Биокерамика на основе ортофосфатов кальция (обзор)

УДК 546.41:546.185:617:666.3


Администрация сайта выражает благодарность автору статьи С. В. Дорожкину за предоставленный материал.


Биоматериалами называют синтетические или природные материалы, которые либо используются для замены отдельных частей живых организмов, либо предназначены для функционирования в тесном контакте с тканями живых организмов с целью проведения обследования, лечения, улучшения или замены отдельных тканей, целых органов или каких-либо выполняемых ими функций [1]. Важно провести четкую границу между биоматериалами и биологическими материалами. К первым относятся материалы, которые дружественны живым тканям и, следовательно, они могут быть использованы для имплантации, в то время как вторые — это любые материалы, производимые живыми организмами (например, древесина, хлопок, ракушки, кости и т. д.). Биокерамикой называют биоматериалы, имеющие керамическую природу.

В организмах млекопитающих ортофосфаты кальция являются основным неорганическим компонентом как нормальных (кости, зубы, оленьи рога), так и патологических (зубные и почечные камни, атеросклеротические отложения и др.) твердых тканей. За исключением отдельных частей внутреннего уха, все твердые ткани человеческого тела состоят из ортофосфатов кальция в виде мелкокристаллического, нестехиометрического, Na-, Mg- и карбонатсодержащего гидроксиапатита (часто называемого биологическим апатитом) [2]. Помимо ортофосфатов кальция, составляющих (по массе) 50 - 60 % кости, другими основными компонентами кости являются коллагены (30 - 40 %) и вода (до 10 %).

Равновесие в трехкомпонентной системе Ca(OH)² -H³PO⁴ - H₂O подробно рассмотрено в литературе [3,4]. В данной системе существуют 11 неионзамещенных ортофосфатов кальция с ионным соотношением Ca : P от 0,5 до 2,0. Наиболее значимые параметры ортофосфатов кальция — ионное соотношение Ca: Р, кислотность - щелочность и растворимость в воде. Все эти параметры сильно связаны с рН водных растворов. Чем ниже ионное соотношение Ca : P в ортофосфате кальция, тем более кислым и более растворимым является выбранный ортофосфат кальция [2,4]. Краткая характеристика и стандартные аббревиатуры всех существующих ортофосфатов кальция приведены в табл.1.

Биоматериалы и биокерамика на основе ортофосфатов кальция. Использование ортофосфатов кальция в качестве биоматериалов и биокерамики основано на их химическом сходстве с неорганической составляющей костей и зубов. В соответствии с литературными данными, первая попытка использовать биокерамику из ортофосфатов кальция (это был ТКФ) в качестве материала для лечения искусственно созданных дефектов костей у кроликов была предпринята в 1920 г. [5]. К сожалению, даже сегодня все попытки приготовить искусственный костный материал, пригодный для клинического использования и обладающий хорошей физиологической приживаемостью, биосовместимостью и стабильностью на протяжении длительного времени, имеют лишь относительный успех. Это наглядно демонстрирует превосходство и сложность созданных природой структур [6].

По типу реакции с тканями и органами живых организмов все биоматериалы подразделяются на четыре группы: биоинертные, биотолерантные, биоактивные и биорассасывающиеся [1,7]. Биоинертные (например, ZrO², Al_²O³, С и TiO²) и биотолерантные (например, полиметилметакрилат, титан и кобальтхромовые сплавы) материалы всегда вызывают физиологический ответ в виде образования фиброзной капсулы, которая изолирует данные материалы от контакта с живыми тканями. Ортофосфаты кальция (как химически чистые, так и с наличием ионных заместителей) попадают в категории биоактивных и биорассасывающихся материалов. Биоактивные материалы немного растворяются и тем самым способствуют образованию слоя биологического апатита, что приводит к возникновению химических связей между имплантатом и живой костью. После приживления к костям подобные имплантаты способны выдерживать механические нагрузки. Биорассасывающиеся материалы после имплантации постепенно растворяются и позволяют вновь формирующимся тканям живого организма прорастать внутрь любых поверхностных неоднородностей [1,7].

Биокерамика, сделанная из непористого ГА, — хороший пример биоактивного материала, в то время как пористая биокерамика, состоящая из двухфазных ортофосфатов кальция (т. е. композитов β-ТКФ + ГА или α-ТКФ + ГА) либо из ГАДК или АФК, - пример биорассасывающихся материалов. К сожалению, биокерамика из ортофосфатов кальция обладает плохими механическими свойствами (высокая хрупкость), что не позволяет использовать ее в местах, подверженных механическим нагрузкам. Поэтому медицинское применение биокерамики на основе ортофосфатов кальция ограничивается лишь такими имплантатами, которые не подвергаются механическим нагрузкам. Примерами являются отдельные кости для хирургии среднего уха, заполнение костных дефектов в зубной или ортопедической хирургии, а также покрытие зубных имплантатов и металлических протезов [6].

Биоматериалы и биокерамика из ортофосфатов кальция выпускаются в различных видах: гранулы, блоки (плотные либо пористые), впрыскиваемые составы, самоотвердевающие цементы, покрытия на металлических имплантатах, композиты с полимерами и т. д. [8]. Пористая поверхность биокерамики обеспечивает большую поверхность соприкосновения между биоматериалом и растущей костью, что приводит к образованию большего количества химических связей. Установлено, что пористый ГА может заселяться костной тканью. Поэтому биокерамику стараются делать макропористой (размер пор более 100 мкм) путем добавления порообразователей, являющихся либо летучими, либо легко растворимыми соединениями (например, нафталин, сахароза, NaHCO₃, NaCl, желатин, микрошарики из полиметилметакрилата). Для облегчения изостатического прессования цилиндрических образцов биокерамики при давлении 200 МПа порошок ортофосфатов кальция рекомендуется предварительно увлажнить путем добавления поливинилового спирта. Поскольку увеличение размера макропор биокерамики (были исследованы образцы с порами 150, 260, 510 и 1220 мкм) не привело к улучшению приживаемости имплантатов, нет особой необходимости производить биокерамику с очень большими порами. Кроме макропор, в любой керамике имеются и микропоры (размер пор менее 10 мкм), которые образуются при спекании порошков. Размеры микропор зависят от условий спекания (температуры и продолжительности процесса) [9].

При производстве биокерамики, обладающей заданными свойствами, очень важными являются стадии спекания и прокаливания. При термической обработке ортофосфатов кальция протекают следующие взаимосвязанные процессы:

• удаление всей влаги, карбонатов и других летучих соединений (аммонийных солей, нитратов, любых органических соединений), которые попали в ортофосфаты кальция в процессе химического синтеза; удаление всех летучих соединений приводит к уплотнению керамики и повышению ее плотности;
• рост кристаллов и уменьшение удельной поверхности;
• х имическое разложение всех кислых ортофосфатов и их превращение в другие фосфаты (например, 2НРO^2-₄→ Р₂O^4-₇ + Н₂O) [2,4, 9].

К настоящему времени установлено, что увеличение удельной поверхности и пористости биокерамики положительно влияет на кинетику образования кости и, след овательно, улучшает биоактивность (комплекс свойств материала, позволяющий создавать прочный непосредственный контакт с живой костью [10, 11]). Для понимания взаимосвязи между структурой и биоактивностью, а также с целью конструирования более качественных имплантатов очень важным является точный контроль общей пористости, размера пор, а также внутреннего пористого строения биокерамики [10,11].

Биокерамика на основе ортофосфатов кальция уже прошла клиническую апробацию во многих областях стоматологии и ортопедии. Имплантаты (как пористые, так и непористые) используются для наращивания альвеолярных отростков челюсти, экстренной замены зубов, а также в челюстно-лицевой хирургии. Другие области применения включают наращивание слуховых косточек, соединение позвонков и лечение костных дефектов [2, 10, 11]. На сегодняшний момент на рынке существует большое количество различных видов биокерамики из ортофосфатов кальция, например результаты физико-химических исследований 14 костезамещающих материалов из ортофосфатов кальция по сравнению с аналогичными свойствами костной ткани приведены в работе [12]. Промышленные и торговые марки наиболее важных образцов биокерамики на основе ортофосфатов кальция можно найти в литературе [12].

С точки зрения химика, биокерамика из ортофосфатов кальция чаще всего состоит из ГА, β-ΤΚΦ или двухфазного фосфата кальция (т. е. твердого композита ГА и α- или β-ΤΚΦ) [2, 4, 9]. Наиболее общими требованиями к идеальному костному имплантату являются: размер пор порядка 100 мкм, скорость биодеградации должна соответствовать скорости образования новой кости (т. е. от нескольких месяцев до двух лет), гидрофильность, а также требуемая механическая прочность. По сравнению с α- и β-ΤΚΦ ГА является более стабильной фазой, что объясняется его меньшей растворимостью и более низкой скоростью резорбции. Поскольку имплантаты, сделанные из прокаленного ГА, присутствуют в телах живых организмов даже спустя много лет после имплантации, биокерамика на основе α-ТКФ и β-ΤΚΦ или двухфазного фосфата кальция более предпочтительна для медицинских целей [2,4,9-11]. По результатам проведенных исследований различные ортофосфаты кальция были размещены в порядке уменьшения их показателей костеобразования: двухфазный фосфат кальция, синтезированный при низких температурах (с шершавой или гладкой поверхностью), * двухфазный фосфат кальция, синтезированный при средних температурах, и ТКФ > непрокаленный ГА > двухфазный фосфат кальция, прокаленный при высоких температурах (с шершавой или гладкой поверхностью), > ГА, прокаленный при высоких температурах. На рисунке представлены некоторые образцы имеющейся на рынке биокерамики из ортофосфатов кальция.

Другая концепция лечения поврежденных костей появилась после изобретения гидравлических костных цементов из ортофосфатов кальция, которые затвердевают внутри костных дефектов [13, 14]. В результате образуется низкотемпературная биокерамика. По фазовому составу все костные цементы подразделяют на две большие группы. Первую группу составляют цементы, состоящие из сухой смеси порошков двух различных ортофосфатов кальция (кислого и щелочного). Затвердевание таких цементов происходит при добавлении воды путем химического взаимодействия между основанием и кислотой. Ко второй группе относятся такие цементы, в которых исходные и конечные ортофосфаты кальция имеют одно и то же ионное соотношение Ca : Р. Типичным примером цементов первой группы является смесь ДКФД и ТТКФ, а второй — цементы из АФК или α-ТКФ; последние при контакте с водными растворами гидролизуются в ГАДК [13, 14].

Для цементов обоих групп затвердевание происходит при контакте с водой. При смешивании с водой порошок из исходного(ых) ортофосфата(ов) кальция растворяется, а затем происходит кристаллизация менее растворимых ортофосфатов кальция. Это приводит к беспорядочному росту новых кристаллов, которые, переплетаясь в тесный клубок, образуют биокерамический монолит, благодаря чему цемент приобретает механическую прочность. Установлено, что затвердевание костных цементов в основном происходит в начальные 6 ч. К этому моменту примерно 80 % исходных ортофосфатов кальция превращается в конечный продукт, и прочность на сжатие уже составляет 40 - 60 M Па. Скорость затвердевания цементов легко регулировать добавками других химикатов, а также количеством добавляемой воды. Несмотря на большое разнообразие исходных рецептур, цементы на основе ортофосфатов кальция могут образовывать лишь три конечных продукта: ГАДК, ДКФД и АФК [13, 14].

Гидравлические цементы из ортофосфатов кальция обладают уникальными свойствами, облегчающими их применение в хирургии. Эти цементы являются биосовместимыми, биоактивными и биоразлагаемыми. Поскольку структура и химических состав таких цементов близки к аналогичным свойствам неорганической фазы костной ткани, неорганические компоненты цементов хорошо усваиваются костеобразующими клетками и используются ими для залечивания костных дефектов [13,14]. К сожалению, цементы из ортофосфатов кальция обладают низкой механической прочностью, однако данное свойство можно улучшить путем добавления полимеров. Основное преимущество гидравлических цементов — хорошая приспособляемость к сложной геометрии любых костных дефектов. Совсем недавно были изобретены впрыскиваемые макропористые костные цементы из ортофосфатов кальция. Дальнейшие пути совершенствования гидравлических костных цементов — добавление в их составы живых культур костеобразующих клеток.

В медицине широко применяются также биокерамические покрытия из ортофосфатов кальция, нанесенные на поверхность имплантируемых металлов [15, 16]. Металлические имплантаты применяются в эндопротезировании (замена тазобедренного сустава целиком), а также для крепления искусственных зубов. Строгие требования к механической прочности заставляют использовать металлические имплантаты для подобных целей.

Поскольку металлы не обладают способностью образовывать химические связи с живой костью, исследователи стали изобретать способы решения этой проблемы. На данный момент наилучшим решением оказался способ покрытия металлов снаружи слоем биокерамики на основе ортофосфатов кальция. При этом металлический имплантат "ответственен" за механическую прочность всей конструкции, а наружный слой биокерамики обеспечивает хорошую приживаемость. Возможные способы нанесения«ортофосфатов кальция на металлическую поверхность представлены в табл. 2, а основные преимущества и недостатки каждого способа, включая основные свойства образующихся покрытий из ортофосфатов кальция, подробно описаны в литературе [15, 16]. К настоящему времени установлено, что биокерамические покрытия из ГА в качестве системы фиксации тазобедренных суставов работоспособны в течение короткого (8 лет) и среднего (17 лет) времени после имплантации пациентам.

Биокерамика на основе ортофосфатов кальция в инженерии тканей. Можно выделить три основных недостатка современных костных имплантатов:

• невозможность самовосстановления;
• невозможность обеспечивать ток крови;
• неспособность изменять структуру и свойства в ответ на внешние условия, такие как механическая нагрузка.

Очевидно, что живая кость не только обладает всеми этими свойствами, но, кроме того, кости сами зарождаются и растут, имеют сложную иерархическую структуру и нелинейные свойства, выполняют многочисленные функции в организме, а также являются биоразлагаемым органоминеральным композитом. В идеале, костезамещающие протезы должны обладать всеми перечисленными свойствами [16].

Инженерия тканей — междисциплинарная область науки и техники, в которой используется комбинация живых клеток, биоматериалов и необходимых биохимических гормонов в разнообразных сочетаниях с целью улучшения, замены, восстановления, поддержания или расширения возможностей живых тканей и даже целых органов [17]. Эта область науки появилась чуть более десяти лет тому назад [18] и в настоящее время очень активно развивается благодаря следующим ключевым преимуществам:

• решения, которые она обеспечивает, являются долгосрочными, более безопасными и более дешевыми по сравнению с любыми другими;
• минимальное использование донорских тканей и органов, что решает проблемы иммунной совместимости;
• исключается наличие посторонних соединений и материалов внутри живых организмов.

Поскольку два из трех основных компонентов (живые клетки и биохимические гормоны) инженерии тканей далеко выходят за рамки данного обзора, тема инженерии тканей рассматривается лишь в отношении биокерамики.

Живые клетки костной ткани имплантируют или высевают на искусственную биокерамическую структуру, называемую подложкой или матрицей, способной поддержать формирование трехмерных структур. Эти подложки являются базисом для последующего роста на них кости и обеспечивают специфическое окружение и "архитектуру" для роста костей. Подложки выполняют как минимум одну из следующих функций [19]:

• обеспечение места для закрепления и развития на них живых клеток;
• доставка и удержание клеток и гормонов;
• обеспечение подвода питательных веществ и отвода продуктов жизнедеятельности;
• оказание определенного механического и биологического влияния на развитие клеточной фазы.

Чтобы добиться восстановления костной ткани, биокерамические подложки должны отвечать определенным требованиям. Их поверхность не должна быть очень гладкой, иначе клеткам будет трудно закрепиться.

Они должны быть пористыми с адекватным размером пор, чтобы в момент имплантации они могли быстро пропитываться кровью, которая обеспечивает диффузию клеток и питательных веществ. Они должны быть биоразлагаемыми, поскольку по мере формирования новой кости подложки должны постепенно рассасываться, что предотвратит необходимость их хирургического удаления [17-19]. Скорость рассасывания подложек должна максимально совпадать со скоростью роста новой кости [7]. Для клинического применения важными факторами являются легкость и безопасность введения в места костных дефектов.

В случае костных имплантатов цель инженерии тканей заключается в создании биокерамических пористых трехмерных имплантатов из ортофосфатов кальция, которые являются физическими и химическими сигнальными метками, которые как бы "руководят" закреплением клеток, их развитием и построением трехмерной структуры вновь образующейся кости. Чтобы лучше соответствовать этим целям, химики и материаловеды занимаются дальнейшим улучшением свойств биокерамики на основе ортофосфатов кальция. С точки зрения химиков это означает синтез новых ион-замещенных ортофосфатов кальция, а с точки зрения материаловедов основными направлениями являются нанокристаллические структуры, органоминеральные гибриды, керамические волокна, микросферы, пористые трехмерные структуры из АФК, ГА и двухфазного фосфата кальция, биокерамика с градиентом пористости, а также иерархические структуры.

Изучается влияние пористости биокерамики из ГА на формирование кости методом культивирования стволовых клеток из костного мозга крыс. Возможность производства биокерамических подложек заданной структуры и с заданными свойствами открывает блестящие перспективы для ортофосфатов кальция [6].

В настоящее время основной упор в области биокерамики и биоматериалов из ортофосфатов кальция делается на синтез композитов. Например, совсем недавно описаны биокерамические композиты ГА с углеродными нанотрубками [20]. Кроме того, много внимания уделяется усовершенствованию костных цементов, многофазных композиций, имитирующих насколько это возможно состав и свойства костной ткани, а также разработке биокерамических подложек на основе ортофосфатов кальция для последующего использования в инженерии тканей.

Еще одно бурно развивающееся направление — изучение наноструктурированных и нанокристаллических материалов на основе ортофосфатов кальция с целью имитирования комплексной иерархической структуры костей и зубов [6].

Ожидаемыми ключевыми направлениями применения биокерамики из ортофосфатов кальция в ближайшем будущем являются (но не ограничиваются этим) использование их в системах доставки лекарственных средств, а также в качестве носителей биоактивных белков, гормонов и живых костеобразующих клеток [21, 22].

В заключение следует отметить, что, несмотря на довольно длительную историю исследований биокерамики из ортофосфатов кальция, до сих пор многие научные и технологические проблемы остаются нерешенными. Это наглядно проявляется в отсутствии на рынке искусственных имплантатов, способных с тег-костью замещать поврежденные или утраченные кости. Пока на данном пути одержаны лишь относительные победы.


Список литературы

1. Williams D. F. The Williams Dictionary of Biomaterials. — Liverpool, 1999. — 368 p.
2. LeGeros R. Z. Calcium Phosphates in Oral Biology and Medicine. — Karger, Basel, 1991. — 201 p.
3. Чайкина Μ. В. Механохимия природных и синтетических апатитов. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. — 223 с.
4. Elliot J. С. Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates. — Amsterdam: Elsevier, 1994. — 389 p.
5. AlbeeF. H., Morrison H. F. Studies in Bone Growth — Triple Calcium Phosphate as a Stimulus to Osteogenesis // Ann. Surg. — 1920. — V. 7. — P. 3 2 - 3 9 .
6. Vallet-Regi M., Gonzalez-Calbet J. M. Calcium Phosphates as Substitution of Bone Tissues // Progress Solid State Chem. — 2004. — V. 32. — P. 1-31.
7. Путляев В. И., Сафронова Т. В. Новое поколение кальций-фосфатных биоматериалов: роль фазового и химического составов // Стекло и керамика. — 2006. — № 3. — С. 30 — 33.
8. LeGeros R. Z, LeGeros J. P. Calcium Phosphate Bioceramics: Past, Present and Future // Key Eng. Materials. — 2003. — V.240 — 2 4 2 . — P . 3 - 1 0 .
9. Бартов С. M., КомлевВ. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. — M.: Наука, 2005. — 237 с.
10. Hench L. L. Bioceramics: from Concept to Clinic // J. Amer. Ceram. Soc. — 1991. — V. 74. — P . 1 4 8 7 - 1510.
11. Hench L. L. Bioceramics //J. Amer. Ceram. Soc. — 1998. — V. 81. — P . 1705- 1728.
12. Tadic D., Epple M. A Thorough Physicochemical Characterisation of 14 Calcium Phosphate-Based Bone Substitution Materials in Comparison to Natural Bone // Biomaterials. — 2004. — V. 25. — P. 987 - 994.
13. BohnerM. Calcium Orthophosphates in Medicine: from Ceramics to Calcium Phosphate Cements // Injury. — 2000. — V. 31. —Suppl. 4 . — D 3 7 - D 4 7 .
14. Bohner M. Physical and Chemical Aspects of Calcium Phosphates used in Spinal Surgery // Eur. Spine J. — 2001. — V . 10. — S114-S121.
15. Epinette J. A. M. D., GeesinkR. G. T. Hydroxyapatite Coated Hip and Knee Arthroplasty. — Amsterdam: Elsevier, 1995. — 394 p.
16. Material Fundamentals and Clinical Performance of Plasma-Sprayed Hydroxyapatite Coatings: a Review / L. Sun, C C. Berndt, K. A. Gross, A. Kucuk // J. Biomed. Mater. Res. (Appl. Biomater.). — 2001. — V. 58. — P. 570 - 592.
17. Griffith L. G., Naughton G Tissue Engineering — Current Challenges and Expanding Opportunities // Science. — 2002. — V. 295. — P. 1009 - 1014.
18. Longer R., VacantiJ.P. Tissue Engineering // Science. — 1993. — V. 260. — P. 920 - 926.
19. Biomaterials as Scaffold for Bone Tissue Engineering / M. Schieker, H. Seitz, L Drosse a. o. // Eur. J. Trauma. — 2006. — V. 32. — P. 114 - 124.
20. Synthesis and Characterization of Hydroxyapatite Using Carbon Nanotubes as a Nano-Matrix / S. Aryal, К. C Bahadur, N. Dharmaraj a. o. // Scripta Materialia. — 2006. — V. 54. — P. 131 - 135.
21. Injectable Porous Hydroxyapatite Microparticles as a N e w C a r -rier for Protein and Lipophilic Drugs / Y. Mizushima, T. Ikoma, J. Tanaka a. o. // J. Controlled Release. — 2006. — V. 110. — P. 260-265.
22. Ginebra M. P., Traykova T., PlanellJ. A. Calcium Phosphate Cements as Bone Drug Delivery Systems: a Review // J. Controlled R e l e a s e . — 2 0 0 6 . — V. 113. — P. 102 - 110.