ПОЛУЧЕНИЕ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ 3D-ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ КОСТНОЙ ПЛАСТИКИ НА ОСНОВЕ КАЛЬЦИЙМАГНИЙФОСФАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Лукина Ю.С.1, Свентская Н.В.2, Андреев Д.В.3
1ORCID: 0000-0003-0121-1232, Кандидат технических наук, 2ORCID: 0000-0001-7851-7518, Кандидат технических наук, 3ORCID: 0000-0002-8485-0859, Кандидат технических наук, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
ПОЛУЧЕНИЕ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ 3D-ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ КОСТНОЙ ПЛАСТИКИ НА ОСНОВЕ КАЛЬЦИЙМАГНИЙФОСФАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
Дикальцийфосфат дигидрат, биорезорбируемый фосфат кальция, вызывает большой интерес в силу развития регенераторного подхода к лечению костной ткани. В связи с благоприятным влиянием магнийсодержащих цементов на клеточную активность и улучшением прочностных характеристик при подпрессовке цементного теста, целью данной работы явилось получение магнийсодержащего реакционно-связанного материала на основе брушита и ньюберита. Установлены закономерности влияния количества магния в прекурсоре и давления прессования на прочностные характеристики конечного продукта. Предложен метод получения индивидуального имплантата методом 3D-моделирования для восстановления костной ткани.
Ключевые слова: реакционно-связанный материал, брушит, ньюберит, 3D-моделирование, костная ткань.
Lukina Y.S.1, Sventskaya N.V.2, Andreev D.V.3
1ORCID: 0000-0003-0121-1232, PhD in Engineering, 2ORCID: 0000-0001-7851-7518, PhD in Engineering, 3ORCID: 0000-0002-8485-0859, PhD in Engineering, Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
OBTAINING INDIVIDUAL 3D IMPLANTS FOR BONE PLASTICS ON THE BASIS OF MATERIALS FROM CALCIUM MAGNESIUM PHOSPHATE
Abstract
Dicalcium phosphate dihydrate, bioresorbable calcium phosphate, is of great interest to researchers due to the development of a regenerative approach in the treatment of bone tissue. Magnesium-containing cements have a very positive effect on cellular activity and the improvement of strength characteristics in the pre-pressing of the cement paste. The aim of this paper is to obtain a magnesium-containing reaction bonded material based on brushite and newberyite. The regularities of the influence of magnesium amount in the precursor and the pressing pressure on the strength characteristics of the final product are established. The method for obtaining individual implants made with the help of 3D modeling for bone tissue restoration is proposed.
Keywords: reaction bonded material, brushite, newberyite, 3D modeling, bone tissue.
Введение
В настоящее время в медицине существуют различные методы лечения травм и дефектов костной ткани, возникающих по разным причинам, в том числе связанных с заболеваниями типа остеомиелита, остеопороза и т.д. Для восстановления нормального функционирования поврежденного участка костной ткани могут быть применены имплантаты.
В последние годы большой интерес вызывает концепция реконструкции костных тканей, основанная на использовании материалов, постепенно резорбирующих в организме и замещающихся новообразованной костной тканью. При этом материал является активным источником необходимых для построения костной ткани ионов Ca2+ и PO43-. Данный регенеративный подход требует от современных биоматериалов, прежде всего остеостимулирующего действия материала имплантата на костную ткань в зоне дефекта, ускорения процесса срастания и замены имплантата новой костной тканью.
Одним из наиболее распространенных материалов для костной пластики является гидроксиапатит, наиболее стабильный фосфат кальция при физиологических значениях рН = 7,4, что делает имплантаты на его основе медленно или частично резорбируемыми. В противоположность ему, дикальцийфосфат дигидрат (далее – ДКФД, брушит), является метастабильным соединением, что обуславливает его повышенную скорость резорбции в физиологических средах организма. ДКФД в качестве коммерческих продуктов выпускается в виде цементов JectOS («KASIOS SAS», Франция), PD VitalOs Cement («Produits Dentaires SA», Швейцария), ChronOs Inject («Synthes AG», Швейцария»), PolyBone («Kyungwon Medical Co.Ltd», Корея).
Для предотвращения перекристаллизации дигидрата дикальцийфосфата в гидроксиапатит в костных цементах используют соли магния, поскольку они ингибируют рост кристаллов гидроксиапатита [1].
Магнийфосфатный цемент, полученный затворением смеси MgO и NH4H2PO4, обладает быстрым схватыванием, высокой прочностью и постепенно подвергается резорбции в организме, не вызывая при этом воспалительных и некротических процессов [2, р.503-504].
Цитосовместимость резорбируемого струвитового цемента, полученного затворением смеси Mg3(PO4)2 и струвита (MgNH4PO4∙6H2O) сравнима или даже выше, чем у брушитового цемента, что подтверждается экспрессией белка в остеогенных клетках на ранней стадии контакта поверхности клетки с поверхностью струвитового цемента [3, р.327, 331].
Авторами работ [4-5] показано, что модификация прекурсоров апатитового и брушитового цемента (α- и β-трикальцийфосфатов) ионами магния способствует увеличению сроков схватывания, улучшению инъекционной способности и/или механических свойств.
Одним из способов получения магнийсодержащего фосфата кальция [4] является осаждение из растворов Ca(NO3)2·4H2O, (NH4)2HPO4 и Mg(NO3)2·6H2O таким образом, чтобы полученный осадок с общей формулой MgxCa(3-х)(PO4)2, имел соотношение Са/Mg = 1,35/0,15. Высушенный и обожженный при Т=1500 0С материал представляет собой α-модификации магнийзамещенного ТКФ – прекурсора для получения апатитового цемента.
Другим способом получения магнийзамещенных фосфатов кальция является твердофазный синтез, в ходе которого при Т=1100 0С в течение 5 часов из смеси исходных компонентов Mg(OН)2, MgHPO4∙3H2O, CaHPO4∙2H2O и СаСО3 образуется магнийзамещенный β-трикальцийфосфат (магнийзамещенный ТКФ) с общей формулой MgxCa(3-х)(PO4)2, где 0<х<3. Биоцементы, синтезированные из полученных магнийзамещенных ТКФ, имеют более длительные сроки схватывания и повышенные показатели прочности, не имеющие прямолинейной зависимости с концентрацией ионов магния. На магнийсодержащем брушитовом цементе клетки, хотя и меньше, чем на позитивном контроле, дифференцируют и пролиферируют [5, р.1534].
В связи с указанием в литературе на улучшение прочностных характеристик брушитового цемента при введении ионов магния и благоприятное влияние магнийсодержащих цементов на цитосовместимость и клеточную активность, целью данной работы явилось получение реакционно-связанного материала путем прессования магнийсодержащего брушитового цемента и исследование возможности создания на его основе 3D-имплантатов, точно повторяющих формы костных дефектов.
Материалы и методы
Образцы брушитового цемента, не содержащие ионов магния, были получены затворением смеси β-трикальцийфосфата с монокальцийфосфатом моногидратом (Вектон, СПб, Россия) в весовом соотношении 3:2 по реакции:
b-Ca3(PO4)2 + Ca(H2PO4)2×H2O + 7H2O ® 4CaHPO4×2H2O
Магнийсодержащая модификация брушитового цемента была получена при взаимодействии магнийзамещенного трикальцийфосфата с монокальцийфосфатом моногидратом (Вектон, СПб, Россия) в весовом соотношении 3:2 по реакции:
b-(Ca/Mg)3(PO4)2 + Ca(H2PO4)2×H2O + 7H2O ® 4(Ca/Mg)HPO4×2H2O
Трикальцийфосфат получали смешением компонентов СаНРО4, СаСО3 в мольном соотношении Са/P=1,5 и последующим обжигом при Т=1000 0С. Магнийзамещенные ТКФ получали смешением компонентов СаНРО4, СаСО3, Mg2P2O7, Mg(OH)2, соответственно в мольном соотношении Са(Mg)/P = 1,5. Общая формула магнийсодержащего трикальцийфосфата MgxCa(3-х)(PO4)2, где х = 0; 0,75; 1,5; 2,25; 3. В дальнейшем магнийзамещенные ТКФ обжигали при Т=1000 0С.
Подпрессовку образцов проводили на гидравлическом прессе П-10 при давлении 10-30 МПа. Полученные образцы хранили в воздушно-влажных условиях при Т=20 0С.
Определение прочности на изгиб и сжатие образцов-балочек размером 10×10×30 мм через 1 сутки после формования осуществляли по стандартной методике с помощью универсальной испытательной машины Р-05.
Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре «ДРОН-3М» с ионизационной регистрацией лучей при CuKα − излучении с никелевым фильтром. Рентгенограммы снимали в диапазоне углов 2θ=20-50 град после твердения в течение 1 суток. Расшифровку рентгенограмм проводили в соответствии с карточками базы ICDD PDF-2.
Результаты и обсуждение
Рентгеновские дифрактограммы синтезированных магнийзамещенных фосфатов кальция показаны на рис. 1. При х=0 образуется трикальцийфосфат, являющийся смесью двух соединений, кристаллизующихся в различных сингониях: ромбоэдрической и орторомбической. При х=0,75 в составе образованного магнийзамещенного фосфата кальция присутствуют трикальцийфосфат, имеющий структуру минерала витлокита и фаза Ca3Mg3(PO4)4; Са3(РО4)2 в орторомбической сингонии при введении магниевых соединений не образуется. При х=1,5 образуется только фаза Ca3Mg3(PO4)4, которая при увеличении х до 2,25, присутствует вместе с Mg3(PO4)2, имеющим структуру минерала фаррингтонита. При х=3 образуется тримагнийфосфат, идентифицированный как смесь двух тримагийфосфатов с различными кристаллографическими свойствами.
Для получения реакционно-связанного материла на основе безмагниевого и магнийзамещенного брушитового цемента с повышенными значениями прочности проводят подпрессовку влажной порошковой смеси, полученной смешением синтезированных фосфатов магния с общей формулой MgxCa(3-х)(PO4)2 с монокальцийфосфатом моногидратом при давлениях от 10 до 30 МПа.
При взаимодействии цементной смеси с водой происходит кислотно-основное взаимодействие трикальцийфосфата или магнийзамещенного ТКФ с монокальцийфосфатом моногидратом, гидратация с последующим образованием цементного камня.
Твердение цемента обусловлено срастанием микрокристаллов образовавшихся кристаллогидратов вследствие того, что их объем превышает объем исходных фаз в твердеющей системе.
Рис. 1 – Рентгенограммы фосфатов с общей формулой MgxCa(3-х)(PO4)2 (х – содержание ионов Mg2+)
Механическая прочность затвердевшего цементного камня определяется в большей степени прочностью и количеством контактов между частицами, которое обусловлено их размером и способом их упаковки, что связано с пористостью. Поскольку предельная прочность материалов экспоненциально снижается с увеличением их пористости, то уменьшение начальной пористости в ходе подпрессовки материала за счет выжимания «лишней» жидкости, не участвующей в процессе гидратации, приводит к снижению пористости и повышению прочности. Прочностные характеристики реакционно-связанного материала при х=0,75 в исходном MgxСа(3-x)(РО4)2 незначительно ухудшаются (рис. 2), тогда как при дальнейшем увеличении содержания магния с исходном фосфате, его прочность имеет тенденцию к постоянному увеличению.
Рис. 2 – Механическая прочность реакционно-связанного материала (х – содержание ионов Mg2+ в MgxСа(3-x)(РО4)2)
Составы х=0,75 и х=1,5 отличает присутствие значительного количества монетита (СаНРО4) кроме целевых фаз гидрофосфатов кальция и магния (брушита СаНРО4∙2Н2О и ньюберита MgНРО4∙3Н2О), что подтверждается данными рентгенофазового анализа (рис. 3). В составе х=0,75, видимо, именно наличие монетита снижает прочность, что связано, как мы полагаем, с формой кристаллов, имеющих призматическое строение и уменьшением количества контактов между частицами. Дальнейшее увеличение прочности связано с присутствием ньюберита (MgHPO4∙3H2O). Кроме целевых фаз в составе реакционно-связанного материла наблюдается присутствие исходных Ca3(PO4)2 и Mg3(PO4)2.
Рис. 3 – Рентгенограммы цементного камня (х – количество ионов Mg2+ в MgxСа(3-x)(РО4)2)
Трехмерные технологии активно используют при изготовлении имплантатов для ортопедии и травматологии. С помощью томографа и компьютерного моделирования производят проектирование трехмерной модели индивидуального имплантата. В данном исследовании использовали томографическое изображение голени крысы линии «Вистар». В исходном файле stl-формата описание сканированной поверхности поврежденной кости представлено списком координат вершин треугольников, количество которых определяет точность ее воспроизведения Визуализация данных в виде полигональной модели с помощью графического редактора CAD-программы предполагает использование методов полигонального моделирования и выборочное частное или комплексное оперирование элементами (примитивами) больших геометрических массивов, что позволяет с высоким приближением воспроизводить форму утерянного фрагмента костной ткани (рис. 4).
Рис. 4 – Трехмерное изображение, полученное с помощью компьютерной томографии, и смоделированный 3D-матрикс
По экспортированной в CAM-программу полигональной модели, которая является «позитивом» костного дефекта, повторяющим его форму, можно отфрезеровать на трехкоординатном станке из прессованного матрикса индивидуальный имплантат, форма которого в точности повторяет трехмерную модель (рис. 5).
Рис. 5 – Индивидуальный имплантат, полученный на фрезеровальном станке
В данной работе показана возможность получения индивидуальных 3D-имплантатов для костной пластики из магнийсодержащего реакционно-связанного материала на основе брушита и ньюберита, обладающих повышенными прочностными характеристиками. Индивидуальные 3D-имплантаты точно повторяют форму костного дефекта, что обеспечивает плотное прилегание к костному ложу и является важным аспектом при регенераторном подходе восстановления поврежденной костной ткани. Для ускорения процессов остеоинтеграции установка имплантатов может проводиться с помощью цементных паст исходного состава.
Список литературы / References
- 6,733,582 B1 United States. Brushite hydraulic cement stabilized with a magnesium salt / Bohner M., Matter S.; Assignee: Dr. H. C. Robert Mathys Stiftung; Stratec Medical AG - № 10/149,035; field: 02.07.02; date of patent 11.05.04.
- Yua Y. Evaluation of inherent toxicology and biocompatibility of magnesium phosphate bone cement / Yua Y., Wangb J., Liub C. and others // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. – 2010. – V. 76. – 496 – 504.
- Ewald А. Effect of cold-setting calcium- and magnesium phosphate matrices on protein expression in osteoblastic cells / Ewald А., Helmschrott K., Knebl G. and others // J. of biomedical materials research b: applied biomaterials. – 2011. – V. 96 B. – Issue 2.
- Pina S. Injectability of brushite-forming Mg-substituted and Sr-substituted a-TCP bone cements / Pina S., Torres P. M. C., Ferreira J. M. F. // J. Mater. : Mater. Med. 2010. – V. 21. – Р. 431 – 438.
- Klammert U. Phase composition, mechanical performance and in vitro biocompatibility of hydraulic setting calcium magnesium phosphate cement / Klammert , Reuther T., Blank M. and others // Acta Biomaterialia. – 2010. – V. 6. – P. 1529 – 1535.