Введение к работе
Актуальность работы. Общепринятым в мировой и отечественной практике является подход, подразумевающий, что основой создания имплантатов для ортопедии, лице-челюстной хирургии и стоматологии служат кальций-фосфорные соединения, главным образом - Саз(РС>4)2 (трикальцийфосфат) и Саю(Р04)б(ОН)2 (гидроксиапатит или ГАП), практически идентичные по структуре и химическому составу природной костной ткани. При этом до недавнего времени такие соединения применялись преимущественно в кристаллическом состоянии в виде керамических изделий, гранул и покрытий. В настоящее время все больший интерес для многих областей клинической медицины, связанных с проблемами регенерации мягких и костных тканей организма, представляют биологически активные фосфаты кальция в гелеобразном и коллоидном состояниях. Это обусловлено тем, что, как показали исследования, биологическая активность ГАП существенно снижается при высокотемпературной обработке, характерной для керамических технологий. Кроме того, установлено, что биологическая активность ГАП в значительной степени зависит от размера его частиц (или зерен) и проявляется тем больше, чем выше дисперсность вещества.
Наряду с чистыми соединениями весьма перспективно использовать различные комбинации биоактивных материалов для улучшения таких характеристик, как адгезия, биоактивность и биосовместимость. В этой связи вопрос об изоморфных замещениях в гидроксиапатитах представляется весьма важным.
Анионные и катионные замещения оказывают значительное влияние на биологическое поведение ГАП и являются одним из известных способов повышения резорбируемости (растворимости) материалов на его основе. Поскольку физико-химические свойства ГАП определяются числом и характером поверхностных гидроксильных групп Р-ОН и фосфатных анионов, изменение природы поверхностных функциональных групп позволяет варьировать харак-
теристики материала в широких пределах. При синтезе частично-замещенных гидроксиапатитов специально вводят в структуру некоторые анионы и катионы с целью либо компенсации заряда (натрий и аммоний вводят при синтезе кар-бонатгидроксиапатитов), либо для регулирования дисперсности и химических свойств (кремнийзамещенные апатиты, фторгидроксиапатиты).
Перспективным направлением модификации ГАП с точки зрения получения материала с улучшенными свойствами является введение в структуру ГАП атомов фтора и кремния. Такое преобразование позволит улучшить стабильность материала в химически активной среде человеческого организма (за счет присутствия фторид - ионов), повысить биоактивность (за счет присутствия силикат - ионов) при сохранении биосовместимости, присущей ГАП.
Известно относительно небольшое количество опубликованных исследований сравнительных характеристик порошков фторсодержащего ГАП в зависимости от метода и условий синтеза и поведения керамики на его основе в биологических средах. Не решен вопрос о предельной степени замещения групп ОН" ионами фтора, не приводящей к отрицательным биологическим последствиям, в частности флюорозу. Следовательно, необходимы дополнительные исследования как в области технологии керамики на основе фторзамещен-ного ГАП, так и оценки её биологического поведения в экспериментах in vitro и in vivo.
Несмотря на то, что многими исследователями отмечается сильное влияние наличия кремния в структуре ГАП на его биоактивность, количественные данные по степени замещения фосфатных групп силикатными в кристаллической решетке ГАП отсутствуют.
Таким образом, в настоящее время высокодисперсное состояние фосфатов кальция, методы синтеза многокомпонентных систем с их включением, строение и свойства таких систем изучены крайне мало и научные исследования в этом направлении актуальны.
Цель работы. Разработка методов синтеза и определение физико-химических характеристик модифицированного ГАП и включающих его композиционных материалов.
Поставленная цель достигалась посредством решения следующих задач:
-
синтез и исследование физико-химических свойств модифицированного кремнием и фтором кристаллического ГАП с использованием различных физических методов анализа;
-
исследование возможности модификации ГАП биогенными элементами и синтез элементоорганических гидрогелей;
-
изучение процессов гелеобразования и структуры Са-, Р-, Si-содержащих гидрогелей;
-
исследование медико-биологических свойств и разработка новых фармацевтических композиций с использованием ГАП и его модифицированных форм.
Исследования выполнены в рамках плановой тематики ИХТТ УрО РАН «Направленный синтез и исследование новых тканерепаративных, рентгеноконтрастных и других материалов для медицины» (гос.рег. № 01201054463), программы Президиума УрО РАН «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов», поддержаны проектом РФФИ № 07-03-96094 р_урал_а «Строение, физико-химические и клинические свойства биологически активных композиций на основе кальций-фосфорных соединений», государственным контрактом с Министерством промышленности и науки Свердловской области № Л С-11 «Разработка лекарственных препаратов комбинированного действия на мягкие и костные ткани организма, основанных на биоактивных кальций-фосфорных соединениях и композициях с их включением», молодежным грантом УрО РАН № 11-3-ИП-676 «Создание неорганической основы лекарственных средств для стоматологии» и молодежным проектом РФФИ «Мои первый грант» № 12-03-31632 мол а.
Методика исследования. В работе использованы современные методики проведения экспериментов и обработки данных.
Личный вклад автора. Автором проведен анализ литературных данных и определены основные задачи работы. Основная часть результатов, приведенных в диссертации, получена самим автором или при его личном участии. Непосредственно автором синтезированы суспензия ГАП, фтор- и кремнийзаме-щенный ГАП, исследована трансмембранная активность ГАП, получены комбинированные Са-, Р-, Si- содержащие гидрогели и изучена их структура. Отдельные эксперименты были проведены совместно с соавторами опубликованных работ. Обсуждение полученных результатов и написание научных статей проведено автором совместно с научным руководителем и соавторами.
Научная новизна:
разработаны новые способы модифицирования ГАП биогенными элементами (фтор, кремний); синтезированы фтор- и кремнийзамещенный ГАП различной степени дисперсности с заданным уровнем содержания замещающего аниона, получены новые и уточнены известные данные о физико-химических свойствах материалов (термической стабильности, растворимости, структурных характеристиках);
определены кинетические закономерности дегидратации и седиментации ультрадисперсных суспензий ГАП и фторзамещенного ГАП;
разработан новый способ получения комбинированных Са-, Р-, Si- содержащих гидрогелей с различным кальций-кремниевым модулем, полученных из ГАП, глицеролатов кремния и глицерогидрогелей на их основе;
на основе исследования дисперсной фазы и дисперсионной среды комбинированного Са-, Р-, Si- содержащего гидрогеля, полученного из глицеролатов кремния и коллоидного раствора ГАП, впервые установлен состав дисперсной фазы, предложено ее строение;
обнаружен факт трансмембранной активности различных форм ГАП (суспензия, коллоидный раствор), определены параметры переноса ионов через мо-
дельную кожно-слизистую поверхность, установлены основные факторы, влияющие на транспорт ионов;
- в ходе исследования фармакологических свойств комбинированных гидрогелей установлено наличие биологической активности по отношению к мягким тканям, кожной и слизистой поверхностям. Обнаружены противовоспалительный и ранозаживляющий эффекты.
Практическая значимость. Разработан и запатентован технологически простой способ получения суспензии ГАП, пригодной для смешения с другими субстанциями при изготовлении фармацевтических композиций и лекарственных средств, установлен концентрационный интервал, в котором суспензия ГАП обладает требуемыми для создания фармацевтических композиций характеристиками. Совместно с Федеральным государственным бюджетным учреждением науки Институтом органического синтеза им. И.Я. Постовского УрО РАН (ИОС УрО РАН) и Уральской государственной медицинской академией (УГМА) разработан ряд новых фармацевтических композиций, обладающих противовоспалительным, ранозаживляющим, остеопластическим действием, эффективность которых подтверждена клинически.
На защиту выносятся:
результаты работ по синтезу биологически активных материалов: суспензии ГАП и анионзамещенного ГАП (фтор- и кремнийзамещенный);
результаты экспериментальных работ по изучению физико-химических свойств (кинетика дегидратации, растворимость, термическая устойчивость) ГАП и его анионзамещенных форм, оценке влияния на них степени замещения;
результаты работ по разработке методов синтеза комбинированных Са-, Р-, Si-содержащих гидрогелей и изучению их структуры;
результаты экспериментальных работ по изучению транспортных свойств ГАП, оценке влияния на них степени дисперсности (коллоидный раствор, суспензия) и присутствия транскутанных (чрескожных) проводников.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены на международных и российских конференциях: Всероссийских конференциях «Химия и медицина» (Уфа, 2007, 2009, 2010), конференциях «Фармация и общественное здоровье» (Екатеринбург, 2008, 2010, 2011, 2012), III Китайско-российском симпозиуме по фармакологии (Харбин, 2008), Всероссийских конференциях «Химия твердого тела и функциональные материалы» (Екатеринбург, 2008, 2012), открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и на-ноструктурные материалы - 2010» (Уфа, 2010), X международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, 2010), Первой всероссийской конференции «Золь-гель - синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем» (Санкт-Петербург, 2010), IV Всероссийской конференции по химической технологии с международным участием «Химическая технология - 2012» (Москва, 2012) и других конференциях, симпозиумах и школах.
Публикации. По результатам работы опубликовано 11 статей, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, глава в монографии, 2 патента, 24 тезиса докладов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 120 страницах, содержит 66 рисунков и 11 таблиц, библиографический список включает 157 наименований.
