КОЛЛАГЕН-АПАТИТНАЯ СТРУКТУРИРОВАННАЯ МАТРИЦА
ДЛЯ КОСТНЫХ ИМПЛАНТАНТОВ
Горшенев В.Н., Просвирин А.А., Аббасов Т.А., Склянчук Е.Д., Гурьев В.В., Телешев А.Т., Акатов В.С., Фадеева И.С., Фадеев Р.С.
Введение. Проблема восстановления целостности костей после их повреждений и заболеваний характеризуется растущей актуальностью и высокой социально-экономической значимостью. Мировой клинический опыт лечения патологии костного сращения и дефектов костей постоянно доказывает, что применение костно-пластических материалов в реконструктивной хирургии является одним из решающих факторов достижения положительного результата операции. Среди наиболее эффективных материалов для достижения этой цели была и пока остается аутогенная костная ткань, трансплантация которой позволяет обеспечить кондуктивное и индуктивное стимулирующее воздействие на остеогенез с одной стороны, и является исключительно безопасной с точки зрения переноса инфекции с другой [2, 4]. Однако, как известно, применение аутотрансплантатов ограничено забором костной ткани у пациента, а имеющиеся остеопластические материалы, как природного происхождения, так и искусственные, недостаточно совершенны [1, 3]. Соответственно, поиск и разработка альтернативных биокомпозитов, эффективных для проведения реконструктивных хирургических операций в различных областях медицины, являются крайне актуальными. По химическому и минеральному составу к живой кости наиболее подходят биоактивные материалы на основе минералов группы апатита и коллагена. Однако при создании искусственных коллаген-апатитовых материалов технологические вопросы регулирования пористости материала, управления формированием его структурности и прочности далеки от решения. В то же время известно, что именно эти параметры являются принципиально важными для максимального проявления материалом свойства остеокондукции в ходе репаративной регенерации кости.
Целью исследования являлась изучение остеогенных свойств разработанного нами коллаген-апатитового материала, образующего пористый матрикс с физико-химическими свойствами, обеспечивающими достаточную прочность материала и его высокую биосовместимость с оптимальной структурной организацией для роста клеток.
Материалы и методы. Синтез гидроксиапатита осуществлялся в роторно-пульсационном аппарате лабораторного типа путём добавления к раствору нитрата кальция фосфата аммония и постоянном движении растворов и продукта осаждения через фильеры мешалки. Образование частиц гидроксиапатита протекало по реакции (1):
6(NH4)2HPO4+10Ca(NO3)2+8NH4OH®Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O (1)
Пульпу фильтровали на вакуум-фильтре. Остаток на фильтре промывали горячей водой до рН 6,5-7,0.
Для получения коллаген-гидроксиапатитового биокомпозита близкого по составу к кости человека синтез гидроксиапатита проводился непосредственно в гидрозоле коллагена при температуре 60-70ºС по реакции (2):
6CaHPO4·H2O + 4Ca(OH)2 ® Са10(РO4)6(ОН)2 + 12Н2O (2)
При охлаждении до комнатной температуры образовывался белый однородный твердый гель, из которого пористые биокомпозиты получали путём замораживания и последующего лиофильного высушивания [5].
Элементный анализ частиц гидроксиапатита проводили с помощью лазерного масс-спектрометра «ЭМАЛ-2».
Изучение структуры коллаген-гидроксиапатитовых образцов выполнялось с помощью ультразвуковой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии (Neon40EsB-35-09) после обработки материала коллоиднографитовой суспензией.
Параметры пористой структуры материала определяли из изотермы адсорбции паров азота при температуре 77К, измеренной на автоматической вакуумной адсорбционной установке «GRAVIMAT–4303» с чувствительностью 1 мкг при навеске до 100 мг в интервале относительных давлений от 0,0001 до 0,1.
Определение деформационно-прочностных свойств образцов биокомпозитов проводили на испытательной машине (LoYD INSTRUMENT LRX plus).
Результаты и их обсуждение.
Основными элементами, составляющими синтезированный гидроксиапатит, являются: кислород, фосфор и кальций (табл.1).
Полученные данные удовлетворительно совпадают с расчетными данными для брутто-формулы Ca10P6O26H2: P 18.4987(±2)%, Ca 39.893(±4)%. Плотность композиционного коллаген-гидроксиапатитного материала составляет 0,2 г/см3 с содержанием гидроксиапатита 60 масс.%. Биокомпозит нейтрален по pH, при изготовлении легко формуется. После лиофильной сушки готовый образец представляет собой материал белого цвета с пористой поверхностью (рис.1).
Таблица 1
Результаты элементного анализа синтезированного гидроксиапатита
Элемент | % атомные | % массовые |
P | 13,9385 | 18,1586 |
O | 61,7077 | 41,5188 |
Ca | 23,6618 | 39,8805 |
Рис.1 Фотография внешнего вида материала
Материал гидрофилен, в воде он с течением времени (10 дней) превращается в желеобразную текучую массу. Поэтому образцы дополнительно модифицировали 5% раствором глутарового альдегида. В результате образования сшивки между коллагеновыми волокнами биокомпозит приобретает устойчивость в воде, хорошо сохраняет свою форму и структуру. В сухом виде материал имеет прочность на сжатие 2 МПа (рис.2А) и значительную величину разрывной деформации ε,%=65.
Рис.2 Деформационно-прочностные зависимости для образцов биокомпозитов сшитых глутаровым альдегидом на сжатие до (А) и после насыщения водой (Б)
В водной среде с течением времени становится эластичным и снижает прочность на сжатие до 0,5 МПа (Рис.2Б). Нелинейный характер кривой деформации биокомпозита можно объяснить сжатием перегородок пористого материала по мере увеличения на него нагрузки.
Поверхность материала при электронной микроскопии имеет сложную структурно-рельефную организацию. В соответствии с размерами можно условно выделить макропористость (1) 100-200 мкм, крупные поры (2) 10-50 мкм, мелкие поры (3) в пределах 1 мкм и нанопористость (4) 50-200 nм (рис.3).
Рис.3. Структура поверхности коллаген-гидроксиапатитного материала
1 – макропористость, 2 – крупные поры, 3 – мелкие поры, 4 – нанопористость. Сканирующая электронная микроскопия.
Объемно-структурные характеристики материала изучены в водной среде с применением ультразвуковой микроскопии (рис.5).
Рис.5 Сонографическая структура коллаген-гидроксиапатитного образца
а – поперечный срез, б – продольный срез. Ультразвуковая микроскопия в водной среде. Крупные светлые участки соответствуют пузырькам воздуха, мелкие – отражениям от структуры образца, темные – отражение от жидкой среды.
При данном исследовании была выявлена высокая структурная однородность образца с большим количеством мелких равномерно расположенных воздушных включений (участки белого цвета). Представленные структурные взаимоотношения на сканах поперечного (а) и продольного (б) срезов оказались однотипными во всем объеме образца. Участки темного цвета, являющихся отражением сигнала от жидких сред, также имеют равномерное распределение в структуре материала, иллюстрируя высокую насыщаемость водой и тем самым характеризуя открытость множественных полостей биокомпозита.
Рис.6 Гистологический препарат коллаген-гидроксиапатитового материала через 5 суток после имплантации в дефекте черепа крысы
а – имплантированный материал, б – экссудат, свободно лежащие элементы крови (гематомы), разбросанные по всему полю клетки моноцитарно-макрофагального типа. Окраска: гематоксилин и эозин, х 400.
Имплантация материала в дефект черепа крысы подтверждает наличие пористости его структуры. Как на периферии, так и в центральной части костного дефекта к 5 суткам эксперимента (рис.6) материал представлен рыхло расположенными участками звездчатой формы (а), пространства между которыми полностью заполнены экссудатом, свободно лежащими элементами крови (гематомы) и расположенными повсюду клетками моноцитарно-макрофагального типа (б). Обращает на себя внимание отсутствие выраженной лейкоцитарной реакции и признаков хронизации воспалительного ответа на имплантированный в костный дефект материал.
Выводы: 1) Разработанный остеопластический материал имеет пористую структуру и состав, приближенный к нативной кости по процентному соотношению содержания коллагена и гидроксиапатита; 2) материал нейтрален по рН, высоко гидрофилен; 3) технология производства материала позволяет интегрировать в его состав белки индукторы, культуральные среды, лекарственные препараты.
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда РФФИ, проект 13-08-01006.
Список литературы
2024© semashko.com
ЧУЗ “КБ ”РЖД-Медицина” им Н.А. Семашко” использует cookie. Файлы cookie хранят полезную информацию на вашем компьютере для того, чтобы мы могли улучшить оперативность и точность нашего сайта для вашей работы. В некоторых случаях файлы cookie необходимы для обеспечения корректной работы сайта. Вы можете запретить сохранение cookie в настройках своего браузера.
Ознакомьтесь с политикой конфиденциальности.
Создание сайтов - Medafarm STUDIO