Получение индивидуальных 3D-имплантатов для костной пластики на основе кальций-магний-фосфатных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Получение индивидуальных 3D-имплантатов для костной пластики на основе кальций-магний-фосфатных материалов

В настоящее время в медицине существуют различные методы лечения травм и дефектов костной ткани, возникающих по разным причинам, в том числе связанных с заболеваниями типа остеомиелита, остеопороза и т.д. Для восстановления нормального функционирования поврежденного участка костной ткани могут быть применены имплантаты.

В последние годы большой интерес вызывает концепция реконструкции костных тканей, основанная на использовании материалов, постепенно резорбирующих в организме и замещающихся новообразованной костной тканью. При этом материал является активным источником необходимых для построения костной ткани ионов Ca²⁺ и PO₄^3- Данный регенеративный подход требует от современных биоматериалов, прежде всего остеостимулирующего действия материала имплантата на костную ткань в зоне дефекта, ускорения процесса срастания и замены имплантата новой костной тканью.

Одним из наиболее распространенных материалов для костной пластики является гидроксиапатит, наиболее стабильный фосфат кальция при физиологических значениях рН = 7,4, что делает имплантаты на его основе медленно или частично резорбируемыми. В противоположность ему, дикальцийфосфат дигидрат (далее - ДКФД, брушит), является метастабильным соединением, что обуславливает его повышенную скорость резорбции в физиологических средах организма. ДКФД в качестве коммерческих продуктов выпускается в виде цементов JectOS («KASIOS SAS», Франция), PD VitalOs Cement («Produits Dentaires SA», Швейцария), ChronOs Inject («Synthes AG», Швейцария»), PolyBone («Kyungwon Medical Co. Ltd», Корея).

Для предотвращения перекристаллизации дигидрата дикальцийфосфата в гидроксиапатит в костных цементах используют соли магния, поскольку они ингибируют рост кристаллов гидроксиапатита [1].

Магнийфосфатный цемент, полученный затворением смеси MgO и NH₄H₂PO₄, обладает быстрым схватыванием, высокой прочностью и постепенно подвергается резорбции в организме, не вызывая при этом воспалительных и некротических процессов [2, р. 503-504].

Цитосовместимость резорбируемого струвитового цемента, полученного затворением смеси Mg₃(PO₄)₂ и струвита (MgNH₄PO₄•6H₂O) сравнима или даже выше, чем у брушитового цемента, что подтверждается экспрессией белка в остеогенных клетках на ранней стадии контакта поверхности клетки с поверхностью струвитового цемента [3, р. 327, 331].

Авторами работ [4-5] показано, что модификация прекурсоров апатитового и брушитового цемента (б- и в-трикальцийфосфатов) ионами магния способствует увеличению сроков схватывания, улучшению инъекционной способности и / или механических свойств.

Одним из способов получения магнийсодержащего фосфата кальция [4] является осаждение из растворов Ca(NO₃)₂?4H₂O, (NH₄)₂HPO₄ и Mg(NO₃)₂?6H₂O таким образом, чтобы полученный осадок с общей формулой Mg_xCa_(3-х)(PO₄)₂, имел соотношение Са/Mg = 1,35/0,15. Высушенный и обожженный при Т=1500 ⁰С материал представляет собой б-модификации магнийзамещенного ТКФ - прекурсора для получения апатитового цемента.

Другим способом получения магнийзамещенных фосфатов кальция является твердофазный синтез, в ходе которого при Т=1100 ⁰С в течение 5 часов из смеси исходных компонентов Mg(OН)₂, MgHPO₄•3H₂O, CaHPO₄•2H₂O и СаСО₃ образуется магнийзамещенный в-трикальцийфосфат (магнийзамещенный ТКФ) с общей формулой Mg_xCa_(3-х)(PO₄)₂, где 0<х<3. Биоцементы, синтезированные из полученных магнийзамещенных ТКФ, имеют более длительные сроки схватывания и повышенные показатели прочности, не имеющие прямолинейной зависимости с концентрацией ионов магния. На магнийсодержащем брушитовом цементе клетки, хотя и меньше, чем на позитивном контроле, дифференцируют и пролиферируют [5, р. 1534].

В связи с указанием в литературе на улучшение прочностных характеристик брушитового цемента при введении ионов магния и благоприятное влияние магнийсодержащих цементов на цитосовместимость и клеточную активность, целью данной работы явилось получение реакционно-связанного материала путем прессования магнийсодержащего брушитового цемента и исследование возможности создания на его основе 3D-имплантатов, точно повторяющих формы костных дефектов.

Образцы брушитового цемента, не содержащие ионов магния, были получены затворением смеси в-трикальцийфосфата с монокальцийфосфатом моногидратом (Вектон, СПб, Россия) в весовом соотношении 3:2 по реакции:

магнийсодержащий имплантат брушит

b-Ca₃(PO₄)₂ + Ca(H₂PO₄)₂ЧH₂O + 7H₂O ® 4CaHPO₄Ч2H₂O

Магнийсодержащая модификация брушитового цемента была получена при взаимодействии магнийзамещенного трикальцийфосфата с монокальцийфосфатом моногидратом (Вектон, СПб, Россия) в весовом соотношении 3:2 по реакции:

b - (Ca/Mg)₃(PO₄)₂ + Ca(H₂PO₄)₂ЧH₂O + 7H₂O ® 4 (Ca/Mg) HPO₄Ч2H₂O

Трикальцийфосфат получали смешением компонентов СаНРО₄, СаСО₃ в мольном соотношении Са/P=1,5 и последующим обжигом при Т=1000 ⁰С. Магнийзамещенные ТКФ получали смешением компонентов СаНРО₄, СаСО₃, Mg₂P₂O₇, Mg(OH)₂, соответственно в мольном соотношении Са(Mg)/P = 1,5. Общая формула магнийсодержащего трикальцийфосфата Mg_xCa_(3-х)(PO₄)₂, где х = 0; 0,75; 1,5; 2,25; 3. В дальнейшем магнийзамещенные ТКФ обжигали при Т=1000 ⁰С.

Подпрессовку образцов проводили на гидравлическом прессе П-10 при давлении 10-30 МПа. Полученные образцы хранили в воздушно-влажных условиях при Т=20 ⁰С.

Определение прочности на изгиб и сжатие образцов-балочек размером 10Ч10Ч30 мм через 1 сутки после формования осуществляли по стандартной методике с помощью универсальной испытательной машины Р-05.

Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре «ДРОН-3М» с ионизационной регистрацией лучей при CuKб ? излучении с никелевым фильтром. Рентгенограммы снимали в диапазоне углов 2и=20-50 град после твердения в течение 1 суток. Расшифровку рентгенограмм проводили в соответствии с карточками базы ICDD PDF-2.

Рентгеновские дифрактограммы синтезированных магнийзамещенных фосфатов кальция показаны на рис. 1. При х=0 образуется трикальцийфосфат, являющийся смесью двух соединений, кристаллизующихся в различных сингониях: ромбоэдрической и орторомбической. При х=0,75 в составе образованного магнийзамещенного фосфата кальция присутствуют трикальцийфосфат, имеющий структуру минерала витлокита и фаза Ca₃Mg₃(PO₄)₄; Са₃(РО₄)₂ в орторомбической сингонии при введении магниевых соединений не образуется. При х=1,5 образуется только фаза Ca₃Mg₃(PO₄)₄, которая при увеличении х до 2,25, присутствует вместе с Mg₃(PO₄)₂, имеющим структуру минерала фаррингтонита. При х=3 образуется тримагнийфосфат, идентифицированный как смесь двух тримагийфосфатов с различными кристаллографическими свойствами.

Для получения реакционно-связанного материла на основе безмагниевого и магнийзамещенного брушитового цемента с повышенными значениями прочности проводят подпрессовку влажной порошковой смеси, полученной смешением синтезированных фосфатов магния с общей формулой Mg_xCa_(3-х)(PO₄)₂ с монокальцийфосфатом моногидратом при давлениях от 10 до 30 МПа.

При взаимодействии цементной смеси с водой происходит кислотно-основное взаимодействие трикальцийфосфата или магнийзамещенного ТКФ с монокальцийфосфатом моногидратом, гидратация с последующим образованием цементного камня.

Твердение цемента обусловлено срастанием микрокристаллов образовавшихся кристаллогидратов вследствие того, что их объем превышает объем исходных фаз в твердеющей системе.

Рентгенограммы фосфатов с общей формулой Mg_xCa_(3-х)(PO₄)₂ (х - содержание ионов Mg²⁺)

Механическая прочность затвердевшего цементного камня определяется в большей степени прочностью и количеством контактов между частицами, которое обусловлено их размером и способом их упаковки, что связано с пористостью. Поскольку предельная прочность материалов экспоненциально снижается с увеличением их пористости, то уменьшение начальной пористости в ходе подпрессовки материала за счет выжимания «лишней» жидкости, не участвующей в процессе гидратации, приводит к снижению пористости и повышению прочности. Прочностные характеристики реакционно-связанного материала при х=0,75 в исходном Mg_xСа_(3-x)(РО₄)₂незначительно ухудшаются (рис.), тогда как при дальнейшем увеличении содержания магния с исходном фосфате, его прочность имеет тенденцию к постоянному увеличению.

Механическая прочность реакционно-связанного материала (х - содержание ионов Mg²⁺ в Mg_xСа_(3-x)(РО₄)₂)

Составы х=0,75 и х=1,5 отличает присутствие значительного количества монетита (СаНРО₄) кроме целевых фаз гидрофосфатов кальция и магния (брушита СаНРО₄•2Н₂О и ньюберита MgНРО₄•3Н₂О), что подтверждается данными рентгенофазового анализа (рис. 3). В составе х=0,75, видимо, именно наличие монетита снижает прочность, что связано, как мы полагаем, с формой кристаллов, имеющих призматическое строение и уменьшением количества контактов между частицами. Дальнейшее увеличение прочности связано с присутствием ньюберита (MgHPO₄•3H₂O). Кроме целевых фаз в составе реакционно-связанного материла наблюдается присутствие исходных Ca₃(PO₄)₂ и Mg₃(PO₄)₂.

Рентгенограммы цементного камня (х - количество ионов Mg²⁺ в Mg_xСа_(3-x)(РО₄)₂)

Трехмерные технологии активно используют при изготовлении имплантатов для ортопедии и травматологии. С помощью томографа и компьютерного моделирования производят проектирование трехмерной модели индивидуального имплантата. В данном исследовании использовали томографическое изображение голени крысы линии «Вистар». В исходном файле stl-формата описание сканированной поверхности поврежденной кости представлено списком координат вершин треугольников, количество которых определяет точность ее воспроизведения Визуализация данных в виде полигональной модели с помощью графического редактора CAD-программы предполагает использование методов полигонального моделирования и выборочное частное или комплексное оперирование элементами (примитивами) больших геометрических массивов, что позволяет с высоким приближением воспроизводить форму утерянного фрагмента костной ткани (рис.).

Трехмерное изображение, полученное с помощью компьютерной томографии, и смоделированный 3D-матрикс

По экспортированной в CAM-программу полигональной модели, которая является «позитивом» костного дефекта, повторяющим его форму, можно отфрезеровать на трехкоординатном станке из прессованного матрикса индивидуальный имплантат, форма которого в точности повторяет трехмерную модель (рис.).

Индивидуальный имплантат, полученный на фрезеровальном станке

В данной работе показана возможность получения индивидуальных 3D-имплантатов для костной пластики из магнийсодержащего реакционно-связанного материала на основе брушита и ньюберита, обладающих повышенными прочностными характеристиками. Индивидуальные 3D-имплантаты точно повторяют форму костного дефекта, что обеспечивает плотное прилегание к костному ложу и является важным аспектом при регенераторном подходе восстановления поврежденной костной ткани. Для ускорения процессов остеоинтеграции установка имплантатов может проводиться с помощью цементных паст исходного состава.

Список литературы

1. 6,733,582 B1 United States. Brushite hydraulic cement stabilized with a magnesium salt / Bohner M., Matter S.; Assignee: Dr. H.C. Robert Mathys Stiftung; Stratec Medical AG - №10/149,035; field: 02.07.02; date of patent 11.05.04.

2. Yua Y. Evaluation of inherent toxicology and biocompatibility of magnesium phosphate bone cement / Yua Y., Wangb J., Liub C. and others // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. - 2010. - V. 76. - 496 - 504.

3. Ewald А. Effect of cold-setting calcium - and magnesium phosphate matrices on protein expression in osteoblastic cells / Ewald А., Helmschrott K., Knebl G. and others // J. of biomedical materials research b: applied biomaterials. - 2011. - V. 96 B. - Issue 2.

4. Pina S. Injectability of brushite-forming Mg-substituted and Sr-substituted a-TCP bone cements / Pina S., Torres P.M.C., Ferreira J.M.F. // J. Mater.: Mater. Med. 2010. - V. 21. - Р. 431 - 438.

5. Klammert U. Phase composition, mechanical performance and in vitro biocompatibility of hydraulic setting calcium magnesium phosphate cement / Klammert, Reuther T., Blank M. and others // Acta Biomaterialia. - 2010. - V. 6. - P. 1529-1535.

Размещено на Allbest.ru