе оксикарбоновых кислот, могут задаваться на стадии синтеза с учетом требований, применяемых к материалу для будущего имплантата. Кроме того, продукты биодеградации полимерной матрицы являются совершенно безвредными для организма человека и выводятся через естественные метаболические пути.
Основные преимущества разрабатываемого материала:
- Механические свойства близки к свойствам нативной кости;
- За счёт присутствия гидроксиапатита в составе ускоряется биохимический цикл регенерации костной ткани;
- Время разложения материала может варьировать в широком диапазоне;
- В присутствии композиционного материала макрофаги человека показывают высокий уровень жизнеспособности;
Степень разработанности темы
В диссертационной работе проанализированы данные о современном состоянии исследований в области получения, изучения, практического применения композиционных материалов на основе полилактида и гидроксиапатита, разработанных в ведущих научно-исследовательских коллективах РФ и за рубежом [8, 9, 10].
Цель работы: разработка биосовместимых материалов на основе полилактида и гидроксиапатита с заданными биологическими, физико-химическими и механическими свойствам для создания имплантатов нового поколения.
Основными задачами исследования в рамках поставленной цели являются:
1) получение композиционных материалов на основе ПЛ и ГА с массовым соотношением компонентов ПЛ/ГА: 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 путем смешения компонентов и последующего прессования, а также с массовым соотношение компонентов ПЛ/ГА: 90/10, 80/20, 70/30 в условиях сверхкритического СО2;
2) исследование элементного и фазового составов композиционных материалов, и формирование кальций-фосфатного слоя на поверхности композиционных материалов в модельном SBF растворе;
3) исследование физико-химических характеристик поверхности композитов (смачиваемость, шероховатость) и механических свойств (сжатие, растяжение, трехточечный изгиб) ПЛ, ГА и композиционных материалов на их основе;
4) оценка жизнеспособности клеток иммунной системы в присутствии полилактида и композиционного материала ПЛ/ГА 70/30 и оценка влияния макрофагов и опосредованных ими иммуновоспалительных реакций на интенсивность биорезорбции полимерного композита, определяемой уменьшением молекулярной массы.
Объекты исследований: исходные компоненты: ПЛ, ГА и
композиционные материалы на основе ПЛ и ГА с массовым соотношением компонентов ПЛ/ГА: 90/10, 80/20, 70/30 и 60/40, полученные путем
смешения компонентов и последующего прессования, а также в условиях сверхкритических технологий.
Предмет исследований: физико-химические, механические и
биологические свойства композиционных материалов на основе ПЛ и ГА.
Методы исследований: ИК спектроскопия; рентгенофазовый анализ; рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия; сканирующая электронная микроскопия; гель-проникающая хроматография; высокоэффективная жидкостная хроматография; SBF-исследование; исследование
смачиваемости, шероховатости, прочности на сжатие.
Новизна диссертации:
Работа имеет высокую социальную значимость. Разработанные материалы позволят упростить работу медицинского персонала, а также значительно сократить срок послеоперационной реабилитации, поскольку такой материал стимулирует рост костной ткани, что способствует сохранению здоровья населения и повышению средней продолжительности жизни. Данный материал может быть использован в регенеративной медицине, в частности, в ортопедии, стоматологии, челюстно-лицевой хирургии. Отличительные черты и преимущества по сравнению с существующими аналогами:
1) основные компоненты - гидроксиапатит и полилактид, с соотношением 70/30 масс.%, соответственно, практически полностью повторяют состав костной ткани человека;
2) время резорбции - варьируется за счет изменения свойств полимерной составляющей материала и соотношения полимерная составляющая/неорганическая составляющая в конечном композите;
3) механические свойства задаются в зависимости от типа кости, которая будет подвергнута имплантированию;
4) биосовместимость - материалы не вызывают провоспалительной активации моноцитарных макрофагов.
Практическая значимость исследования определяется тем, что полученные экспериментальные данные могут быть успешно реализованы при получении биоактивных, биосовместимых композиционных материалов на основе полилактида и гидроксиапатита с последующим применением в различных областях медицины при создании материалов для имплантации.
Структура диссертации: диссертационная работа состоит из
реферата, перечня условных обозначений, введения, 3-х глав, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 76 страницах, содержит 26 рисунков, 14 таблиц; список цитируемой литературы состоит из 46 библиографических названий.
В рамках магистерской диссертации были получены новые композиционные материалы на основе полилактида и гидроксиапатита с массовым соотношением компонентов 90/10, 80/20, 70/30, 60/40, соответственно, путем смешения раствора полилактида и порошка гидроксиапатита с последующим осаждением, а также в условиях сверхкритического СО2.
Было установлено, что компоненты неорганического и органического составов в композитах формируют механическую смесь с сохранением химического состава и кристаллографической идентичности исходных компонентов, с устойчивым макросостоянием композитных материалов. Для дальнейших исследований были выбраны образцы, полученные смешением компонентов в оптимальных количествах без насыщения полимерной матрицы скСО2.
Проведены исследования элементного состава и кислотно-основных центров поверхности композиционных материалов с различным соотношением полимерной и неорганической компонентов. Показано, что при формировании композиционных материалов наблюдается нестехиометрическое соотношение основных компонентов на поверхности.
Установлено, что материал с массовым соотношением ПЛ/ГА 70/30 в ряду исследуемых композитов обладает наиболее высоким значением поверхностной энергии (52,18 мДж/м2), и Ra (4,21 мкм), но при этом значение Са/Р для ГА в его составе самое низкое в ряду композиционных материалов (Са/Р=1,46), что повышает его растворимость, необходимую для процесса биорезорбции. Высокое значение поверхностной энергии способствует активной адсорбции ионов Са2+ и Мд2+ из SBF раствора на поверхности композита ПЛ/ГА 70/30.
Исследование жизнеспособности моноцитарных макрофагов при культивировании клеток на поверхности этого композита показало, что такой материал не вызывает гибели макрофагов и их уровень сохраняется на 25
уровне контроля. Также было исследовано влияние макрофагов на изменение молекулярной массы чистого полилактида и полимера в составе композиционных материалов ПЛ/ГА 90/10 и 70/30. Было установлено, что быстрее всего макрофагами в процессе иммуновоспалительной реакции разрушается чистый ПЛ, в то время как композит состава ПЛ/ГА 70/30, напротив, наиболее устойчив к активности макрофагов, то есть обладает потенциальными провоспалительными свойствами.
Установлено, что биометрические свойства определяются значениями поверхностной энергии. ГА имеет высокое значение поверхностной энергии, приводящей к гибели клеток на поверхности в то же время полимер вследствие низкой шероховатости и элементного состава имеет низкое значение поверхностной энергии недостаточное для адгезии клеток на поверхности. Композиционные материалы, состоящие из неорганической и органической составляющих, имеют среднее значение поверхностной энергии оптимальной для адсорбции клеток на поверхности композитов.
Проведение механических испытаний показало, что гидроксиапатит при нагрузке растрескивается и является очень хрупким материалом, в то время как композиционные материалы на основе ПЛ и ГА при нагрузке 370 МПа деформируются, но не растрескиваются. Таким образом, наличие полимерной составляющей позволяет повысить механические характеристики композиционных материалов.
Полученные материалы могут быть рекомендованы в качестве композиционных материалов для получения новых медицинских имплантатов, но существует необходимость персонификации иммунологических исследований в дальнейшем.
Было установлено, что компоненты неорганического и органического составов в композитах формируют механическую смесь с сохранением химического состава и кристаллографической идентичности исходных компонентов, с устойчивым макросостоянием композитных материалов. Для дальнейших исследований были выбраны образцы, полученные смешением компонентов в оптимальных количествах без насыщения полимерной матрицы скСО2.
Проведены исследования элементного состава и кислотно-основных центров поверхности композиционных материалов с различным соотношением полимерной и неорганической компонентов. Показано, что при формировании композиционных материалов наблюдается нестехиометрическое соотношение основных компонентов на поверхности.
Установлено, что материал с массовым соотношением ПЛ/ГА 70/30 в ряду исследуемых композитов обладает наиболее высоким значением поверхностной энергии (52,18 мДж/м2), и Ra (4,21 мкм), но при этом значение Са/Р для ГА в его составе самое низкое в ряду композиционных материалов (Са/Р=1,46), что повышает его растворимость, необходимую для процесса биорезорбции. Высокое значение поверхностной энергии способствует активной адсорбции ионов Са2+ и Мд2+ из SBF раствора на поверхности композита ПЛ/ГА 70/30.
Исследование жизнеспособности моноцитарных макрофагов при культивировании клеток на поверхности этого композита показало, что такой материал не вызывает гибели макрофагов и их уровень сохраняется на 25
уровне контроля. Также было исследовано влияние макрофагов на изменение молекулярной массы чистого полилактида и полимера в составе композиционных материалов ПЛ/ГА 90/10 и 70/30. Было установлено, что быстрее всего макрофагами в процессе иммуновоспалительной реакции разрушается чистый ПЛ, в то время как композит состава ПЛ/ГА 70/30, напротив, наиболее устойчив к активности макрофагов, то есть обладает потенциальными провоспалительными свойствами.
Установлено, что биометрические свойства определяются значениями поверхностной энергии. ГА имеет высокое значение поверхностной энергии, приводящей к гибели клеток на поверхности в то же время полимер вследствие низкой шероховатости и элементного состава имеет низкое значение поверхностной энергии недостаточное для адгезии клеток на поверхности. Композиционные материалы, состоящие из неорганической и органической составляющих, имеют среднее значение поверхностной энергии оптимальной для адсорбции клеток на поверхности композитов.
Проведение механических испытаний показало, что гидроксиапатит при нагрузке растрескивается и является очень хрупким материалом, в то время как композиционные материалы на основе ПЛ и ГА при нагрузке 370 МПа деформируются, но не растрескиваются. Таким образом, наличие полимерной составляющей позволяет повысить механические характеристики композиционных материалов.
Полученные материалы могут быть рекомендованы в качестве композиционных материалов для получения новых медицинских имплантатов, но существует необходимость персонификации иммунологических исследований в дальнейшем.
Подобные работы
- Исследование адгезивных свойств композитных матриксов на основе полигидроксиалканоатов в культуре мультипотентных мезенхимальных стволовых клеток
Бакалаврская работа, биология. Язык работы: Русский. Цена: 5600 р. Год сдачи: 2016 - ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА
НА ОСНОВЕ ГИДРОКСИАПАТИТА И СОПОЛИМЕРА ЛАК ГИДА
И ГЛИКОЛИДА
Бакалаврская работа, химия. Язык работы: Русский. Цена: 4500 р. Год сдачи: 2018