Структура і властивості природної кістки

Синтез і властивості гідроксилапатиту. Неорганічні фази у кістки дорослої людини. Кераміка на основі гідроксиапатиту. Армування кераміки дисперсними частинками, дискретними і безперервними волокнами. Аналіз дифракційних картин гідроксилапатиту кальцію.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

ВСТУП

Розробка матеріалів для медицини є однією з найважливіших завдань сучасного матеріалознавства [1-4]. Найбільш перспективні для застосування в кістковій хірургії матеріали на основі гідроксиапатиту (ГАП) Са10(РО4)6(ОН)2, який виявляє здатність до утворення безпосереднього зв'язку з кістковою тканиною і характеризується остеокондуктівнимі поведінкою, стійкістю до біорезорбціі і відсутністю негативних реакцій організму [1-5]. Біологічну поведінку керамічних матеріалів на основі ГАП залежить від багатьох факторів, в тому числі від їх хімічного і фазового складу, мікроструктури, розміру та змісту пор.

У хірургії використовують як щільно спеченим, так і пористу кераміку, в залежності від вимог, що пред'являються до несучої здатності імплантується пристрою.Пориста кераміка має низьку міцність, тому її можна використовувати або для імплантації в тканини, що не несуть значних навантажень (операції на середнє вухо, деякі щелепно-лицьові операції), або як засіб для локалізований доставки лікарських препаратів [11]. Пори в імплантаті необхідні для остеоінтеграції. Цей процес залежить від розміру, кількості та ступеня взаємозв'язку пор. Вважають, що мінімальний розмір пор, необхідних для проростання кісткової тканини в імплантат, становить 100-135 мкм; чим більше їх зміст і ступінь взаємозв'язку, тим ефективніше протікають процеси проростання і фіксації кісткової тканини. Розмноженню остеогенних клітин передує адсорбція протеїнів, отже, наявність також і тонких, субмікронних пір, порівнянних за розміром з протеїнами плазми крові, має сприяти біоінтеграціі [11]. Таким чином, необхідна кераміка з бімодального розподілом пор.

Особливий інтерес представляють гранули з ГАП, які знайшли застосування, наприклад в щелепно-лицевої хірургії та системи доставки лікарських препаратів. Гранули можуть бути виготовлені різними способами, включаючи дроблення блоків з подальшою обкаткою, розпилювальної сушінням, загартуванням в рідину, гідротермальних синтезом з отриманням нерегулярної або близькою до сферичної геометрії.Остання краще як для запобігання запальної реакції організму, так і для процесу остеоінтеграції [13].

На основі пористої кераміки можуть бути створені композиційні матеріали, наприклад просоченням порового простору полімером. Це дозволить підвищити міцність до рівня, необхідного для застосування матеріалу як кісткового імплантату, що несе значні навантаження. Багато із зазначених завдань, зокрема технологія пористих гранул сферичної форми, кераміки з бімодального розподілом пор, композиційних матеріалів на основі ГАП не можна розглядати як повністю вирішені, незважаючи на їх актуальність у зв'язку з потребами сучасної медицини.

1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Структура і властивості природної кістки

Важливо знати фізичні, хімічні та механічні властивості природної кістки, тому що вони дають необхідні кількісні орієнтири при розробці нових матеріалів для виготовлення медичних імплантатів. Кістка живої людини є складно влаштованою, активно функціонуючою і безперервно змінючуїмся протягом життя органом. Структурно-функціональною одиницею кістки є остеон, що представляє собою мікроскопічну систему кісткових трубок (циліндрів) вставлених один в одного. Центром системи є живильний канал діаметром від 10 до 100 мкм, усередині якого проходить кровоносну капіляр. Кількість кісткових циліндрів, складових остеон, може коливатися від 4 до 20. З остеонів складається компактна речовина кістки, а губчасту речовину кістки представляє собою пористу матрицю (рис.1.1). Зовні кістка вкрита тонкою сполучною тканиною (окістям), що містить судини і нерви, які проникають в товщу кістки через так звані живильні отвори. Внутрішній шар окістя містить велику кількість остеобластів, за рахунок яких відбувається ріст кістки [10].

а б

Рис. 1.1 - Структура компактної (а) і губчастої (б) кістки дорослої людини.

Кістка є кераміко-рганічною композиційним матеріалом, головними складовими якого є колаген (20%), фосфат кальцію (69%) і вода (9%). Інші органічні матеріали, типу білків, полісахаридів, ліпідів і т.д. представлені в малих кількостях [21]. Колаген знаходиться всередині кісткової тканини у вигляді мікроволокондіаметром від 100 до 2000 нм. Фосфат кальцію у вигляді закристалізованій ГАП забезпечує жорсткість кістки. Кристали ГАП мають вигляд голок приблизнодовжиною 40-60 нм, шириною 20 нм, і товщиною 1,5-5 нм [10]. Мінеральний компонент кістки, хоча і подібний ГАП, але він містить домішки іонів фтору, магнію,натрію та ін [1] (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 - Зміст неорганічних фаз у кістки дорослої людини.

Елементи	Кількість^ %
Кальцій	34,8
Фосфор	15,2
Натрій	0,9
Магній	0,72
Калій	0,03
Карбонати	7,4
Фтор	0,03
Хлор	0,13
Пірофосфати	0,07
Інші елементи	0,04

Кістка дуже неоднорідна по мікроструктурі і механічними властивостями. Механічні властивості визначаються пористістю (зміст пір варіюється від 5 до 95%), ступенем мінералізації і орієнтацією волокон колагену [21]. Наприклад, кортикальна кістка є композиційним матеріалом, на наноструктурних рівні представляють собою взаємопроникливий каркас, що складається з мінералів на основі ГАП і волокон колагену. Даний каркас формує шарувату мікроструктуру, яка, у свою чергу, є основною для орієнтованих циліндричних утворень на макрорівні [14]. Така складна структура обумовлює високу міцність і, особливо, опір руйнуванню кісткової тканини, у відповідності з відомими уявленнями механіки руйнування композиційних матеріалів з тендітними матрицями [7-9]. Тверді тканини зубів містять меншу кількість органічної складової, але мінеральна частина дентину складається з циліндричних кристалів ГАП, орієнтованих по площинах з кристалічної решітки, що обумовлює анізотропію механічних властивостей [1]. У табл. 1.2 наведені дані по міцності та модуля нормальної пружності кортикальної кістки, дентину та зубної емалі. Різниця у властивостях цих тканин визначається відмінностями в складі і мікроструктурі. Згідно з даними [1,10], міцність при стисненні губчастої речовини з проксимальної області болипеберцовой кістки становить всього лише близько 3,5 МПа, міцність цієї речовини з головки кульшового суглоба дорівнює 1-15 МПа, а міцність кортикальної кістки верхньої суглобової поверхні болипеберцовой кістки - 3-23 МПа. За деякими оцінками, міцність кортикальної кістки може досягати значення 150 МПа [1].

Таблиця 1.2 - Механічні властивості твердих тканин.

Тканина	Міцність при стисканні, МПа	Міцність при розтягуванні, МПа	Модуль нормальної пружності, ГПа:
Кортикальна тканина кістки	88-164	89-114	3,9-11,7
Дентин	295	52	18,2
Емаль	384	10	82,4

1.2 Синтез і властивості гідроксилапатиту

Існує кілька методів отримання порошку ГА [3]:

1. Мокрі (жидкофазная);

2. Сухі (твердофазні);

3. Гідротермальні.

У залежності від методу, може бути отриманий порошок з різною морфологією, питомою поверхнею, стехіометрією і рівнем кристалізації.

Мокрі способи припускають утворення осаду ГА з застосуванням реакції осадження в результаті змішування водних розчинів сполук, що містять іони

Ca2 + і (PO4)3, при збереженні рН більше семи і витримуванні осаду у відповідних умовах. В якості джерел іонів кальцію в більшості випадків використовують CaCl2, Ca(NOa)2, Ca(OH)2, CaCO3, CaSO4-2H2O, (CH3COO)2Ca та ін, а як джерело фосфору використовують H3PO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, Na3PO4 і K3PO4. Для регулювання рН застосовують газоподібний аміак, NH4OH і NaOH. У мокрих методах вельми характерне утворення на початковій стадії осаду, що не відповідає складу ГАП. При витримці первісного осаду фосфату кальцію у відповідних умовах, у ньому збільшується співвідношення Са/Р і відбувається...