X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Многие возрастные изменения в человеческом организме запрограммированы генетически, и борьба с ними простыми способами бесполезна. Болезни костной ткани у людей в возрасте являются самыми распространенными, так как с возрастом увеличивается потеря массы кости из-за активного вымывания из организма катионов кальция, который составляет основу скелета организма человека. Это заболевание носит название остеопороз. Кости, затронутые данным заболеванием, становятся хрупкими, они с трудом выносят возложенную на них работу. В результате перелома срастается такая кость намного дольше, чем здоровая. С момента рождения в нашем организме протекают два равновесных процесса: беспрерывное образование новой костной ткани и резорбция (растворение) старой. С возрастом равновесие смещается в сторону резорбции, а новая ткань уже не занимает место растворенной с прежней силой, и избыток катионов кальция (продукт данного процесса) выводится из организма естественным путем.

Структурную основу человеческой кости составляет композит, представляющий собой кристаллы нестехиометрического гидроксилапатита (Ca10−x−y/2(HPO4)x(CO3)y (PO4)6−x−y(OH)2−x), и длинные цепочки белка коллагена. Этот композит является пространственной основой, помимо остеобластов и остеокластов заполненной макрофагами, капиллярами и прочим. Кость составляют следующие друг за другом слои: внешний — надкостница, после - компактное и губчатое вещества кости, а также желтый костный мозг. Вообще существует множество разных вариантов заменить костную ткань с помощью различного многообразия материалов. Для их осуществления пользуются металлическими, керамическими, пластиковыми и даже стеклянными протезами, но они все далеко не идеальны. Такая замена никак не может быть полноценной. Материал ни в коем случае не должен быть токсичным и стимулировать отмирание окружающей протез ткани. Но часто материалы, которые не являются токсичными для человека, начинают при попадании в его организм окружаться клетками соединительной ткани. По количеству этой ткани, которая образует капсулу (шрам), делают вывод о степени биосовместимости данного материала. Материал, срастающийся с организмом и не оставляющий никаких следов, является биоактивным. В стоматологии в качестве примера можно привести стеклянный материал BIOGLASS. Используется он как для установки имплантатов из других материалов, так и для самостоятельной имитации кости. В результате помещения имплантата в организм, клетки костной ткани «прорастают» в его надкостницу, крепко соединяя имплантат с костью. Для усиления прочности срастания нужно увеличить площадь поверхности материала. Чем пористей он будет, тем прочнее кость свяжется с искусственной частью. Таким образом, нежелательно полностью заменять кость на искусственный материал. Самым благоприятным вариантом станет замена поврежденного участка ткани на биоактивный протез, который сначала срастется с окружающими тканями, а затем ускорит естественное восстановление кости и постепенно растворится, не оставив никакого шрама. Чаще всего в ортопедии для таких целей используется гидроксилапатит, который стехиометрически является самым приближенным по строению к минеральной составляющей кости. Его формула: Ca10(PO4)6(OH)2.

Варианты синтеза гидроксилапатита условно делятся на высоко- и низкотемпературные. Биоактивность материалов, полученных высокотемпературным способом, очень низкая. Низкотемпературные методы условно разделяют на две большие группы: гидролиз (в том числе и гидротермальные методы синтеза) и осаждение из раствора. Так же возможен комбинированный метод золь–гель синтеза (сухой остаток геля подвергается разложению при относительно невысокой температуре 400–700 С, а материалы, полученные таким образом, представляют собой твердую, пористую керамику, по химическому составу и физическим свойствам напоминающую минерал кости).

Биоактивность — совокупная характеристика совместимых с человеческим организмом материалов, которая помимо воздействия на физиологические процессы роста и дифференциации клеток, учитывает также и скорость растворения материала в средах, создаваемых определенными группами клеток; скорость осаждения материала из межтканевой жидкости на поверхность материала. Одним из главных требований, предъявляемых к биоактивным материалам, применяемым в медицине для восстановления целостности кости, является относительно высокая скорость растворения (порядка десятков мкм в год) — биорезорбируемость. Активную роль в биохимии данных процессов, которые протекают на границе раздела кость/имплантат с участием специфических для остеосинтеза клеток, играет поверхность. Крупнокристаллическая керамика на основе ГАП подвергается процессу резорбции медленно, ее фрагменты можно выявить в кости и через много лет. Керамика, полученная с применением β-трикальцийфосфата (-Ca3(PO4)2), резорбируется настолько быстро, что растущая кость не успевает наполнить формирующиеся полости. Насколько быстро материал растворится зависит от многих различных факторов: площади поверхности, структуры, состава, степени повреждения материала. Именно данные характеристики будут определять ответ организма на инородный объект. Биоактивные материалы характеризуются довольно быстрым сращением с костной тканью через формирование дополнительного слоя ГАП, образующегося либо в результате растворения фосфата кальция — осаждения гидроксилапатита, либо в результате осаждения ГАП из пересыщенного раствора в тканевой жидкости. Также важным свойством современных имплантационных материалов является их остеоиндуктивность — способность поддерживать активность остеобластов и стимулировать синтез костной ткани вне кости de novo. Это свойство очень значимо для искусственных имплантатов, поскольку для инициации остеогенеза вокруг имплантата необходимо микроокружение частицами живой костной ткани. Вновь формирующаяся кость понемногу срастается с опоясывающими имплантированными участками, «переключаясь» с одной на другую. Самым активным с точки зрения остеосинтеза считается аморфная модификация гидроксилапатита. Однако достаточно кристалличный ГАП с кристаллитами, приближающимися по размерам к кристаллам в костной ткани (20–40 нм3), может представлять результаты на порядок выше, чем у аморфных цементов, применяющихся в современном мире. Биоинертность материалов никак не влияет на процесс остеосинтеза. На поверхности сделанных из них имплантатов образуется фиброзная ткань, которая, в свою очередь, препятствует связыванию имплантата с костью. Здесь присутствует большая вероятность отторжения таких материалов организмом, которая часто влечет за собой возникновение воспалительных процессов. Но полный отказ от этих материалов попросту невозможен, поскольку они дешевы и легки в обработке. Основной проблемой, требующей решения при проектировании имплантата из биоинертных материалов, остается приближение упругих характеристик имплантата к характеристикам кости, а также снижение скорости процессов коррозии. В отличие от материалов на основе полимеров и металлов, керамика на основе фосфатов кальция обладает как биосовместимостью, так и биоактивностью, и, следовательно, остается материалом, имеющим большие перспективы в области костной имплантации. Несмотря на это, она имеет свои недостатки, главным из которых является хрупкость. На настоящий момент лучшим вариантом остается использование композитов из покрытых кальций-фосфатной керамикой металлов или полимеров. Данные композиты очень хорошо обеспечивают внедрение материала в костную ткань, не позволяя синтезироваться фиброзной ткани вокруг биоинертного металла. По истечении времени протез довольно сильно срастется с окружающей костью, которая заменит слой гидроксилапатита. В отличие от металлических и пластиковых аналогов, вероятность отказа таких протезов существенно ниже.

С помощью добавления в состав композита дополнительных веществ можно прибавить к таким материалам некоторые терапевтические эффекты. Это не очень практично, поскольку усложняет клинические пробы. Но существует возможность достичь прогресса и получить уникальные свойства, незначительно изменяя состав и вводя в решетку ГАПа примеси других катионов и анионов. Контролируя биохимический состав керамики, можно варьировать ее прочность, размер и форму кристаллитов, скорость растворения и многие другие параметры. Модифицировать кальций-фосфатную керамику можно введением множества различных компонентов. Возможности выбора таких модификаторов (легирующих компонентов) весьма обширны: в зависимости от размеров замещаемого иона можно изменить состав как на доли, так и на десятки процентов. К примеру, малые концентрации ионов кремния активируют регенерацию костной ткани, выполняя роль антигена для соответствующих клеток. На практике гидроксилапатитом пользуются в виде цемента или пористых вкладок для заполнения трещин, каверн и других дефектов как в ортопедии, так и в челюстно-лицевой хирургии. Его наносят на протезы из других материалов (чаще всего металлических или полимерных) в виде пленки для уменьшения рисков отторжения и для лучшей фиксации за счет формирования новых тканей вокруг протеза. В основном это протезы тазобедренного сустава и всевозможные зубные протезы. Очевидно, что искусственно синтезированный гидроксилапатит далеко не идеален, и в качестве материала для имплантации при создании полноценных протезов крупных костей или суставов его пока применять нельзя. Но такие его полезные свойства как относительно простое регулирование состава и морфологии кристаллитов, биоактивность и способность ускорять естественную регенерацию, позволяют на его основе делать препараты для исправления и профилактики костных дефектов уже сейчас.

Список используемых источников:

Вересов А.Г., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д. (2000). Достижения в области керамических материалов. Рос. Хим. Журн. № 6 (2000);

Hench L.L. (2006). The story of Bioglass. J. Mater. Sci. Mater. Med. 17;

Дорожкин С.В., Агатопоулус С. (2002). Биоматериалы: Обзор рынка. Химия и жизнь № 2 (2002);

Материалы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005».Секция «Химия», т. 2. М.: 2005;

https://biomolecula.ru/articles/gidroksilapatit-samyi-glavnyi-iz-fosfatov-kaltsiia#source-6

Код для цитирования: Скопировать