Биоактивное стекло заменит титан в ортопедической практике

Составы

Базовые составы биоактивного стекла:

  • 45S5: SiO2(45%) Na2O(4,5%) CaO(24,5%) P2O5(6%){displaystyle {ce {SiO2(45%) Na2O(4{,}5%) CaO(24{,}5%) P2O5(6%)}}}
  • 58S: SiO2(58%) CaO(33%) P2O5(9%){displaystyle {ce {SiO2(58%) CaO(33%) P2O5(9%)}}}
  • 70S30C: SiO2(70%) CaO(30%){displaystyle {ce {SiO2(70%) CaO(30%)}}}
  • S53P4: SiO2(53%) Na2O(23%) CaO(20%) P2O5(4%){displaystyle {ce {SiO2(53%) Na2O(23%) CaO(20%) P2O5(4%)}}}

S53P4 является биоактивным стеклом, ингибирующим рост бактерий[21].

Предлагаем ознакомиться:  Позвоночник человека строение нумерация позвонков и межпозвонковых дисков

Получение

Выбор формулы

Изменение свойств биоактивного стекла
A., B.: SiO2(35−60%) Na2O(5−40%) CaO(10−50%){displaystyle {ce {SiO2(35-60%) Na2O(5-40%) CaO(10-50%)}}} — стекло биологически активное, связывается с костью, некоторые составы связываются с мягкими тканями;
  • Биостёкла класса А являются остеопродуктивными. Они связываются как с мягкими тканями, так и с костью. Гидроксиапатитовый слой формируется в течение нескольких часов.
  • Биостёкла класса B являются остеокондуктивными. С мягкими тканями не связывается. Формирование слоя гидроксиапатита занимает от одного до нескольких дней.
C.: SiO2(более 65%){displaystyle {ce {SiO2({более} 65%)}}} — стекло не биоактивное, почти инертное, инкапсулируется в волокнистую ткань;
D.: SiO2(более 50%) Na2O(менее 35%) CaO(менее 10%){displaystyle {ce {SiO2({более} 50%) Na2O({менее} 35%) CaO({менее} 10%)}}} — стекло биологически активное, резорбция в течение 10-30 дней;
С.: при SiO2(менее 35%){displaystyle {ce {SiO2({менее} 35%)}}} — стекло не образуется[10].

Без особого влияния на образование связи биостекла с костной тканью некоторое количество CaO{displaystyle {{ce {CaO}}}} можно заменить на MgO{displaystyle {{ce {MgO}}}}, а некоторое количество Na2O{displaystyle {{ce {Na2O}}}} на K2O{displaystyle {ce {K2O}}}. Помимо этого, некоторое количество CaO{displaystyle {{ce {CaO}}}} может быть заменено на CaF2{displaystyle {ce {CaF2}}}, при этом изменится скорость резорбции стекла.

Методы получения

Основные способы получения биоактивного стекла и его композитов — порошковый, золь-гель процесс[28][29], закалка из расплава (включая обычное охлаждение расплава), самораспространяющийся высокотемпературный синтез и микроволновое облучение[30].

Порошковый метод состоит из трех основных этапов: подготовка сырья в виде порошка, формирование заготовки прессованием, термическая обработка для повышения плотности и прочности материала. Зачастую используется горячее прессование и изостатическое прессование.
В процессе штамповки происходит диффузия атомов поликристаллического материала и вязкий поток аморфного стекла[28].

Также используются химические методы, позволяющие добиться высокой молекулярной гомогенности (однородности) и чистоты продукта. Один из таких методов — превращение золя в гель, который используют для получения пенистой и пористой биоактивной стеклокерамики. Во время золь-гель процесса происходит гидролиз оксида кремния с образованием коллоидного раствора и последующая его полимеризация в реакции конденсации с образованием геля. Для высыхания и затвердевания геля не требуется такая высокая температура как при прессовании[28].

Предлагаем ознакомиться:  Сибазон (2 мл): инструкция по применению, показания. (Другие названия: Диазепам)

Команда Ларри Хенча получала первый состав 45S5 как методом закалки в расплаве[10], так и с помощью золь-гель процесса[31]:

  • на первом этапе реагенты смешивают при комнатной температуре (гидролиз и поликонденсация происходят одновременно до гомогенизации раствора);
  • 2-й этап — гелеобразование;
  • термическая обработка при 60 °С для предотвращения растрескивания во время сушки (гель характеризуется уменьшением пористости, а также значительным улучшением механической прочности);
  • 4-й этап — сушка для удаления жидкой фазы из пор при температуре от 120 °С до 140 °С;
  • на пятом этапе высушенный гель стабилизируется при высокотемпературной термической обработке — около 700 °C[11].

Микроволновый метод заключается в том, что прекурсоры растворяют в деионизированной воде и помещают в ультразвуковую ванну для облучения. В результате облучения получают порошок, который в дальнейшем сушат и прокаливают. Данный метод занимает короткое время реакции и может применяться при создании монофазных наноразмерных порошков[30].

Биоактивное стекло заменит титан в ортопедической практике

В 2009 году была разработана технология производства нановолокон из биостекла с использованием лазерного «прядения». Небольшое количество материала-сырья расплавляется с помощью высокоэнергетического лазера для получения сверхтонкой нити, которая затем удлиняется и охлаждается мощным газовым потоком.

https://www.youtube.com/watch?v=ytcopyrighten-GB

Преимущества технологии — скорость процесса, нановолокна образуются в течение нескольких микросекунд. Метод позволяет получать стеклянные нановолокна диаметром от десятых до сотых долей микрона. Основным недостатком лазерного «прядения» является то, что в процессе производства потребляется много энергии[32].

Свойства

Основные требования, предъявляемые к биоактивному стеклу — это соответствие заданному уровню химических, механических и биологических характеристик. Составы должны иметь заданную прочность, трещиностойкость, износостойкость и сопротивляемость усталости. При интеграции с тканями обеспечивать стимулирование остеосинтеза и биосовместимость, не должно быть реакций со стороны иммунной системы[24].

Химические свойства

Отсутствие коррозии — главное достоинство и постоянное свойство биостекла. Два основных параметра регулируются составом и методом применения материала:

  • Свойство взаимодействовать с целевыми частями организма, исключая нежелательные химические реакции с тканями и межтканевыми жидкостями.
  • Свойство растворяться с контролируемой скоростью, с соблюдением расчётного времени, заложенного на формирование замещаемой ткани[24].
Биоактивное стекло заменит титан в ортопедической практике

Сочетание высокой прочности

титана

с остеокондуктивными свойствами гидроксиапатита в заготовке имплантата

[33]

.

Показатели механической прочности, в том числе усталостной, и трещиностойкости биокерамики, биостекол и биоситаллов существенно, в 10-100 раз ниже, чем у естественной костной ткани. Это ограничивает возможность использования конструкции, изготовленной из биоактивного стекла, для реконструкции органа с повреждённой костной тканью.

Предлагаем ознакомиться:  Воротник для шеи при остеохондрозе

Биостекло не как вспомогательный, а как основной материал применяется только для не несущих значительные физиологические нагрузки костей[5]. Примерами могут служить имплантация электродов для восстановления слуха при повреждении слухового нерва или восстановление корней зубов[24]. Обычно биостекло сочетается с полимерами и металлами.

При определённой рецептуре и технологии производства биоактивное стекло может быть получено в виде нужной пористой структуры с заданными размерами ячеек и их ориентацией. Такие стекла могут служить наполнителем или покрытием в поглощаемых полимерах — материалах, предназначенных для постепенного распада и замены природной тканью организма-хозяина. Показатели упругости полученных композитных материалов соответствуют упругим константам кости[28].

Биоактивное стекло заменит титан в ортопедической практике

Медленное охлаждение расплава стеклообразующих оксидов по специальным температурным режимам позволяет частично закристаллизовать стекло (при этом чаще всего образуется метасиликат кальция — волластонитCaSiO3{displaystyle {ce {CaSiO_3}}}) и получить смешанные, стеклокристаллические материалы — биоситаллы, которые имеют более высокие по сравнению со стёклами механические характеристики.

Биоактивное стекло заменит титан в ортопедической практике

Взаимодействие с межтканевой жидкостью на поверхности биостекла и образование новой костной ткани.

Под понятием «биологическая активность» подразумевается способность синтетического материала активно взаимодействовать с окружающими тканями с образованием непосредственной связи с ними.
При использовании биологически активного материала 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, материал воспринимается организмом почти как собственная ткань[5].

Ключевым элементом, который обеспечивает высокую биоактивность биостекла, является кремний. Гидролиз биостекла в межтканевой жидкости приводит к образованию тонкого гелеобразного слоя кремниевой кислоты на поверхности имплантата. Отрицательно заряженные гидроксильные группы поверхности слоя кремневой кислоты притягивают из окружающего раствора межтканевой жидкости ионыCa2 {displaystyle {ce {Ca^2 }}}, заряд поверхности становится положительным, затем на поверхность осаждаются ионы фосфорной кислоты — происходит рост слоя гидроксиапатита.

Биоактивное стекло образует связь с костной тканью значительно быстрее биокерамических материалов за счёт аморфности. Произвольная аморфная сетка растворяется и взаимодействует с межтканевой жидкостью значительно быстрее, чем кристаллическая решётка керамического материала. Благодаря этому гидроксиапатит формируется быстрее по сравнению с другими материалами[28].

https://www.youtube.com/watch?v=ytcreatorsen-GB

Изменяя состав биоматериала, можно в широких пределах менять биоактивность и резорбируемость биостекла. Если материал биоактивный — образуется костная ткань, если биорезорбируемый — происходит замена материала костной тканью[24].

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Болезни суставов
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector