ВВЕДЕНИЕ 5
1. Литературный обзор 7
1.1. Предпосылки развития синтетических материалов в костной хирургии ~
1.2. Материалы, подходящие для замещения и восстановления костной ткани 8
1.3. Пасты на основе фосфатов кальция 10
1.3.1. Характеристик кальции фосфатных паст и принципы их формирования 10
1.3.2. Виды кальций-фо сфатных паст 13
1.3.3 .Требования, предъявляемые к кальцийфосфатным пастам 17
1.3.4. Биосовместнмость и биоразлагаемость 18
1.3.5. Пористость 18
1.3.6. Механические свойства 20
1.3.7. Доставка несвязанной кальцннфосфатнон пасты 21
1.3.8. Время схватывания КФП 22
1.3.9. Прочность 23
1.4. Композиционные КФП и армирующие вещества 24
2. Экспериментальная часть 29
2.1. Исходные материалы 29
2.2. Синтез порошков гидроксиапатита 29
2.3. Получение композитных материалов на основе гидроксипатита 32
2.4. Физико-химический анализ композитов и исходных веществ 33
3. Результаты и обсуждение 36
3.1. Физико-химический анализ композитов и исходных веществ 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 56
Из-за болезней и травм несколько миллионов пациентов во всем мире ежегодно нуждаются в операции по пересадке костной ткани ввиду нарушений в функциональности опорно-двигательной системы [1]. Для решения это проблемы учёными было уделено внимание разработке таких синтетических материалов, которые могли бы заполнять повреждённые полости в костях и способствовать наращиванию нового слоя костных клеток - остеоцитов. Наиболее перспективными представителями таких материалов являются модификации фосфата кальция, в частности гидроксиапатиты (ГА) [2].
У гидроксиапатита есть ряд преимуществ:
- высокое сходство по химической структуре, пористости с материалом костей;
- биосовместимость и биорезорбируемость, приводящие к отсутствию побочных эффектов и отторжению организмом при введении внутрь;
- простота, доступность в приготовлении;
- возможность вводить в организм в виде паст путём инъекций, принимающих формы дефектных полостей кости любой геометрии и наиболее равномерно заполняющих их, затвердевая in vivo при температуре тела.
Хотя кальцийфосфатные пасты из гидроксиапатита кажутся очень многообещающими для замещения и способствованию регенерации костей, широко признано, что все еще существуют некоторые недостатки данного материала, которые необходимо решить для удовлетворения клиническим требованиям. В частности, пасты из фосфатов кальция без каких-либо добавок обычно плохо впрыскиваются из-за разделения жидкой и твердой фаз. Более того, данный материал имеет тенденцию к распаду при раннем контакте с кровью или биологическими жидкостями из-за его слабой когезии. Другая основная проблема заключается в том, что в целом гидроксиапатит имеет плохие механические свойства не только с точки зрения прочности, но особенно с точки зрения вязкости и хрупкости, что ограничивает его применение в местах, не несущих средней нагрузки [3].
Соответственно, для армирования паст на основе гидроксиапатита, предания им прочности, соизмеримой с нагрузкой на кости в среде организма, в систему добавляют органические (полимерные), неорганические и металлические вещества, тем самым получая композитные структуры. Для кальцийфосфатных паст лучшим армирующим веществом является альгинат натрия [4]. Мотивируют применять альгинат натрия такие его качества, как высокая биосовместимость, доступность и малая затратность по цене (дешевизна сырья). На процессы структурирования композитов с участием альгината есть возможность влиять за счёт изменения соотношения катионов кальция из гидроксиапатита в их композитных системах. Это позволяет отслеживать и изменять под необходимые условия структуру паст. Важным вопросом остается изучение закономерностей изменений свойств таких композитных материалов при варьировании соотношения фосфатов кальция к альгинату натрия.
Таким образом, проблема получения новых композитных материалов на основе гидроксиапатита с альгинатом в качестве армирующей добавки лежит в русле тенденции к разработке новых синтетических материалов, способных заполнять повреждённые участки кости, способствовать регенерации костных клеток и препятствовать возникновению побочных реакций, не нанося вред организму, и является актуальной и значимой в практическом отношении.
Цель работы - получение композиционных материалов на основе фосфатов кальция и альгината натрия и исследование физико-химических свойств полученных материалов.
Для реализации цели поставлены задачи исследования:
- Получить композитные материалы на основе фосфатов кальция (гидроксиапатита) и альгината натрия;
- Исследовать элементный и фазовый состав полученных материалов и исходных веществ;
- Определить растворимости материалов;
- Проанализировать морфологию поверхностей композитных материалов и исходных реагентов;
- Сравнить результаты и сформулировать выводы по проделанной работе.
В ходе проделанной работы были получены порошки гидроксиапатит двумя разными способами, а также композитные материалы на его основе совместно с альгинатом натрия с различным соотношением реагентов.
Методом РФА было выяснено, что при ведении синтеза гидроксиапатита в условиях 650°С преобладает фаза Caio(PO4)6(OH)s(H2O) и отмечается вероятность появления пирофосфата кальция, что не желательно при использовании полученного материала в инъекционных целях. При ведении синтеза в условиях температуры 110°С, что ниже, чем в первом случае, наблюдается только одна фаза кальций дефицитного гидроксиапатита (октакальций фосфат) Са§(РО4)б(Н2О)2.
По сравнению с результатами степени кристалличности ГА(1) у ГА(2) структура более кристаллическая, однако большую часть составляет аморфная фаза, что характерно для фосфатов.
Проанализировав полученные данные комплексонометрического титрования композитов состава ГА(1)25:АльгNa75, ГА(1)50:АльгNa50,
ГА(1)75:АльгNa25, можно сделать вывод об увеличении растворимости композитных материалов с ростов содержания катионов кальция Са2+, количества гидроксиапатита в системе.
По результатам СЭМ было выяснено, что наибольший размер пор наблюдается у композитных материалов состава ГА(2)25:АльгNa75 и ГА(2)50:АльгNa50, что не благоприятно для применения их в костной инженерии, так как высокая пористость уменьшает механические свойства такие, как прочность. Наименьший размер пор отмечается у образцов ГА(1)25:АльгNa75 и ГА(1)50:АльгNa50. Обнаружена зависимость между пористостью и растворимость: с увеличением пористости возрастает и растворимость.
По данным метода РСМА выявлено, наименьшее количество примесей и наилучшее равномерное распределение элементов по поверхности образца отмечается у композита состава ГА(1)50:АльгПа50.
