Биокерамика на основе фосфатов кальция

Российская академия наук

Институт физико-химических проблем керамических материалов

С.М. Баринов, В.С. Комлев

Биокерамика на основе фосфатов кальция

Москва, 2005

Аннотация

Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. - М.: Наука, 2005. - с. - ISBN 5-02-033724-2 (в обл.).

Книга посвящена химии, технологии, исследованиям структуры и свойств материалов медицинского назначения на основе фосфатов кальция. Для реконструкции дефектов, возникающих в результате травм, заболеваний, операционного вмешательства в костной хирургии и стоматологии, до недавнего времени использовали только ауто- или аллотрансплантаты. В последние годы усилия исследователей при замещении костных дефектов направлены на создание синтетических материалов, наиболее перспективные из которых - материалы на основе фосфатов кальция. Порошки, гранулы, самотвердеющие цементы, керамика, покрытия из фосфатов кальция уже широко применяются в медицинской практике.

Для специалистов в области неорганической химии, медицинского материаловедения, биохимии и биомеханики, практической медицины, студентов, аспирантов.

Barinov S.M., Komlev V.S. Calcium phosphate based bioceramics. - M.: Science, 2005. -

Chemistry, technology, and results of structural study and properties evaluation of biomedical calcium phosphate base materials are discussed. To reconstruct defects due to diseases, trauma events and post-surgery, the allo- and autografting techniques have recently been applied. At present, attempts are directed towards the development and application of synthetic grafting materials, the most prospective of those being calcium phosphate materials. Powders, granules, self-setting cements, ceramics, and coatings are now widely used in medicine.

For specialists dealing in the fields of inorganic chemistry, medicine materials science, biochemistry and biomechanics, practical medicine, and also for high-school students and post-graduated students.

Оглавление

предисловие

Введение

1. Биологическая костная ткань: состав, строение, свойства

2. Ортофосфаты кальция

2.1 Структура ортофосфатов кальция

2.2 Изоморфные замещения

3. Синтез и спекание порошков ортофосфатов кальция

3.1 Синтез ортофосфатов кальция

3.2 Термическая стабильность и особенности спекания фосфатно-кальциевой керамики

4. Материалы на основе фосфатов кальция

4.1 Гранулы

4.2 керамика

4.3 Композиционные материалы

4.4 Фосфатно-кальциевые цементы

4.5 Покрытия

5. Некоторые аспекты взаимодействия фосфатов кальция с физиологической средой

Заключение

литература

Предисловие

В последние годы значительное внимание уделяется созданию керамических материалов медицинского назначения, предназначенных для использования при реконструкции дефектов костных тканей, образующихся в результате патологических изменений в организме, обширных хирургических вмешательств или травм. Использование материалов на основе фосфатов кальция, характеризующиеся биологической совместимостью с тканями организма и активностью по отношению к соединению с костной тканью и формированию новой костной ткани, предоставляет уникальные возможности в этом направлении. Разработано и изучено много вариантов использования керамических материалов в организме: от спеченных имплантатов, несущих физиологические нагрузки, до цементов, применяемых для пластики костных дефектов, керамических средств локализованной и пролонгированной доставки лекарственных препаратов в организм, биоактивных покрытий, обеспечивающих интеграцию имплантата с костной тканью, и пористых матриксов для клеточных технологий реконструкции костных тканей. Проблема керамики в медицине - междисциплинарная. В предлагаемой вниманию читателей книге рассмотрены, главным образом, аспекты химии и химической технологии материалов на основе ортофосфатов кальция; приводятся также результаты исследований, позволяющие сделать определенные выводы о перспективности тех или иных материалов и технологий. Книга имеет концептуальный характер, в ней изложены не только результаты собственных исследований авторов, но и сделана попытка обобщения и систематизации существующих в мировой литературе данных. Книга может представлять несомненный интерес для специалистов в области неорганической химии, керамической технологии, медицинского материаловедения и ученых, занятых в смежных областях - биологии, медицине.

Введение

Миллионы людей подвержены поражениям костных тканей в результате патологических заболеваний, таких как остеомиелит, остеосаркома, остеопороз, или травм. Современное состояние хирургии, например в онкологии, позволяет спасти жизнь многим пациентам за счет новой техники расширенных хирургических вмешательств, которые, однако, приводят к значительным послеоперационным костным дефектам. С античных времен медики ищут способы реконструкции костных тканей посредством замещения дефекта имплантатом для обеспечения возможности нормального функционирования поврежденного органа, например, нести физиологические нагрузки. Проблема состоит в материале для имплантата. В идеальном случае материал должен быть биологически совместимым с тканью, то есть вызывать адекватный отклик со стороны организма, не быть токсичным, не вызывать отрицательных иммунных и других реакций со стороны организма, не отторгаться организмом как инородное тело, и быть биологически активным, то есть образовывать непосредственную связь с биологической системой с образованием на нем или замещением его костной тканью и, желательно, индуцировать процессы образования костной ткани. Имплантат должен сохранять свои функциональные качества в течение определенного периода времени, не изменяя существенно свою структуру и механические свойства.

Многие материалы были опробованы для этой цели. Изначально предпочтение отдавалось биологически инертным, то есть не токсичным и устойчивым к биохимическим воздействиям организма материалам: коррозионно-стойким металлам (титан и его сплавы, нержавеющая сталь и др.), керамике (корундовая, диоксид-циркониевая керамика) и пластмассам (полиметилметакрилат, высокомолекулярный полиэтилен). Однако биоинертные материалы нашли лишь ограниченное применение в реконструктивно-восстановительной хирургии из-за неизбежных реакций отторжения. Возможно, наиболее распространенная конструкция из биоинертных материалов это эндопротез тазобедренного сустава. Способность его деталей к интеграции с костной тканью может быть достигнута нанесением биоактивных покрытий.

Для замещения костных дефектов используют термически обработанные для удаления органической составляющей алло - или аутографты. Первые представляют собой «мертвую» костную ткань донора, вторые – костную ткань самого пациента. Применение для имплантации аллографтов связано с опасностью инфицирования, отрицательных иммунных реакций, неконтролируемой резорбируемостью имплантата. Использование же аутографтов связано с необходимостью вторичных хирургических вмешательств для извлечения участка здоровой кости, что может быть проблематично для здоровья пациента и практически нереально в случае необходимости замещения объемных дефектов. Долгое время существовало мнение, что полной биологической совместимостью обладают только аутогенные ткани. Тем не менее, усилия исследователей были направлены на создание синтетических материалов, которые воспринимались бы организмом почти как аутогенная ткань.

Значительный прогресс достигнут при использовании биологически активных материалов на основе веществ, изначально близких по химическому и фазовому составу к костной ткани, либо способных к образованию таких веществ на своей поверхности в результате биомиметических процессов взаимодействия с окружающими тканями и жидкостями организма. К первой группе биоактивных материалов для костной имплантации относятся некоторые ортофосфаты кальция, структура, технология и свойства которых изучаются в течение многих лет [1-15], а также являются предметом интенсивных исследований в настоящее время, некоторые результаты которых рассмотрены в настоящей книге. Принципиально другой класс биоактивных материалов - это биостекла и биоситаллы [6,16-19].

Под понятием биологическая активность подразумевается способность синтетического материала активно взаимодействовать с окружающими тканями с образованием непосредственной связи с ними, проявляя остеокондуктивность и (или) остеоиндуктивность. Остеокондуктивность - это способность материала к адгезии и связыванию остеогенных клеток, обеспечению биологических потоков, неоваскуляризации, и поддержанию процессов пролиферации и дифференцировки клеток из окружающей живой ткани, с образованием непосредственной связи с костной тканью или быть постепенно замещаемым новообразующейся тканью, тогда как остеоиндуктивность - это способность материала индуцировать дифференцировку клеток в остеообразующие (хондроциты, остеобласты) из окружающих некостных тканей на его поверхности [20]. Возможно сочетание остеокондуктивного и остеоиндуктивного поведения, если материал оказывает влияние на функции клеток, например усиливая эффективность дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток в остеообразующие при культивировании первых на биоактивном материале.

Однако возможности непосредственного имплантирования конструкции, изготовленной из биоактивного керамического материала, для реконструкции органа с поврежденной костной тканью весьма ограничены. Причина состоит в низких показателях механической прочности, в том числе усталостной, и трещиностойкости биокерамики, биостекол и биоситаллов, которые существенно, в 10-100 раз ниже, чем у естественной костной ткани [21]. Особенно важное значение имеет рассогласование модулей упругости керамики и костной ткани. Для нормального функционирования кости опорно-двигательного аппарата необходимы физиологические нагрузки, экранирование которых материалом с более высоким модулем упругости (керамика) может привести к деградации костной ткани. Поэтому керамические имплантаты могут быть использованы только для не несущих значительные физиологические нагрузки органов, и с определенной степенью риска. При этом необходимо учитывать влияние среды организма, ускоряющие процессы разрушения материала (диссоциативная хемосорбция и другие механизмы так называемой "коррозии под напряжением") [21-24].

Революцией в реконструктивно-восстановительной костной хирургии можно считать разработку принципиально нового метода, названного инженерией костной ткани (bone tissue engineering), который мог бы представляться фантастическим всего лишь десятилетие назад [20,26,27]. Согласно этому методу, 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. Более детально, метод инженерии костной ткани состоит в культивировании стромальных стволовых клеток пациента и определенных биомолекул в биологически совместимом с организмом, остеокондуктивном пористом матриксе. Затем такой имплантат помещается в дефект кости. В результат пролиферации и дифференцировки стромальных клеток происходит формирование новой костной ткани в поровом пространстве матрикса в соответствии с заложенной генетической информацией. Естественно, что должны использоваться стволовые клетки самого пациента, обладающие достаточно высокой активностью к пролиферации и дифференцировке в остеообразующие клетки. В матрикс могут вводиться также морфогенетические, придающие свойства остеоиндуктивности, и другие протеины, факторы роста, белки (коллаген), лекарственные препараты.

Можно представить себе следующую ситуацию, схематически представленную на рис.1 [20]. С помощью томографа и компьютерного моделирования производится проектирование трехмерной архитектуры матрикса с учетом всех анатомических особенностей (строение кости, расположение кровеносных сосудов, нервных окончаний и т.д.). Матрикс может быть изготовлен различными методами, например стерео литографией или шликерным литьем керамической суспензии с последующим спеканием. В матриксе культивируют стромальные стволовые клетки пациента и такую композиционную конструкцию выдерживают в специальном реакторе с добавлением протеинов, факторов роста и дифференцировки, и других необходимых для жизнедеятельности клеток препаратов. Затем эта «живая» конструкция имплантируется пациенту, причем она обладает способностью адаптироваться к динамически изменяющимся физиологическим условиям в организме и эволюционировать во времени таким же образом, как это делала бы собственная костная ткань пациента.

Проблема имеет интердисциплинарный характер, но ключевым моментом для развития технологии является создание материала, который должен удовлетворять определенным требованиям. Помимо того, что материал должен быть биосовместимым и биоактивным, обладая заданной кинетикой биорезорбции в организме и постепенно замещаясь костной тканью, он должен быть также достаточно технологичным, чтобы из материала можно было изготовить требуемую по форме, размерам и структуре конструкцию для имплантации. Конечно, материал должен быть достаточно прочным, чтобы орган мог выдерживать без разрушения физиологические нагрузки в переходный период.

Многие материалы были опробованы для изготовления матриксов, наиболее перспективными представляются некоторые полимеры, кальций-фосфатная керамика и биостекла. Несмотря на значительные преимущества по технологичности и механическим свойствам, биосовместимые полимеры обладают существенным недостатком из-за возможной токсичности продуктов их деструкции, либо несовместимой с процессом остеогенеза кинетикой резорбции. Поэтому значительные усилия исследователей направлены на разработку керамических матриксов. Идеальным для этой цели представляется использование апатитовой кальций-фосфатной керамики, поскольку минеральная составляющая костной ткани представлена, в основном, гидроксиапатитом кальция. Керамика должна иметь достаточно большую открытую пористость, поры должны быть взаимосвязанными для обеспечения биологических потоков и достаточно крупными – для обеспечения жизнедеятельности остеобластов, строящих костную ткань. Полагают, что минимальный размер открытых пор должен быть порядка 150 мкм. Керамика должна быть достаточно прочной, способной выдерживать нагрузки в период процесса формирования новой костной ткани, и медленно резорбируемой во времени, сохраняя свою структур и свойства, по крайней мере в течение 2-3 месяцев периода имплантирования. Она должна активно адсорбировать протеины из плазмы крови, для чего желательно наличие тонких пор и шероховатость поверхности. Такой керамический матрикс может быть пропитан лекарственными препаратами для локальной и пролонгированной их администрации в окружающие ткани, например для подавления инфекций, которые могут быть занесены при манипулировании.

Технология керамических материалов включает операции формования из керамической массы так называемой сырой заготовки и последующее спекание. Спеченным керамическим блокам подчас трудно придать необходимую форму и точно подогнать по размерам к заполняемому дефекту кости, имеющиеся зазоры на границе раздела керамика-кость усложняют процесс интеграции. Решение проблемы найдено посредством применения костных цементов, схватывающихся и твердеющих in situ при заполнении дефекта. Для пластики костных тканей и в стоматологии широко применяют кальций-фосфатные цементы. Схватывание в таких системах может быть основано на двух типах взаимодействий. Первое - это химическая реакция относительно основного ортофосфата с относительно кислым с образованием в результате нейтрального ортофосфата (рН = 7), в частности гидроксиапатита. Второй тип взаимодействий основан на гидратации, например бета-модификации трехкальциевого фосфата с образованием гидроксиапатита [28].

Гидроксиапатит (ГА) - наиболее устойчивый к резорбции внеклеточными жидкостями организма ортофосфат кальция - является основной минеральной составляющей костной ткани, зубной эмали и дентина. ГА играет важнейшую роль во многих физиологических процессах, происходящих в организме человека [28,29]. Перенасыщенность биологических жидкостей организма ионами кальция и фосфат-ионами обеспечивает протекание процессов минерализации. В частности, слюна обладает минерализующими свойствами, защищая зубы при патологических процессах. ГА является кальцификатом, развитие которого может приводить к поражению сердечного клапана и сосудов [31]. Полагают, что механизмы минерализации сердечного клапана аналогичны таковым для костной ткани; образование и рост кристаллов ГА происходит из крови под матричным контролем коллагена, к которому ГА имеет кристаллографическое соответствие [31]. Депо кальция и фосфора в организме, образующееся за счет костного скелета, является главным фактором процессов минерализации и естественных процессов остеогенеза [29]. Естественно поэтому внимание к ГА и другим ортофосфатам кальция как к потенциально наиболее биологически совместимым и активным материалам.

Первое исследование по применению фосфата кальция (трехкальциевый фосфат) in vivo относят к 1920 г. [32]. В последующие годы были изучены различные ортофосфаты [33], в том числе ГА [34]. Значительный вклад в науку о фосфатах кальция внесли отечественные ученые, особенно школы Института общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова РАН (И.В.Тананаев, В.П.Орловский), Московского Государственного университета им. М.В.Ломоносова (Ю.Д.Третьяков, И.В.Мелихов, Б.И.Лазоряк), Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева (П.Д.Саркисов, Н.Ю.Михайленко, Е.С. Лукин, А.С. Власов).

Интенсивные исследований в области биологического поведения ГА и других ортофосфатов начаты лишь в 70-х годах 20 в. [35-37]. Х.Аоки с сотр.[35] и М.Ярчо с сотр. [36] доказали биосовместимость ГА в экспериментах in vivo. Это стимулировало исследования взаимодействия фосфатной керамики с тканями и жидкостями организма для установления механизмов остеокондуктивности. Важным является открытие Т.Кокубо роли свободных радикалов на поверхности для процесса осаждения апатитоподобных фаз из внеклеточных жидкостей организма [38]. Примерно одновременно Берченко Г.Н с соавт. [39] и Х.Огуши с соавт. [40] открыли эффект положительного влияния клеток костного мозга на биоактивность ГА-имплантатов и выдвинули гипотезу о возможности управления процессом остеогенеза. Данное открытие привело к концептуальному изменению подхода к проблеме замещения и восстановления поврежденной костной ткани, к клеточным технологиям - инженерии костной ткани. В то же время не прекращаются исследования в области совершенствования составов и технологии керамики с целью регулирования ее химических (кинетика растворения) и механических (несущая способность имплантируемой конструкции) свойств, микроструктуры (требуемая пористость для обеспечения биологических потоков) и биологического поведения (взаимодействие с протеинами и клетками). Созданы разнообразные композиционные материалы на основе ГА, в том числе с биополимерами [41,42]. Параллельно разрабатывается цементная технология заполнения дефектов костной ткани и создаются неформованные, твердеющие in situ цементные материалы на основе ортофосфатов. Разрабатываются керамические материалы, предназначенные для локальной и пролонгированной администрации лекарственных препаратов в организм человека, что необходимо в случае терапии таких заболеваний, как остеомиелит. В настоящее время материалы на основе ГА и других ортофосфатов кальция находят широкое применение в медицинской практике: в стоматологии, травматологии и ортопедии [43-46]. Разработка новых медицинских клеточных технологий инженерии костной ткани представляет собой, по-видимому, самое перспективное и актуальное направление, особенно в связи с необходимостью реабилитации больных после расширенных хирургических вмешательств, например в онкологии.

Вопросы риска, связанного с использованием клеточных технологий инженерии костных тканей, обсуждались на специальном заседании Комитета Европейской Комиссии [47]. В заключительном документе Комитета отмечено, что потенциальный риск таких технологий достаточно низок, ниже, чем например ксенотрансплантации, поскольку источником биологического материала является сам пациент. Существует опасность внесения инфекции при манипулировании, как, впрочем, и при других хирургических вмешательствах, остаются невыясненными некоторые биологические последствия взаимодействия клеточных культур с материалом матрикса. Последнее, в случае описанной керамики, вряд ли приведет к существенным отрицательным последствиям, поскольку гидроксиапатит и материалы на его основе широко применяются без противопоказаний в клинической практике в течение более двух десятилетий. Более детально ознакомиться с возможными рисками при использовании технологии инженерии тканей можно, прочитав статью проф. Д.Уильямса, одного из инициаторов этого движения и внесшего большой вклад в его развитие [48]. Можно отметить высокую степень оптимизма в заключении о том, что ситуация в инженерии тканей выйдет на уровень фармацевтического производства и пока еще высокие затраты на производство и лечение вполне оправдываются клиническим результатом, который часто вообще недостижим при использовании традиционных методов реконструктивно-восстановительной хирургии. К началу 2001 г. капитал 16 основных компаний, занятых в производстве материалов для инженерии тканей, достиг 2,6 млрд. долл. США, с ожидаемым увеличением капитала до 20% в год. Однако, продукция таких компаний все еще имеет пометки «для исследований» или «экспериментальная продукция». Несмотря на это обстоятельство (ограниченные возможности страхования последствий), многие пациенты уже не видят альтернативного способа восстановления качества их жизни.

В предлагаемой вниманию читателей книге сделана попытка обобщения результатов разработок в области химической технологии фосфатов кальция и различных материалов на их основе с учетом существующих тенденций развития исследований в этой важнейшем направлении. Из-за ограниченности объема книги, авторы не претендуют на детальное рассмотрение всех аспектов проблемы, особенно биологических. Авторы старались в возможно большей степени представить результаты собственных исследований, но не отдельно, а в контексте всего изложения. В Институте физико-химических проблем керамических материалов РАН разработаны оригинальные методы синтеза различных ортофосфатов кальция с анионными и катионными замещениями, проведены уникальные исследования термической стабильности некоторых замещенных ортофосфатов. Созданы оригинальные технологии изготовления пористых сферических гранул и керамических матриксов с бимодальным распределения пор, которые могут быть использованы в системах администрации лекарственных препаратов и в клеточных технологиях реконструкции дефектов костной ткани. Установлены закономерности спекания ряда керамических материалов, в том числе с использованием активирующих спекание добавок, и выявлены некоторые новые аспекты фазообразования. Разработаны композиционные материалы на основе ортофосфатов кальция с биополимерами, обладающие существенно (до 10 раз) повышенными механическими свойствами по сравнению с пористой керамикой и, в то же время, достаточной открытой пористостью для эффективности процесса остеоинтеграции. Внесен вклад в изучение и создание новых цементных систем. Исследованы новые, перспективные технологии нанесения фосфатно-кальциевых покрытий на титановые имплантаты. Большинство разработанных материалов аттестованы in vitro и in vivo. Наука о биоматериалах - междисциплинарная и успешное выполнение исследований по данной проблеме невозможно без научного взаимодействия с коллективами, занятыми в смежных областях знаний. Авторы высоко ценят помощь, оказанную учеными и специалистами Московского научно-исследовательского онкологического института им. П.А.Герцена (Решетов И.В., Сергеева Н.С., Свиридова И.К., Кирсанова В.А.), ЗАО Полистом (Курдюмов С.Г.), НСИ Института исследования материалов, Италия (Д.Ферро, Дж. Рау), Института исследования материалов САН, Словакия (Ю. Дюришин, Л. Медвецки), Медицинского факультета Университета Мио, Япония (М. Хасегава, А. Учида), Университета Анконы, Италия (Ф. Рустикелли). Ряд экспериментальных разработок выполнен при поддержке РФФИ (№ 03-03-32230), Правительства Москвы, Фонда содействия отечественной науке и Программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы».