Синтез и биохимические характеристики биоактивных кальций-фосфатных материалов, полученных из спиртовых растворов
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ.... 6
1.1 Химический состав костной ткани 6
1.2 Клетки костной ткани 7
1.3 Естественная регенерация костной ткани 9
1.4 Резорбция кости 10
1.5 Реверсии кости 10
1.6 Образование кости 11
1.7 Классификация материалов для костной имплантации 11
1.7.1 Биоматериалы 11
1.7.2 Полимеры 18
1.7.3 Металлы 18
1.7.4 Композиционные материалы 19
1.7.5 Керамика 19
1.8 Методы получения биоактивных кальций-фосфатных материалов 20
1.8.1 Золь-гель метод 22
2. ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА. МЕТОДИКА СИНТЕЗА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ 26
2.1 Характеристика исходных веществ 26
2.2 Получение кальций-фосфатных материалов 28
2.3 Вискозиметрия 30
2.4 Термический анализ 32
2.5 ИК-спектроскопия 33
2.6 Исследование кислотно-основных центров 33
2.7 Растровая электронная микроскопия 35
2.8 Рентгенофазовый анализ 35
2.9 Исследование в растворе SBF 36
2.10 Метод Коха 38
3. Экспериментальная часть 40
3.1 Физико-химические процессы, протекающие при формировании материалов 40
3.2 Биосвойства кальций-фосфатных материалов 53
ВЫВОДЫ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 58
1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ.... 6
1.1 Химический состав костной ткани 6
1.2 Клетки костной ткани 7
1.3 Естественная регенерация костной ткани 9
1.4 Резорбция кости 10
1.5 Реверсии кости 10
1.6 Образование кости 11
1.7 Классификация материалов для костной имплантации 11
1.7.1 Биоматериалы 11
1.7.2 Полимеры 18
1.7.3 Металлы 18
1.7.4 Композиционные материалы 19
1.7.5 Керамика 19
1.8 Методы получения биоактивных кальций-фосфатных материалов 20
1.8.1 Золь-гель метод 22
2. ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА. МЕТОДИКА СИНТЕЗА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ 26
2.1 Характеристика исходных веществ 26
2.2 Получение кальций-фосфатных материалов 28
2.3 Вискозиметрия 30
2.4 Термический анализ 32
2.5 ИК-спектроскопия 33
2.6 Исследование кислотно-основных центров 33
2.7 Растровая электронная микроскопия 35
2.8 Рентгенофазовый анализ 35
2.9 Исследование в растворе SBF 36
2.10 Метод Коха 38
3. Экспериментальная часть 40
3.1 Физико-химические процессы, протекающие при формировании материалов 40
3.2 Биосвойства кальций-фосфатных материалов 53
ВЫВОДЫ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 58
Важной задачей восстановительной медицины является решение вопроса возобновления функций опорно-двигательного аппарата с целью увеличения качества и продолжительности человеческой жизни. Травмированные участки, испытывающие на себе большие комплексные механические нагрузки, необходимо закрепить новыми материалами, которые могли бы выполнить как опорную функцию, так и обеспечить биосовместимость костного аналога с человеческим организмом. Перед человечеством становится непростая задача: создание материалов для искусственных органов и тканей. Число больных, нуждающихся в операциях по замене костной ткани очень велико [1].
Актуальность и необходимость разработки новых биоматериалов обусловлена существующим высоким спросом на полимерные материалы для различных сфер деятельности и, прежде всего, биомедицины. Создание экологически чистых материалов с полезными свойствами остается одной из ключевых проблем современности. Сегодня остро востребованы биосовмеетимые материалы для общей и сердечно-сосудистой хирургии, для изготовления протезов кровеносных сосудов, искусственных клапанов сердца, систем искусственного и вспомогательного кровообращения, для ортопедии и стоматологии, лекарственных форм нового поколения, сорбентов и т. д. [2]
Получение новых материалов различного медицинского назначения, предназначенных для контакта со средой живого организма, является сложной задачей. Особо востребованы специализированные биосовместимые материалов для сформировавшегося в последние годы нового направления медицинского материаловедения - клеточной и тканевой инженерии, связанного с реконструктивной хирургией и разработкой биоискусственных органов. Эти исследования реализуются на стыке химии высокомолекулярных соединений, биотехнологии, биофизики, молекулярной и клеточной биологии и медицины и включают в себя комплекс взаимосвязанных фундаментальных задач: разработку новых материалов, методов модификации и их переработки в специализированные изделия биомедицинского назначения; изучение механизма взаимодействия биоматериалов с кровью и тканями; оценку физико-химических и медико-биологических свойств биоматериалов и изделий из них; экспериментально-клиническое исследование и применение новых материалов и изделий [3].
Необходимо разработать эффективный способ формирования специальных калий-фосфатных материалов, которые смогут придать биоматериалу необходимые биомеханические и биохимические свойства [4]. Следовательно, актуальной задачей является исследование биохимических свойств кальций-фосфатных материалов с заданными функциональными свойствами, а также разработка технологий, обеспечивающих управление ими [5].
Физико-химические процессы, лежащие в основе каждой стадии технологии, а также свойства полученных материалов в зависимости от условий синтеза изучены недостаточно подробно, что ограничивает сферы их применения [2].
Наноструктурные материалы на основе TiO2 демонстрируют положительный эффект во многих областях биомедицинского применения: при разработке костных скаффолдов (матриц), покрытий сердечно-сосудистых стендов и лекарственных систем доставки [6]. Принимая во внимание то, что гидроксиапатит состоит преимущественно из кальция и фосфора в соотношении 1,6, то и в биоматериале соотношение преобладающих компонентов должно быть схожим. Важно учитывать, что для связывания компонентов в системе необходимо использовать оксид кремния SiO2 [7]. Подобная система, состоящая из оксидов SiO2, P2O5, CaO, TiO2, имеет важное биохимическое влияние, так как применяется в виде биоматериала вживляемого в человеческий организм [8]. Оксид титана является чужеродным компонентом для иммунной системы, поэтому целью настоящей работы является изучить влияние добавки TiO2 на биохимические характеристики биоактивных кальций-фосфатных материалов, полученных из спиртовых растворов на основе тетрабутоксититана, тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты и нитрата кальция с различным содержанием компонентов в системе.
Задачи:
1. Определить временной интервал для получения материалов из растворов на основе тетрабутоксититана, тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты и нитрата кальция с различным содержанием компонентов в системе;
2. Методом термического анализа определить основные стадии и условия формирования материалов на основе системы SiO2-P2O5-CаO-TiO2;
3. Определить структуру и фазовый состав, полученных образцов с использованием растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгенофазового анализа (РФА) и ИК- спектроскопии;
4. Исследовать поведение материалов в искусственных условиях (в растворе SBF по методике Кокубо) для определения биологической активности;
5. Изучить по методу Коха поведение материалов на грамотрицательную и раневую грамположительную микрофлору.
Актуальность и необходимость разработки новых биоматериалов обусловлена существующим высоким спросом на полимерные материалы для различных сфер деятельности и, прежде всего, биомедицины. Создание экологически чистых материалов с полезными свойствами остается одной из ключевых проблем современности. Сегодня остро востребованы биосовмеетимые материалы для общей и сердечно-сосудистой хирургии, для изготовления протезов кровеносных сосудов, искусственных клапанов сердца, систем искусственного и вспомогательного кровообращения, для ортопедии и стоматологии, лекарственных форм нового поколения, сорбентов и т. д. [2]
Получение новых материалов различного медицинского назначения, предназначенных для контакта со средой живого организма, является сложной задачей. Особо востребованы специализированные биосовместимые материалов для сформировавшегося в последние годы нового направления медицинского материаловедения - клеточной и тканевой инженерии, связанного с реконструктивной хирургией и разработкой биоискусственных органов. Эти исследования реализуются на стыке химии высокомолекулярных соединений, биотехнологии, биофизики, молекулярной и клеточной биологии и медицины и включают в себя комплекс взаимосвязанных фундаментальных задач: разработку новых материалов, методов модификации и их переработки в специализированные изделия биомедицинского назначения; изучение механизма взаимодействия биоматериалов с кровью и тканями; оценку физико-химических и медико-биологических свойств биоматериалов и изделий из них; экспериментально-клиническое исследование и применение новых материалов и изделий [3].
Необходимо разработать эффективный способ формирования специальных калий-фосфатных материалов, которые смогут придать биоматериалу необходимые биомеханические и биохимические свойства [4]. Следовательно, актуальной задачей является исследование биохимических свойств кальций-фосфатных материалов с заданными функциональными свойствами, а также разработка технологий, обеспечивающих управление ими [5].
Физико-химические процессы, лежащие в основе каждой стадии технологии, а также свойства полученных материалов в зависимости от условий синтеза изучены недостаточно подробно, что ограничивает сферы их применения [2].
Наноструктурные материалы на основе TiO2 демонстрируют положительный эффект во многих областях биомедицинского применения: при разработке костных скаффолдов (матриц), покрытий сердечно-сосудистых стендов и лекарственных систем доставки [6]. Принимая во внимание то, что гидроксиапатит состоит преимущественно из кальция и фосфора в соотношении 1,6, то и в биоматериале соотношение преобладающих компонентов должно быть схожим. Важно учитывать, что для связывания компонентов в системе необходимо использовать оксид кремния SiO2 [7]. Подобная система, состоящая из оксидов SiO2, P2O5, CaO, TiO2, имеет важное биохимическое влияние, так как применяется в виде биоматериала вживляемого в человеческий организм [8]. Оксид титана является чужеродным компонентом для иммунной системы, поэтому целью настоящей работы является изучить влияние добавки TiO2 на биохимические характеристики биоактивных кальций-фосфатных материалов, полученных из спиртовых растворов на основе тетрабутоксититана, тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты и нитрата кальция с различным содержанием компонентов в системе.
Задачи:
1. Определить временной интервал для получения материалов из растворов на основе тетрабутоксититана, тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты и нитрата кальция с различным содержанием компонентов в системе;
2. Методом термического анализа определить основные стадии и условия формирования материалов на основе системы SiO2-P2O5-CаO-TiO2;
3. Определить структуру и фазовый состав, полученных образцов с использованием растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгенофазового анализа (РФА) и ИК- спектроскопии;
4. Исследовать поведение материалов в искусственных условиях (в растворе SBF по методике Кокубо) для определения биологической активности;
5. Изучить по методу Коха поведение материалов на грамотрицательную и раневую грамположительную микрофлору.
1. Золь-гель методом получены растворы на основе тетрабутоксититана, тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты и нитрата кальция с различным содержанием компонентов в системе. Установлено, что раствор Ti_10 стабилен в течение 12 суток и пригоден для получения материалов до 11 суток. Раствор Ti_2 стабилен двое суток.
2. По данным термического анализа и ИК-спектроскопии установлены условия формирования материала. В интервале температур до 300 °С происходит удаление физически и химически связанной воды, при 300-500 °С - окисление спирта и продуктов термоокислительной деструкции этоксигрупп, при 500-800 °С отмечается переход аморфных модификаций соединений в кристаллические.
3. Установлено, что образование кристаллических структур происходит при 800°С.
Образуются фазы следующего состава для Ti_10: Ca5(PO4)2.85(SiO4)0.i5O - силикат кальция, Cai0(PO4)5.52(HPO4)0.i5(SiO4)0.33(OH)i.66O0.i9, CaSiO3, анатаз, Саз(РО4)2; для Ti_2:
Cai0(PO4)5.52(HPO4)0.i5(SiO4)0.33(OH)i.66O0.i9, CaSiO3.
4. Оценка скорости формирования кальций-фосфатного слоя (в растворе SBF по методике Кокубо) показывает активный рост его образования в первые 7 суток выдерживания в SBF-растворе, далее скорость незначительно снижается. После выдержки образцов в течение 2 недель в образцах на поверхности происходит формирование большого количества частиц округлой формы размерами от 1 до 4 мкм формируются игольчатые структуры. В образце Ti_10 преобладают частицы игольчатой формы, которые формируют сетчатую структуру.
5. Методом Коха посторонней микрофлоры на питательной среде не выявлено: все колонии по морфологическим признакам отнесены к исследуемому текст-объекту. Антибактериальной активности образцы Ti_10 и Ti_2 не проявили.
2. По данным термического анализа и ИК-спектроскопии установлены условия формирования материала. В интервале температур до 300 °С происходит удаление физически и химически связанной воды, при 300-500 °С - окисление спирта и продуктов термоокислительной деструкции этоксигрупп, при 500-800 °С отмечается переход аморфных модификаций соединений в кристаллические.
3. Установлено, что образование кристаллических структур происходит при 800°С.
Образуются фазы следующего состава для Ti_10: Ca5(PO4)2.85(SiO4)0.i5O - силикат кальция, Cai0(PO4)5.52(HPO4)0.i5(SiO4)0.33(OH)i.66O0.i9, CaSiO3, анатаз, Саз(РО4)2; для Ti_2:
Cai0(PO4)5.52(HPO4)0.i5(SiO4)0.33(OH)i.66O0.i9, CaSiO3.
4. Оценка скорости формирования кальций-фосфатного слоя (в растворе SBF по методике Кокубо) показывает активный рост его образования в первые 7 суток выдерживания в SBF-растворе, далее скорость незначительно снижается. После выдержки образцов в течение 2 недель в образцах на поверхности происходит формирование большого количества частиц округлой формы размерами от 1 до 4 мкм формируются игольчатые структуры. В образце Ti_10 преобладают частицы игольчатой формы, которые формируют сетчатую структуру.
5. Методом Коха посторонней микрофлоры на питательной среде не выявлено: все колонии по морфологическим признакам отнесены к исследуемому текст-объекту. Антибактериальной активности образцы Ti_10 и Ti_2 не проявили.