Биосовместимые биорезорбируемые композиты на основе поливинилового спирта и синтетических фосфатов кальция
|
Введение 4
Обзор литературы 7
1. Костная ткань: строение, состав, свойства 7
2. Материалы для устранения дефектов костной ткани 9
2.1. Общая классификация материалов 9
2.2. Биоинертная керамика 9
2.3. Стеклокерамические биоматериалы (биостекла) 10
2.4. Биокерамические материалы на основе ФК 10
2.5. Кальций-фосфатные цементы 12
2.6. Композиты в системе фосфат кальция - полимер 13
3. Композиты на основе синтетических ФК и ПВС 15
3.1. Поливиниловый спирт: строение, свойства 15
3.2. Гидрогели на основе ПВС 17
3.3. Гидрогели на основе ПВС с ФК - наполнителем 19
4. Способы получения материалов на основе ПВС и ФК 20
Выводы из обзора литературы 23
Цель и задачи исследования 24
Экспериментальная часть 25
1. Реактивы и оборудование 25
2. Методы получения композитных гидрогелей «ПВС/ФК/Н2О» 26
3. Получение материалов на основе композитных гидрогелей «ПВС/КК/Н2О»,
«ПВС/ФК/КК/Н2О» и «ПВС/ФК/Н2О» 30
3.1. Синтез порошков из водных растворов 31
3.2. Подготовка и формование суспензий 32
4. Методы исследования образцов 34
4.1. Вискозиметрия 34
4.2. Рентгенофазовый анализ 35
4.3. Термический анализ 35
4.4. Сканирующая электронная микроскопия 35
4.5. Атомно-силовая микроскопия 36
4.6. Набухание пленок в водной среде 36
Обсуждение результатов 37
1. Физико-химические свойства ПВС 37
1.1. Вязкость и молекулярная масса гидролизованного ПВС 37
1.2. Электроформование растворов ПВС без наполнителя 39
2. Композитные гидрогели «ПВС/ФК/Н2О» 41
2.1. Фазовый состав композитных пленок 41
2.2. Термический анализ 43
2.3. Морфология и микроструктура частиц наполнителя 46
3. Композитные гидрогели в системе ПВС - ФК/КК - Н2О 48
3.1. Фазовый анализ 48
3.2. Термический анализ 49
3.3. Морфология и микроструктура частиц наполнителя 51
3.4. Набухание пленок композитного гидрогеля 54
Выводы 56
Список литературы 58
Благодарности 61
Приложение 1 62
Приложение 2
Обзор литературы 7
1. Костная ткань: строение, состав, свойства 7
2. Материалы для устранения дефектов костной ткани 9
2.1. Общая классификация материалов 9
2.2. Биоинертная керамика 9
2.3. Стеклокерамические биоматериалы (биостекла) 10
2.4. Биокерамические материалы на основе ФК 10
2.5. Кальций-фосфатные цементы 12
2.6. Композиты в системе фосфат кальция - полимер 13
3. Композиты на основе синтетических ФК и ПВС 15
3.1. Поливиниловый спирт: строение, свойства 15
3.2. Гидрогели на основе ПВС 17
3.3. Гидрогели на основе ПВС с ФК - наполнителем 19
4. Способы получения материалов на основе ПВС и ФК 20
Выводы из обзора литературы 23
Цель и задачи исследования 24
Экспериментальная часть 25
1. Реактивы и оборудование 25
2. Методы получения композитных гидрогелей «ПВС/ФК/Н2О» 26
3. Получение материалов на основе композитных гидрогелей «ПВС/КК/Н2О»,
«ПВС/ФК/КК/Н2О» и «ПВС/ФК/Н2О» 30
3.1. Синтез порошков из водных растворов 31
3.2. Подготовка и формование суспензий 32
4. Методы исследования образцов 34
4.1. Вискозиметрия 34
4.2. Рентгенофазовый анализ 35
4.3. Термический анализ 35
4.4. Сканирующая электронная микроскопия 35
4.5. Атомно-силовая микроскопия 36
4.6. Набухание пленок в водной среде 36
Обсуждение результатов 37
1. Физико-химические свойства ПВС 37
1.1. Вязкость и молекулярная масса гидролизованного ПВС 37
1.2. Электроформование растворов ПВС без наполнителя 39
2. Композитные гидрогели «ПВС/ФК/Н2О» 41
2.1. Фазовый состав композитных пленок 41
2.2. Термический анализ 43
2.3. Морфология и микроструктура частиц наполнителя 46
3. Композитные гидрогели в системе ПВС - ФК/КК - Н2О 48
3.1. Фазовый анализ 48
3.2. Термический анализ 49
3.3. Морфология и микроструктура частиц наполнителя 51
3.4. Набухание пленок композитного гидрогеля 54
Выводы 56
Список литературы 58
Благодарности 61
Приложение 1 62
Приложение 2
В настоящий момент одной из центральных проблем медицинского материаловедения является создание материалов, предназначенных для устранения дефектов костных тканей. Это объясняется прежде всего тем, что существующие биоматериалы, которые могут быть использованы в качестве имплантатов в конструкциях тканевой инженерии, а также в качестве субстратов для культивирования клеток или в качестве носителей лекарственных средств для стимулирования остеосинтеза, являются не совершенными. Поэтому поиск новых материалов данного назначения и разработка технологии их производства привлекают внимание исследователей по всему миру.
Неорганической основой синтетических биоматериалов выступают совместимые с организмом человека фосфаты кальция, способные поддерживать процессы остеосинтеза и образовывать связь с костной тканью, не вызывая при этом нежелательные реакции с тканями и межтканевыми жидкостями, а также отклик со стороны иммунной системы организма. Подобными свойствами обладают синтетические ортофосфаты кальция с мольным соотношением 0,5
В связи с этим целью данной работы являлось получение композиционных материалов в системе фосфат кальция (0,5
Также в ходе исследований был проведен ряд синтезов в системе фосфат кальция - карбонат кальция на основе наноразмерных порошков, предварительно полученных в водных растворах. Фазовый состав пленок и волокон, полученных в данной системе, свидетельствует о наличии фаз гидроксиапатита Са10(РО4)б(ОН)2 и брушита, а также карбоната кальция модификаций кальцит и ватерит. Волокна с кальций-фосфатным, наполнителем, полученные методом электрофомования, согласно данным атомно-силовой микроскопии, имеют толщину от 0,27 до 1,9 мкм с вкраплениями частиц диаметром до 5 мкм.
Изучение физико-химических свойств поливинилового спирта различной молекулярной массы и степени гидролиз^ используемого в качестве полимерной матрицы, позволило выявить оптимальные условия электроформования.
Таким образом, были получены новые композиционные материалы на основе поливинилового спирта и синтетических фосфатов кальция в форме пленок и волокон, которые могут быть использованы в качестве композитной основы в конструкциях тканевой инженерии для устранения дефектов костной ткани.
Неорганической основой синтетических биоматериалов выступают совместимые с организмом человека фосфаты кальция, способные поддерживать процессы остеосинтеза и образовывать связь с костной тканью, не вызывая при этом нежелательные реакции с тканями и межтканевыми жидкостями, а также отклик со стороны иммунной системы организма. Подобными свойствами обладают синтетические ортофосфаты кальция с мольным соотношением 0,5
В связи с этим целью данной работы являлось получение композиционных материалов в системе фосфат кальция (0,5
Также в ходе исследований был проведен ряд синтезов в системе фосфат кальция - карбонат кальция на основе наноразмерных порошков, предварительно полученных в водных растворах. Фазовый состав пленок и волокон, полученных в данной системе, свидетельствует о наличии фаз гидроксиапатита Са10(РО4)б(ОН)2 и брушита, а также карбоната кальция модификаций кальцит и ватерит. Волокна с кальций-фосфатным, наполнителем, полученные методом электрофомования, согласно данным атомно-силовой микроскопии, имеют толщину от 0,27 до 1,9 мкм с вкраплениями частиц диаметром до 5 мкм.
Изучение физико-химических свойств поливинилового спирта различной молекулярной массы и степени гидролиз^ используемого в качестве полимерной матрицы, позволило выявить оптимальные условия электроформования.
Таким образом, были получены новые композиционные материалы на основе поливинилового спирта и синтетических фосфатов кальция в форме пленок и волокон, которые могут быть использованы в качестве композитной основы в конструкциях тканевой инженерии для устранения дефектов костной ткани.
В соответствии с заявленными целями и общим планом работы были получены следующие результаты.
• Были исследованы физико-химические свойства трех видов частично гидролизованного ПВС (ПВС (0588), ПВС (1788), ПВС (2488)) различной молекулярной массы, использующегося в качестве полимерной матрицы при создании композитных материалов «ПВС/ФК/Н2О», «ПВС/ФК/КК/Н2О», «ПВС/КК/Н2О» с различной степенью наполнения; на основании данных вискозиметрии и электроформования были выбраны полимеры и оптимальные условия синтеза суспензий на их основе с целью дальнейшего получения пленок и волокон путем электроформования - ПВС (2488) (Пхар. = 1,4801; М = 246 кДа; Иформ. = 40 - 41 кВ при содержании в растворе < 5 масс.%) и ПВС (1788) (щар. = 0,9628; М = 124 кДа; Иформ. = 31 - 33 кВ при содержании в растворе < 8 масс.%).
• Были разработаны методики синтеза композитных суспензий «ПВС/ФК/Н2О»
со степенью наполнения частицами биосовместимых биорезорбируемых ФК в интервале 15 - 30 об.% исходя из солей ацетата кальция и гидрофосфата аммония в вязких водных растворах ПВС; были подготовлены суспензии составов «ПВС/КК/Н2О», «ПВС/ФК/КК/Н2О» и «ПВС/ФК/Н2О» (степень наполнения 20 об.%) на основе предварительно синтезированных из водных растворов наноразмерных порошков КК, ТКФ и порошка смешанно-анионного состава ТКФ/КК.
• В ходе формования были изготовлены пленки и волокна (electromolding) композитных гидрогелей «ПВС/ФК/Н2О», «ПВС/ФК/КК/Н2О» и «ПВС/КК/Н2О», образующихся в результате высыхания суспензий при комнатной температуре.
• В ходе исследования полученных образцов на предмет фазового состава, термической устойчивости и морфологии было установлено, что:
1) в системе ПВС - ФК - Н2О, в зависимости от условий синтеза, наблюдается образование индивидуальных фаз брушита или монетита, а также смеси брушит/монетит/безводный гидрофосфат кальция. Фазовый состав порошков в системе ТКФ - КК, использованных при получении композитных пленок и волокон «ПВС/ФК/Н2О», «ПВС/ФК/КК/Н2О» и «ПВС/КК/Н2О», в первом случае представлен смесью ГАП/брушит, в третьем - фазой КК (модификации кальцит/ватерит). В ходе синтеза из раствора смешанно-анионного состава был получен рентгено-аморфный продукт, фазовый состав которого не может быть определен методом качественного РФА;
2) термический анализ пленок ПВС без наполнителя в интервале температур 25 - 1000 0С отражает общую потерю массы образцов до 95 % при 600 0С, связанную с полной деструкцией полимера. Данные ТГ для композитных пленок в зависимости от степени их наполнения отражают потерю массы от 45 до 80 %;
3) согласно данным СЭМ, частицы ФК наполнителей серии образцов «ПВС/ФК/Н2О» имеют характерные размеры от 30 до 160 мкм, что является благоприятным условием для прорастания клеток костной ткани в среде организма. Однако получение волокон методом электроформования из растворов, содержащих частицы подобных размеров, затруднено. Исходя из данных АСМ для композитных волокон на основе формовочных растворов «ПБС/КК/Н2О», «ПБС/ФК/КК/Н2О» и «ПБС/ФК/Н2О», содержащих предварительно синтезированные наноразмерные порошки, было установлено, что средний размер частиц в составе волокон не превышает 5 мкм.
Таким образом, полученные в ходе настоящей работы композитные материалы могут быть рекомендованы к использованию в регенеративных подходах медицины, в частности, в качестве скаффолдов, содержащих биоактивные добавки в виде ФК и КК для стимуляции культивирования и дифференцировки клеток костной ткани.
• Были исследованы физико-химические свойства трех видов частично гидролизованного ПВС (ПВС (0588), ПВС (1788), ПВС (2488)) различной молекулярной массы, использующегося в качестве полимерной матрицы при создании композитных материалов «ПВС/ФК/Н2О», «ПВС/ФК/КК/Н2О», «ПВС/КК/Н2О» с различной степенью наполнения; на основании данных вискозиметрии и электроформования были выбраны полимеры и оптимальные условия синтеза суспензий на их основе с целью дальнейшего получения пленок и волокон путем электроформования - ПВС (2488) (Пхар. = 1,4801; М = 246 кДа; Иформ. = 40 - 41 кВ при содержании в растворе < 5 масс.%) и ПВС (1788) (щар. = 0,9628; М = 124 кДа; Иформ. = 31 - 33 кВ при содержании в растворе < 8 масс.%).
• Были разработаны методики синтеза композитных суспензий «ПВС/ФК/Н2О»
со степенью наполнения частицами биосовместимых биорезорбируемых ФК в интервале 15 - 30 об.% исходя из солей ацетата кальция и гидрофосфата аммония в вязких водных растворах ПВС; были подготовлены суспензии составов «ПВС/КК/Н2О», «ПВС/ФК/КК/Н2О» и «ПВС/ФК/Н2О» (степень наполнения 20 об.%) на основе предварительно синтезированных из водных растворов наноразмерных порошков КК, ТКФ и порошка смешанно-анионного состава ТКФ/КК.
• В ходе формования были изготовлены пленки и волокна (electromolding) композитных гидрогелей «ПВС/ФК/Н2О», «ПВС/ФК/КК/Н2О» и «ПВС/КК/Н2О», образующихся в результате высыхания суспензий при комнатной температуре.
• В ходе исследования полученных образцов на предмет фазового состава, термической устойчивости и морфологии было установлено, что:
1) в системе ПВС - ФК - Н2О, в зависимости от условий синтеза, наблюдается образование индивидуальных фаз брушита или монетита, а также смеси брушит/монетит/безводный гидрофосфат кальция. Фазовый состав порошков в системе ТКФ - КК, использованных при получении композитных пленок и волокон «ПВС/ФК/Н2О», «ПВС/ФК/КК/Н2О» и «ПВС/КК/Н2О», в первом случае представлен смесью ГАП/брушит, в третьем - фазой КК (модификации кальцит/ватерит). В ходе синтеза из раствора смешанно-анионного состава был получен рентгено-аморфный продукт, фазовый состав которого не может быть определен методом качественного РФА;
2) термический анализ пленок ПВС без наполнителя в интервале температур 25 - 1000 0С отражает общую потерю массы образцов до 95 % при 600 0С, связанную с полной деструкцией полимера. Данные ТГ для композитных пленок в зависимости от степени их наполнения отражают потерю массы от 45 до 80 %;
3) согласно данным СЭМ, частицы ФК наполнителей серии образцов «ПВС/ФК/Н2О» имеют характерные размеры от 30 до 160 мкм, что является благоприятным условием для прорастания клеток костной ткани в среде организма. Однако получение волокон методом электроформования из растворов, содержащих частицы подобных размеров, затруднено. Исходя из данных АСМ для композитных волокон на основе формовочных растворов «ПБС/КК/Н2О», «ПБС/ФК/КК/Н2О» и «ПБС/ФК/Н2О», содержащих предварительно синтезированные наноразмерные порошки, было установлено, что средний размер частиц в составе волокон не превышает 5 мкм.
Таким образом, полученные в ходе настоящей работы композитные материалы могут быть рекомендованы к использованию в регенеративных подходах медицины, в частности, в качестве скаффолдов, содержащих биоактивные добавки в виде ФК и КК для стимуляции культивирования и дифференцировки клеток костной ткани.