Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Коллоидно-химические аспекты синтеза нанокристаллического кгап и его практическое применение 12
1.1 Биоапатит в кальцинированных тканях живых организмов 12
1.1.1 Структура и химический состав биоапатита 12
1.1.2 Природа дефицита кальция в биоапатите 15
1.1.3 Биологическая роль карбонат-ионов в организме 16
1.2 Структурно-морфологические и коллоидно-химические свойства КГАП
как кристаллохимического аналога биоапатита 16
1.2.1 Кристаллохимия карбонатсодержащего гидроксиапатита 16
1.2.2 Влияние строения кристаллов КГАП на их коллоидно-химические свойства 18
1.3 Методы синтеза карбонатсо держащего гидроксиапатита 20
1.3.1 Методы твердофазного синтеза 21
1.3.2 Растворные методы 21
1.4 Коллоидно-химические особенности формирования КГАП 23
1.5 Области применения КГАП 29
Выводы по литературному обзору 30
ГЛАВА 2 Методы синтеза и исследования объектов 34
2.1 Синтез нанокристаллического КГАП методом химического осаждения из водного раствора 34
2.2 Определение величины дзета-потенциала синтезированного КГАП... 36
2.3 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) 36
2.4. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) 37
2.5 Метод рентгенофазового анализа (РФА) 37
2.6 Определение величин удельной поверхности и пористости образцов КГАП методом БЭТ 37
2.7 ИК-Фурье спектроскопия з
2.8 Метод термогравиметрического и дифференциального термического анализа 38
2.9 Методы определения химического состава образцов КГАП 39
2.10 Определение биорезорбируемости КГАП «in vitro» 40
2.11 Оценка биосовместимых свойств КГАП «in vivo» 41
2.12 Исследование влияния КГАП на реакцию эритроцитов 42
2.13 Оценка эффективности извлечения катионов тяжелых металлов
карбонатсодержащим гидроксиапатитом из человеческой крови 43
2.14 Определение сорбционной активности образцов КГАП по отношению к катионам тяжелых металлов Pb2+, Cd2+ 44
2.15 Определение десорбции ионов тяжелых металлов 45
ГЛАВА 3 Изучение технохимических закономерностей синтеза кальций-дефицитного КГАП 47
3.1 Внедрение СОз2" ионов в структуру гидроксиапатита 47
3.2 Влияние степени замещения карбонат-ионов объемно-поверхностные характеристики КГАП 53
3.3 Исследование технохимических параметров синтеза КГАП 55
3.4 Условия получения кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита 64
Выводы по главе 70
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования коллоидно-химических и медико-биологических свойств кальций-дефицитного КГАП 73
4.1 Проведение экспериментальных исследований коллоидно-химических свойств КГАП 73
4.1.1 Исследование электроповерхностных свойств КГАП 73
4.1.2 Влияние кальций-дефицитного КГАП на реакцию эритроцитов... 75
4.1.3 Оценка эффективности извлечения ионов тяжелых металлов кальций-дефицитными КГАП из крови человека 76
4.1.4 Исследование сорбционной активности КГАП по отношению к катионам тяжелых металлов 77
4.2 Проведение экспериментальных исследований медико-биологических свойств КГАП 87 4.2.1 Оценка резорбируемости КГАП «in vitro» 87
4.2.2 Оценка биосовместимости КГ АП «in vivo» 89
Выводы по главе 92
ГЛАВА 5 Опытно-производственная апробация синтетического нанокристаллического КГАП 94
5.1 Описание технологической и аппаратурной схемы производства нанокристаллического кальций-дефицитного КГАП 94
5.2 Выпуск и испытание кальций-дефицитного КГАП опытно промышленной партии 100
5.3 Технико-экономические показатели новой продукции 103
Выводы по главе 104
Заключение 106
Список сокращений и условных обозначений 109
Список литературы ПО
- Биологическая роль карбонат-ионов в организме
- Растровая электронная микроскопия (РЭМ)
- Исследование технохимических параметров синтеза КГАП
- Выпуск и испытание кальций-дефицитного КГАП опытно промышленной партии
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка новых способов получения
наноструктурированных материалов, особенно биомиметических
наноматериалов медицинского назначения в настоящее время относится к активно развивающимся направлениям современной коллоидной химии.
Наиболее близким аналогом биоапатита в кальцинированных тканях
человека и животных является синтетический наноразмерный кальций-
дефицитный карбонатсодержащий гидроксиапатит
(КГАП - Ca10d(HPO4)x(PO4)6_xy(CO3)y(OH)z.nH2O). Он обладает оптимальными
остеокондуктивными свойствами, наиболее эффективно способствует образованию новой кости и обладает высокими сорбционными свойствами. Инновационные материалы на основе КГАП находят широкое применение в стоматологии, реконструктивно-восстановительной костной хирургии, ортопедии, а также в качестве сорбента для извлечения ионов тяжелых металлов из природных сред.
Известно, что кристаллы биоапатита являются наноразмерными и в биологической среде (рН>7) обладают отрицательно заряженной поверхностью. Поскольку частицы биоапатита, находящиеся в межтканевой жидкости, непосредственно взаимодействуют с биологическими тканями, молекулами и ионами, то в межфазном взаимодействии важную роль играет поверхностный заряд биоапатита.
Автор диссертационной работы исходил из предположения, что электрокинетический потенциал наночастиц гидроксиапатита (ГАП) во многом определяется степенью дефицитности кальция и гидроксиапатит с максимальным подобием по химическому составу и структуре биологическому апатиту, обладает оптимальными биорезорбируемыми, биосовместимыми и сорбционными свойствами.
В литературе недостаточно сведений о получении нанокристаллического кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита, максимально близкого по составу и структуре с биоапатитом. Существующие способы не позволяют получать наноструктурированый КГАП с заданными коллоидно-химическими свойствами, прежде всего, в отношении регулирования дефицита кальция, величины и знака поверхностного заряда.
Целью настоящей работы является разработка нового способа синтеза нанокристаллического кальций-дефицитного КГАП с заданными составом, структурой и поверхностным зарядом, обеспечивающего получение резорбируемых биосовместимых материалов нового поколения, предназначенных для применения в различных областях медицины.
В связи с этим потребовалось решить следующие задачи:
- выявить особенности внедрения ионов СОз2" в структуру
гидроксиапатита;
- определить оптимальные технохимические параметры синтеза КГАП с
управляемыми составом и структурой;
- получить нанокристаллический кальций-дефицитный
карбонатсодержащий гидроксиапатит смешанного типа с требуемыми
степенями дефицитности кальция;
- выявить взаимосвязь степени дефицитности кальция и
электрокинетического потенциала частиц КГАП;
- провести изучение сорбционных свойств КГАП по отношению к ионам
тяжелых металлов;
- протестировать медико-биологические свойства синтезированного
КГАП in vitro и in vivo.
Научная новизна:
Выявлены закономерности формирования структурно-морфологических и коллоидно-химических характеристик синтетических карбонатсодержащих гидроксиапатитов в зависимости от технохимических параметров синтеза, позволяющие получать нанокристаллический кальций-дефицитный КГАП смешанного типа с заданным содержанием карбонат-анионов, управляемой степенью дефицитности кальция и поверхностным зарядом.
Обнаружено, что при температуре выше 650 С начинается разложение КГАП с образованием ГАП и СаСОз, причем источником СОз2" в карбонате кальция является СОз2" из позиции Б карбонатсодержащего гидроксиапатита.
Установлено, что повышение в структуре степени дефицитности кальция позволяет увеличить удельную поверхность КГАП до 184 м2/г, что в 2-3 раза больше по сравнению с немодифицированным гидроксиапатитом.
Показано, что величина заряда поверхности и скорость резорбции КГАП целенаправленно управляется варьированием степени дефицитности кальция: чем больше степень дефицитности кальция, тем выше значения отрицательного заряда и скорости резорбции.
Определено, что сорбционная емкость синтезированного кальций-дефицитного КГАП в модельных средах по отношению к ионам тяжелых металлов в 3-5 раз превышает сорбционную емкость известных кальций-фосфатных биоматериалов. При этом сорбция ионов тяжелых металлов на полученных образцах КГАП реализуется, в основном, по механизму изоморфного замещения ионов Са2+ на ионы тяжелых металлов.
Практическая значимость:
Разработан способ получения нанокристаллического кальций-дефицитного КГАП смешанного типа с требуемыми параметрами: дефицитностью кальция, величиной и знаком поверхностного заряда.
Оптимизированы технохимические параметры синтеза: массовая доля раствора Н3РО4 10-20 масс. %; скорость подачи кислоты 0.5-5 мл/мин; скорость перемешивания 1200-2000 об/мин; температура процесса синтеза 0<Т<60 С; время созревания т>12 ч.; степень замещения карбонат-ионами 0.25<у<1.5 (массовая доля СОз2" ~ 1.5-9.7%); мольное соотношение Са/(Р+С) в интервале 1.50-1.62, позволяющие получать частицы КГАП с заданным составом и структурой.
Показана перспективность синтезированного кальций-дефицитного КГАП в качестве сорбента для извлечения ионов свинца.
Разработаны физико-химические основы технологии производства нанокристаллического кальций-дефицитного КГАП как компонента для изготовлении медицинских изделий различного функционального назначения, в том числе стоматологических материалов.
Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований использованы в учебном процессе НИУ «БелГУ» в дисциплине: «Химическое материаловедение».
Основные положения работы, выносимые на защиту:
- особенности внедрения ионов СОз2" в структуру гидроксиапатита;
оптимальные техно-химические параметры синтеза для получения нанокристаллического кальций-дефицитного КГАП смешанного типа с заданным содержанием карбонат-анионов и управляемой степенью дефицитности кальция;
зависимость электрокинетического потенциала кальций-дефицитного КГАП от степени дефицитности кальция;
результаты исследования сорбционной активности КГАП по отношению к ионам тяжелых металлов;
результаты оценки биорезорбируемости и биосовместимости полученных образцов КГАП;
- физико-химические основы технологии производства
нанокристаллического кальций-дефицитного КГАП как компонента для
изготовления медицинских изделий различного функционального назначения, в
том числе стоматологических материалов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-практических конференциях: 1) IV Международная научно-практическая конференция «Экология - образование, наука, промышленность и здоровье», Белгород, 2011; 2) VII Международный симпозиум «Фундаментальные и прикладные проблемы науки», Москва, 2012; 3) Всероссийская научная конференция с международным участием «Сорбционные и ионообменные процессы в нано- и супрамолекулярной химии», Белгород, 2014; 4) Всероссийская научно-практическая конференция «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», Томск, 2010-2014; 5) 1st European Conference on Chemical Sciences ««East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH», Vienna, 2015.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, включая 3 статьи в научных журналах из списка ВАК РФ, 2 статьи в зарубежных журналах, входящих в перечень БД Scopus.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, литературного списка и приложений. Работа изложена на 180 страницах машинного текста, включающего 42 рисунка, 19 таблиц, приложение и список литературы из 156 наименований.
Методы исследований. В работе использованы следующие физико-химические методы исследований: рентгено фазовый, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, метод БЭТ, ИК-Фурье
спектроскопии, метод электрофоретического рассеяния света для измерения дзета потенциала, спектрофотометрический, метод инверсионной вольтамперометрии. Использование перечисленных методов позволило произвести комплексную оценку кристаллохимических, структурных и коллоидно-химических свойств нанокристаллического кальций-дефицитного КГАП.
Достоверность результатов работы. Полученные результаты настоящей работы основаны на использовании современного научного оборудования ЦКП НИУ «БелГУ», НИЛ «БелГУ» «Физиология адаптационных процессов» и «Лаборатория химического материаловедения». Работа выполнена в рамках договора об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения № 13.G25.31.0006 от 07.09.2010 г. «Биосовместимые композиционные и кальцийсо держащие остеопластические и лечебно-профилактические материалы для медицины ».
Биологическая роль карбонат-ионов в организме
У биоапатита наблюдается отклонение мольного соотношения Са/Р от стехиометрической величины, а именно биоапатит имеет мольное соотношение Са/Р 1.67, т.е. является кальций-дефицитным. Нестехиометричность химического состава биоапатита в сторону дефицита кальция приводит к повышению его растворимости и, как следствие - к увеличению скорости биорезорбции in vivo [17, 40].
Причины дефицита кальция в структуре биоапатита можно разделить на две основные группы. Первая группа причин связана с химическим модифицированием апатита. Кристаллы биоапатита характеризуются склонностью к изоморфным замещениям в катионной и анионной позициях. Известно, что встраивание карбонат-анионов в структуру биоапатита может приводить к дефициту Са2+ в кристаллах и вызывать внутренние дефекты кристаллической решетки [34,35]. Наряду с этим, ноны НРО42", образующиеся при формировании апатита в слабощелочных средах, могут замещать РО43" в его кристаллической структуре, при этом протон этой группы располагается в позиции атома кальция [41]. Наличие молекул воды на месте ОН-групп в нестехиометричном апатите можно также объяснять присутствием Н+ в позиции кальция.
Вторая группа причин связана с изменением структуры и состава поверхностного слоя кристаллов биоапатита. Теоретическое молярное соотношения Са/Р определяется составом одной элементарной ячейки. В действительности маленькие кристаллы в поперечном сечении состоят более чем из 2-3 элементарных ячеек, а от 1/2 до 2/3 всех элементарных ячеек расположено на поверхности кристаллов [42,43]. Таким образом, состав биоапатита в большой степени соответствует составу ограняющих кристаллы плоскостей. Изменение поверхностного состава кристалла может значительно влиять на общий состав, анализ которого обычно проводится химическими методами. К тому же, каждая свободная поверхность элементарной ячейки может адсорбировать еще о дну-две избыточные PCV" -группы [44], что также приводит к уменьшению стехиометрического соотношения биоапатита.
Биоапатит - не только дефицитен по кальцию, но и всегда содержит значительные количества карбонат-групп. В зависимости от типа кальцинированных тканей и возраста человека, содержание групп СОз2" в КГАП может достигать до 7.4 масс. % (таблица 1.1). Карбонат-группы обеспечивают способность биоапатита адаптироваться к часто меняющимся условиям внутренней биологической среды. Они могут замещать либо ОН -группы (А-тип замещения), либо Р043"-группы (Б-тип замещения). В костных тканях у биоапатита наблюдается смешанный тип замещения [45]. По сравнению с фосфатными ионами карбонат-ионы имеют размер существенно меньше, поэтому при их внедрении возникают локальные искажения кристаллической решетки. Неравномерное размещение карбонатных ионов на поверхности биоапатита может создавать механические напряжения и вакансии в его кристаллической решетке, которые повышают биологическую активность и биорезорбцию.
Кроме того, присутствие карбонат-ионов в костном биоапатите улучшает работу остеокластов и остеобластов - групп клеток, отвечающих за биорезорбцию и непрерывную генерацию костной ткани [46].
С точки зрения близости химического состава, наиболее подходящим на роль заменителей костной ткани является синтетический модифицированный карбонат-ионами гидроксиапатит, а не его немодифицированная форма. Однако, для упрощения описания кристаллической структуры КГАП мы использовали модель строения немодифицированного ГАП, представленного химической формулой Саю(Р04)б(ОН)2. Элементарная ячейка ГАП также может быть представлена формулой: СаІ4СаІІб (Р04)б(ОН)2, где Cal и Call -две различные кристаллографические позиции. Кристаллическая структура ГАП относится к пространственной группе Р6з/т (a = b = 9.432 А и с = 6.881 А) (рисунок 1.2).
В зависимости от координации и симметрии в структуре апатита различают два типа позиций ионов кальция. К первому типу позиции Cal относится случай, когда каждый из четырех атомов кальция связан с девятью атомами кислорода, при этом среднее межатомное расстояние Са-О равен 2.55 А, а объем полиэдра - 30.2 А3. Второй тип позиции Call характеризуется семивершинниками СаОу, т.е. каждый из шести атомов кальция координируется семью атомами кислорода из фосфатных групп и гидроксильных групп со средним межатомным расстоянием Са-О 2.45 А и объемом 22.0 А3 [48-50].
В ряду анионных замещений карбонат является наиболее распространенным ионом в структуре гидроксиапатита. В зависимости от содержания, карбонат-ионы могут занимать два положения в структуре ГАП, замещая ОН" -группы или РО43". При высоком уровне содержания СОз2", фосфатные группы замещаются на карбонат-ионы с образованием вакансий в кальциевой подрешетке, а при низком уровнем содержания СОз2" замещение происходит в позициях гидроксильных групп [51, 52]. Следует отметить, что стехиометрия состава гидроксиапатита и его модифицированных форм является важной характеристикой, которая определяет ряд ценных физико-химических свойств имплантационных биоматериалов [53]. Для модифицированного гидроксиапатита его стехиометрию принята выражать молярным соотношением Са/Р, а для карбонатсодержащего гидроксиапатита - соотношением Са/(Р+С), где углерод соответствует мольной доли карбонат-ионов, занимающих место РО43" группы. На практике часто наблюдалось незначительное отклонение состава гидроксиапатита от его идеальной стехиометрии Са/Р = 1.67. В настоящей работе мы будем условно считать, что стехиометричными являются ГАЛ, в том числе КГАП, имеющие Са/(Р+С) выше 1.65.
Растровая электронная микроскопия (РЭМ)
Согласно данным РФА, кристаллическая фаза всех продуктов синтеза, проведенного при различных температурах, представляет собой гидроксиапатит. При повышении температуры наблюдается увеличение размера кристаллитов КГАП, что коррелирует с соответствующим уменьшением удельной поверхности, (таблица 3.3). Размер кристаллитов изменяется в диапазоне от 10.3 нм (в низкотемпературной области) до 19.5 нм при 80 С. Существенное изменение размера кристаллитов КГАП наблюдается при 60 С. Наши экспериментальные данные хорошо согласуются с мнением о том, что температура 60 С является переходной от кристаллизации монокристаллической к поликристаллической [137].
Изменение среднего размера кристаллитов и величины удельной поверхности КГАП в зависимости от температуры ведения синтеза
Для оценки кажущейся энергии активации АН процесса роста кристаллов, использовали следующее математическое выражение зависимости размера кристаллитов от температуры:
На рисунке 3.8 представлена логарифмическая зависимость LnD, рассчитанная исходя из данных РФА, от обратного значения температуры. Данная зависимость хорошо аппроксимируется линейной функцией. Значение АН, рассчитанное по тангенсу угла наклона прямой составляет 30.5 КДж/моль, что существенно меньше величины 196 КДж/моль [45] кажущейся энергии активации роста зерна, т.е. рост кристаллов лимитируется скоростью диффузии растворенного вещества в растворе. Известно, что с повышением температуры синтеза, с одной стороны, увеличивается подвижность ионов и, следовательно, возрастает количество центров кристаллизации, с другой стороны, интенсифицируется массоперенос и возрастает скорость конкурирующего процесса, т.е. роста новой фазы на возникших центрах кристаллизации [137]. В нашем случае, когда речь идет о синтезе нанокристаллов карбонатзамещенного гидроксиапатита, мы можем интерпретировать результаты эксперимента, как подтверждение гипотезы, что при повышении температуры от 20 до 80 С скорость роста уже образовавшихся зародышей фазы КГАП, превалирует над скоростью образования новых центров кристаллизации. Это можно объяснить исходя из предположения, что число образующихся зародышей пропорционально степени пересыщения. Меньшее число образующихся зародышей предполагает формирование более крупных частиц. В соответствии с принципом Ле Шателье, увеличение температуры синтеза должно приводить к возрастанию растворимости в случае эндотермических процессов и понижению растворимости в случае экзотермических. Процесс образования КГАП можно считать эндотермическим т.к. АН О (АН = 30.5 КДж/моль), поэтому повышение температуры в нашем случае ведет к уменьшению растворимости и, следовательно, увеличению степени пересыщения. Влияние концентрации реагентов. Для изучения влияния концентрации исходных реагентов на размер агрегированных частиц КГАП использовали раствор с 10, 20, 30, 40%-ной ортофосфорной кислоты при фиксировании температуры реакции и других параметров синтеза.
Полученные результаты представлены в таблице 3.4 и на рисунке 3.9. Зависимость размера кристаллитов и удельной поверхности КГАП от концентрации ортофосфорной кислоты Согласно данным по таблице 3.4 и рисунку 3.9 в интервале от 10 до 40% ной Н3РО4 в целом отмечается уменьшение размера кристаллитов КГАП при повышении концентрации ортофосфорной кислоты, приливаемой в реакционную смесь. При использовании 20%-ной ортофосфорной кислоты, размер кристаллитов уменьшается на 40% по сравнению с размером КГАП, полученным из 10%-ной ортофосфорной кислотой. Однако в диапазоне концентраций Н3РО4 от 20 % по 40% наблюдается постепенное увеличение размера кристаллитов. Наименьший размер частиц около 5-6 нм можно получить, в случае применения раствора Н3РО4 в диапазоне концентраций 20 -30 масс. %.
Анализ зависимости удельной поверхности образцов КГАП от концентрации кислоты (рисунок 3.9) показал, что в случае 20% и 30%-ной Н3РО4 удельная поверхность практически одинакова, а для 30%-ной Н3РО4 удельная поверхность возрастает на 12 %.
Влияние скорости перемешивания реагентов на размер частиц КГАП изучали при взаимодействии насыщенного раствора Са(ОН)2 с 10%-ным раствором Н3РО4 и температуре синтеза 20 ± 2 С. Результаты представлены в таблице 3.6.
Зависимость размера кристаллитов и удельной поверхности КГАП от скорости перемешивания реагентов
В целом, с ростом скорости перемешивания в зоне реакции наблюдается тенденция уменьшения размера частиц и, соответствующего, увеличения величины удельной поверхности (рисунок 3.10). Наименьший размер кристаллитов и наибольшая величина удельной поверхности отмечается у образца КГАП, синтезирующийся при 1200 об/мин.
При небольшой скорости подачи ортофосфорной кислоты в зоне реакции (от 1 до 15 мл/мин) отмечается увеличение размера кристаллитов. Однако, с ростом скорости подачи Н3РО4, начиная от 15 мл/мин до случая моментального добавления наблюдается тенденция снижения среднего размера формирующихся частиц КГАП. Известно, что с увеличением скорости создания пересыщения увеличивается ширина метастабильной зоны. В то же время повышение скорости подачи реагентов способствует появлению локальных пересыщений и повышению скорости зародышеобразования [137]. Последний фактор, скорее всего, является доминирующим, что приводит к уменьшению размера первичных частиц КГАП. Для обеспечения максимальной однородности суспензии и оптимальной длительности процесса синтеза при получении частиц КГАП с наиболее совершенной кристаллической структурой дальнейшие исследования мы проводили при скорости подачи Н3РО4 - 0.5-5 мл/мин.
Исследование технохимических параметров синтеза КГАП
Следует отметить значительное различие растворимости у образца КГАП 1.67 и образцов КГАП 1.50 - 1.62. Минимальная растворимость наблюдается у образца КГАП 1.67. При этом образцы кальций дефицитного КГАП (КГАП 1.50 - 1.62) проявляют практически идентичный ход растворения в слабокислом растворе. Резорбируемость кальций-дефицитного КГАП зависит не только от его структуры (в основном зависит степени дефицита по кальцию), но и от величины удельной поверхности. Для независимой оценки вклада степени дефицита исследуемых образцов КГАП были построены временные зависимости приведенной скоростей растворения образцов КГАП (рисунок 4.11). Приведенную скорость растворения КГАП (w, ммоль.л"1.м2.мин"1) вычисляли на основе данных по определению изменения содержания ионов Са2+ в ходе растворения изученных образцов в слабокислой среде: yd
Данные кривые более объективно отражают вклад степени дефицита кальция в процесс резорбции (растворения). Отчетливо видно, что увеличение степени дефицита кальция в структуре приводит к получению более резорбируемых частиц КГАП. На начальных стадиях растворения (до 10 мин) наблюдается высокая начальная скорость растворения КГАП. Скорость растворения постепенно падает на следующих стадиях и затем КГАП продолжает растворяться практически со равномерной скоростью.
Биосовместимость представляет собой избирательное свойство биоматериалов, характеризующее возможность их сосуществования с организмом, при этом сохраняются все функции ткани, ее способности к регенерации [154]. При инокуляции образцов гидроксиапатита под кожу животным установлено, что в зоне повреждения тканей у всех исследуемых групп не наблюдали внешние признаки местной воспалительной реакции. Гистологическое исследование зоны дефекта в группе ложно оперированных животных показало, что степень реакции соединительной ткани на оперативное вмешательство была слабой и составляла менее 0.5 мм. Объем регенераторного процесса составляет 10% площади зоны дефекта.
Исследование зоны дефекта и нижележащих слоев в группе, в которой был инокулирован немодифицированный ГАП, показало наличие соединительнотканной капсулы вокруг образца. Капсула имеет тонкую плотную стенку и повторяет контуры инокулированного материала. Паренхима капсулы менее васкуляризирована, чем её ложе (рисунок 4.12 а). Степень реакции ткани на инокуляцию порошка немодифицированного гидроксилапатита была умеренной и составляла 1.5 мм. Объем регенераторного процесса - 70% площади зоны дефекта. Паренхима капсулы образована волокнами рыхлой и плотной волокнистой соединительной ткани. В соединительнотканном регенерате вокруг частиц материала повсеместно встречаются недифференцированные лимфоцитоподобные клетки и фибробласты (рисунок 4.12 б).
Инокуляция немодифицированным ГАП, соединительнотканная капсула (а), волокнистая соединительная ткань капсулы (б) В группе животных, в которой был инокулирован КГАП, вокруг инокулированного образца формируется плотная соединительнотканная капсула (рисунок 4.13а). Капсулы, сформировавшиеся вокруг КГАП в этой группе, имеет плотную консистенцию, их паренхимы и ложе пронизаны густой сетью кровеносных капилляров. Мелкие сосуды полнокровны, пронизывают все соединительнотканные слои до поперечнополосатых мышц. В соединительнотканном регенерате зоны дефекта фибробласты превалируют над другими клеточными элементами. Паренхима, имеющая обильную васкуляризацию, представлена волокнистыми соединительнотканными структурами. Соединительнотканный регенерат капсул представлен волокнами рыхлой соединительной ткани, которая окружает как частицы КГАП (рисунок 4.136).
Выпуск и испытание кальций-дефицитного КГАП опытно промышленной партии
Синтез гидродисперсии КГАП осуществляется в следующем порядке: -заполнение реактора раствором гидроксида кальция до заданного уровня; - включение перемешивающего устройства; - добавление в реактор ортофосфорной кислоты с определенной скоростью методом объемного дозирования; - добавление в реактор раствора (NH CCb с определенной скоростью методом объемного дозирования; перемешивание образующейся суспензии для обеспечения равномерного распределения реагентов в реакционном объеме; - слив готового объема гидродисперсии КГАП в емкость для отстаивания и созревания.
Заполнение реактора насыщенным раствором гидроксида кальция до заданного уровня производят с помощью насоса самовсасывающего универсального. После заполнения реактора насыщенным раствором гидроксида кальция включают верхнеприводную лопастную мешалку со скоростью вращения 50 об./мин. После чего начинают подачу в реактор раствора ортофосфорной кислоты и (МГ СОз при непрерывной работе верхнеприводной мешалки.
Контроль за процессом синтеза осуществляется автоматически путем непрерывной регистрации значений рН в реакционном объеме. Для измерения рН используют стационарный промышленный рН-метром с погружными электродами. При скорости подачи ортофосфорной кислоты 2-4 мл/мин и объеме раствора гидроксида кальция 50 л процесс синтеза длится 1-1.5 часа.
Водная дисперсия КГАП, полученная в результате синтеза, транспортируется (переливается) в емкости для отстаивания через нижний разгрузочный патрубок сразу после завершения режима перемешивания. Повторный цикл процесса синтеза происходит после заполнения реактора новой порцией раствора гидроксида кальция.
Промывка реактора (емкости) для синтеза карбонатсодержащего наногидроксиапатита должна проводится 1 раз в месяц. Необходима организация процедуры механической и химической очистки, а также стерилизация дезинфицирующими средствами.
Выпуск и испытание кальций-дефицитного КГАП опытно-промышленной партии По предложенным технологической и аппаратурной схемам (рисунки 5.1, 5.2) в период с 6 октября по 10 октября 2014 года на ЗАО «Опытно-экспериментальный завод «ВладМиВа», г. Белгород были проведены работы по выпуску опытно-промышленной партии кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита в форме порошка (100г) и в форме водного геля (500г) (рисунок 5.3).
Опытно-промышленная партия кальций-дефицитного КГАП Для различных медицинских назначений кальций-дефицитного КГАП производится в форме водного геля 20% и в форме порошка белого цвета. С целью проверки соответствия образцов КГАП опытно-промышленной партии техническим требованиям по ТУ 2148-002-02079230-2011 (приложении 4) были использованы комплексные методы физико-химического анализа. ПЭМ 101 изображения кристаллов кальций-дефицитного КГАП опытно промышленной партии и результаты по определению химического состава представлены на рисунке 5.4 и в таблице 5.3.
Видно из рисунке 5.4, что кристаллы кальций-дефицитного КГАП опытно-промышленной партии являются наноразмерными, длина варьируется в интервале 40-90 нм, а ширина 10-15 нм. Среднее содержание карбонат-аниона составляет 6.5%, мольное соотношение Са/(Р+С) - 1.475 (таблица 5.3), что соответствуют заданному значению.
Порошковая рентгеновская дифрактограмма и ИК-спектр (приложение 1) показали, что образцы кальций-дефицитного КГАП опытно-промышленной партии являются монофазными и содержат характерные полосы поглощения функциональных групп PCV", СОз2" и ОН".
Результаты проверки подлинности образцов КГАП опытно-промышленной партии приведены в таблицах. 5.4 и 5.5. Результаты проверки подлинности образцов КГАП опытно-промышленной партии в форме геля № п/п Наименование показателей Средниеизмеренныезначения Номинальные значения (соответствие ТУ) Заключение о соответствии Заключение о подлинности продукта (да/нет)
На основании приведенных испытаний можно заключить, что образцы КГАП опытно-промышленной партии в форме порошка и в форме водного геля соответствуют техническим условиям 2148-002-02079230-2011.
Технико-экономические показатели новой продукции Анализ мирового рынка остеопластических биоматериалов по итогам 2011 года оценивается примерно в 37.6 млрд долларов США. По прогнозам экспертов среднегодовой темп роста составит около 15 %, что приведет к увеличению всего рынка до 83.9 млрд долларов США к 2017 году [155]. Объем производства остеопластических биоматериалов на основе синтетических кальций-фосфатных соединений занимает ниже 30%, однако их выпуск постоянно увеличиваются, так как они обладают ценными свойствами: высокими биосовместимостью и остеогенным потенциалом.
Ежегодно в мире осуществляется около 4 миллионов операций с использованием костных имплантатов. Число больных, нуждающихся в операциях по восстановлению целостности кости, довольно велико: для США эта цифра составляет 600000 человек и более ежегодно, а в России - около 300000 человек в год. Таким образом, даже национальный рынок ортопедических имплантатов и биоматериалов огромен [156].
Цена на коммерческие гидроксиапатит и содержащие его препараты в зависимости от дисперсности и производителя колеблется от 440 до 3850 руб/г, соответственно от 440000 до 3850000 руб/кг.
Установлено, что с использованием современного промышленного оборудования ЗАО «Опытно-экспериментального завода «ВладМиВа» были синтезированы образцы КГАП, которые не только удовлетворяют нормативным техническим требованиям по ТУ, но и обладают улучшенной удельной поверхностью. Следовательно, можно заключить о успешной разработке опытно-промышленной технологии получения кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита как компонента для изготовлении медицинских изделий различного функционального назначения, в том числе стоматологических материалов.