Введение к работе
Актуальность работы. Повреждения и заболевания костных тканей занимают одно из первых мест среди причин смертности, временной нетрудоспособности и развития инвалидности. Для восстановления функции костных тканей и соответствующих органов необходимо использовать имплантанты из различных материалов. В идеальном случае материал должен быть биологически совместимым с тканью, не отторгаться организмом как инородное тело, и быть биологически активным.
Кальций-фосфатные материалы рассматриваются как наиболее перспективные для восстановления и замещения дефектов костных тканей. В 1920 году Алби впервые сообщил об успешном испытании кальций-фосфатных материалов для восстановления костных дефектов. Однако только в 70-х годах прошлого века началось систематическое исследование возможности применения синтетических кальций-фосфатных фаз в медицине. Большой вклад в науку о фосфатах кальция и технологию материалов на их основе внесли отечественные (В.П. Орловский, В Л. Шевченко, П.Д. Саркисов, Ю.Д. Третьяков, Е.С. Лукин и др.) и зарубежные ученые (Р. Легерос, У. Бонфилд, Л. Хенч, Г. Дакулси, X. Аоки и др.). Значительный прогресс достигнут в понимании процессов взаимодействия фосфатов кальция с физиологической средой (Н.С. Сергеева, А.И. Воложин, В.К. Леонтьев, К. Рей, П. Дюшейен и др.). В начале 80-х годов синтетические ГА и трикальцийфосфат (ТКФ) стали коммерчески доступными в качестве материалов — заменителей костных тканей в хирургии и стоматологии.
В последние годы большой интерес вызывает новая концепция реконструкции костных тканей, так называемая "инженерия костных тканей", которая основана на использовании материалов, постепенно резорбируещихся в организме и замещаемых новообразующейся костной тканью. Согласно этой концепции, организм сам может восстанавливать поврежденную ткань, если для этого созданы надлежащие условия, а именно если имеется матрикс соответствующей архитектуры, на котором происходит наращивание ткани, и необходимые стимулы для остеогенеза. Одно из основных требований к материалам матрикса - согласуемость кинетики резорбции с кинетикой остеогенеза. Трехкальциевые фосфаты (ТКФ, Саз(Р04)г) а- и Р- модификации имеют существенно более высокую скорость резорбции по сравнению с гидроксиапатитом (ГА), поэтому варьированием соотношения фаз в бифазных композиционных материалах на основе ГА и ТКФ можно регулировать скорость резорбции.
Актуальность работ по керамическим композиционным материалам на основе ГА и ТКФ обусловлена необходимостью создания материалов с регулируемой кинетикой резорбции для принципиально новых медицинских клеточных технологий восстановления поврежденных костных тканей - инженерии костной ткани.
Цель работы. Разработка основ технологии керамики на основе бифазных фосфатов кальция (БФК) с регулируемым фазовым составом и установление закономерностей формирования её микроструктуры, механических и химических свойств.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи
Разработка метода синтеза бифазных фосфатов кальция с регулируемым соотношением фаз.
Изучение влияния технологических параметров на формирование фазового состава и микроструктуры БФК-керамики; разработка метода интенсификации уплотнения при её спекании.
Исследование формирования микроструктуры и свойств пористых сферических гранул из БФК.
Изучение поведения бифазных материалов в жидкостях, моделирующих жидкости организма: исследование кинетики растворения, изучение изменения микроструктуры и фазового состава БФК-керамики в процессе растворения; исследование влияния фазового состава на замедленное разрушение керамики in vitro.
5) Изготовление лабораторных партий БФК-керамики для проведения
сравнительных испытаний in vitro с целью прогнозирования поведения в организме человека
и проведение таких испытаний.
Научная новизна, полученных результатов заключается в следующем:
Установлено влияние условий синтеза бифазных фосфатов кальция методом осаждения из водных растворов солей (соотношение исходных компонентов, рН, температура) на химический и фазовый состав получаемого продукта; выявлено, что в процессе синтеза магний-содержащих бифазных фосфтов кальция магний входит в структуру р-ТКФ.
Установлены особенности формирования микроструктуры при спекания БФК в интервале температур 1000-1350 С. Разработан способ активирования спекания БФК при введении спекающей добавки в виде двойной карбонатной соли калия и кальция,
формирующей жидкую фазу при спекании, позволяющий снизить температуру спекания БФК на 300 С с достижением плотности керамики, близкой к теоретической. Выявлено влияние технологической предыстории, фазового состава и микроструктуры БФК на ее механические свойства.
3) Исследованиями кинетики растворения БФК в жидкости, моделирующей
жидкости организма, установлено, что кинетика процесса растворения - многостадийна,
соответствует кинетике гетерофазного растворения, описывается на большем протяжении
процесса растворения экспоненциальной зависимостью от времени. Выявлена зависимость
параметров экспоненциальной функции, характеризующих скорость растворения, от состава
БФК-керамики. Установлены особенности эволюции микроструктуры, фазового и
химического состава БФК-керамики в процессе растворения.
4) Сопротивление замедленному разрушению плотно спеченной БФК и ГА-керамики
снижается под воздействием физиологической среды (моделирующей внеклеточную
жидкость); фазовый состав керамики оказывает незначительное влияние на сопротивление
замедленному разрушению. По результатам испытаний in vitro на адсорбцию протеинов
(БМП-2, фибронектин) и адгезивные характеристики фибробластов человека. Выявлена
оптимальная композиция БФК.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1) Разработаны условия синтеза БФК, обеспечивающие возможность получать
продукт с заданным содержанием компонентов.
2) Разработаны основы технологии БФК керамики, в том числе плотно спеченной, с
применением активирующих спекание добавок; изготовлена лабораторная партия керамики,
испытания которой в медицинских учреждениях продемонстрировали высокую
биологическую совместимость и перспективность применения в клинической практике, в
частности для восстановления костных тканей пост-операционных онкологических
пациентов.
На защиту выносится:
1) Условия синтеза бифазных фосфатов кальция, в том числе магний-
содержащих, с заданным фазовым составом.
2) Основы технологии гранул и плотно спеченной БФК.
Результаты исследования микроструктуры и фазового состава кинетики растворения БФК порошков, гранул и керамики.
Результаты исследований замедленного разрушения БФК-керамики.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы доложены на Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения», Волгоград, 2004; Всероссийской конференции по наноматериалам «Нано 2004», Москва, 2004; Международной конференции «Деформация и разрушение конструкционных порошковых материалов», Стара Лесна, Словакия, 2005; Выставках и конференциях МКНТ Правительства Москвы «NTMEX 2004, 2005 и 2006» (диплом и грамота); Всероссийское совещание «Биокерамика в медицине», Москва, 2006.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР Института физико-химических проблем керамических материалов РАН; поддержана проектами программы Президиума РАН П8, грантами РФФИ № 03-03-32230, 06-03-32192, 06-03-08028, проектом сотрудничества с Исследовательским центром Россендорф (Германия).
Основное содержание работы изложено в публикациях в виде 4 статей, 5 тезисов докладов и 6 патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 116 наименований. Диссертация содержит 125 страниц, в том числе 19 таблиц, 45 рисунков.
