Пористые композиционные материалы фосфатно-кальциевая керамика — биополимер для регенерации костных тканей
Диссертация
Кальций-фосфатные материалы рассматриваются как наиболее перспективные для восстановления и замещения дефектов костных тканей. В частности, гидроксиапатит (ГА, Саю (Р04)б (0Н)2), являющийся основным минеральным компонентом костной ткани, характеризуется остеокондуктивным поведением и наименьшей среди ортофосфатов кальция растворимостью в водных средах. Он используется для изготовления… Читать ещё >
Содержание
- 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
- 1. 1. Инженерия костной ткани — новая технология
- 1. 2. Состав, структура и свойства костной ткани
- 1. 3. Строение и свойства фосфатов кальция
- 1. 4. Общие принципы технологии материалов на основе фосфатов кальция
- 1. 5. Изготовление высокопористых материалов на основе фосфатов кальция
- 1. 6. Строение и свойства биополимеров
- 1. 7. Пористые композиционные материалы
- ЦЕЛЬ РАБОТЫ
- 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
- 2. 1. Исходные материалы
- 2. 1. 1. Синтез гидроксиапатита и карбонатгидроксиапатита
- 2. 1. 2. Синтез порошка трикальцийфосфата
- 2. 2. Методы исследования
- 2. 2. 1. Определение удельной поверхности порошка
- 2. 2. 2. Определение линейной усадки образцов при обжиге
- 2. 2. 3. Определение общей пористости материала
- 2. 2. 4. Рентгенографические исследования и ИК-спектроскопия
- 2. 2. 5. Метод дифференциального термического анализа
- 2. 2. 6. Определения вязкости растворов
- 2. 2. 7. Электронная и просвечивающая микроскопия
- 2. 2. 8. Определение растворимости материала
- 2. 2. 9. Определение прочности и эластичности материала
- 2. 2. 10. In vitro испытания
- 2. 2. 11. In vivo испытания
- 2. 1. Исходные материалы
- 3. 1. Исследование свойств порошков
- 3. 2. Исследование свойств керамических каркасов
- 3. 3. Технология пористых керамических каркасов на основе ГА, ТКФ пропитанных биополимерами
- 3. 4. Исследование свойств композиционных матриксов
- 3. 4. 1. Исследование микроструктуры
- 3. 4. 2. Исследование прочности композиционных матриксов
- 3. 4. 3. Проведение испытаний in vitro
- 4. 1. Получение керамических гранул
- 4. 2. Исследование свойств порошков и гранул
- 4. 3. Технология пористых биополимерных матриксов
- 4. 4. Технология композиционных материков с полимерным каркасом
- 4. 5. Исследование свойств композиционных матриксов
- 4. 5. 1. Исследование фазового состава материалов
- 4. 5. 2. Исследование микроструктуры материалов
- 4. 5. 3. Исследование растворимости материалов
- 4. 5. 4. Исследование эластичности материалов
- 4. 5. 5. Проведение испытаний in vitro
- 4. 5. 6. Проведение испытаний in vivo
Список литературы
- Вересов А.Г., Путляев В. И., Третьяков Ю. Д. Достижения в области кальцийфосфатных биоматериалов // Российский химический журнал. 2000. Т. XLIV. № 6 (ч.2). С. 32−46.
- Швед С.И. Кальцийфосфатные материалы в биологических средах. // Успехи соврем, биологии. 1995. Т. 115, № 1. С.58−73.
- Власов А.С., Карабанова Т. А. Керамика и медицина // Стекло и керамика. 1993. № 9−10. С. 23−25.
- Hench L.L., Polak J.M. Third-generation biomedical materials. // Science. 2002. Vol. 295. P. 1014−1017.
- Баринов C.M., Комлев B.C. Биокерамика на основе фосфатов кальция. -М.:Наука. 2005. С. 205.
- Орловский В.П., Суханова Г. Е., Ежова Ж. А., Родичева Г. В. Гидроксиапатитовая керамика. // Журн. Всесоюзн. Хим. о-ва им. Д. И. Менделеева. 1991. Т. 36. № 6. С. 683−688. ¦
- Дорожкин С.В., Агатопоулус С. Биоматериалы: обзор рынка. // Химия и жизнь. 2002. № 2. С. 8−10.
- Hench L.L., Ethridge Е.С. Biomaterials. An lnterfatull Approach. // Academic Press. New York, 1982.
- Bonfield W., Best S., Krajevski A., and Ravaglioli A. Proceedings of Fourth EuroCerarnics. Edited by A. Ravaglioli // Biomater. 1995. V. 8. P. 3.
- Kawahara H. Bioceramics for hard tissue replacements. // Clinical Materials. 1987. V.2. P.181−206.
- I.Buit D.B. The contribution of the organic matrix to bone’s mechanical properties. //Bone. 2002. V. 31.P.8−11.
- Nordtveit R.J., Vatum K.M., Smidsord O. Abstr. // Of 6-th Conf. On Citosan. Lodz. 1994. P.47.
- Vaccaro, A.R. The role of the osteoconductive scaffold in synthetic bone graft. // Orthopedics. 2002. V.25 № 5. P.571−578.
- H.Elisabeth H. Burger et.al. Encyclopedia of Biomaterials and Biomedical Engineering. //Informa Healthcare. 2008. P. 1500−1507.
- Martin R.B. Bone as ceramic composite material. // Mater. Sci. Forum. 1999. V.7. N1. P.5−16.
- Самусев Р.П., Селин Ю. М. Анатомия человека. М.: Медицина, 1990. С. 497.
- Ng K.W., Romas Е., Dorman L., Findlay D.M. Bone biology. // Bailliere’s Clin.Endocrionol. and Metabolism. 1997. V. l 1. N.l. P. l-22.
- Афанасьев Ю. И!, Елисеев В. Г. Соединительные ткани. Гистология. 4-е издание перераб. и доп*. М.: Медицина. 1998. С.29−51.
- Карлов А.В., Шахов, В.П: Системы внешней фиксации- и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. Томск, 2001. С. 480.
- SieradzkI К., Green D., Gibson Е. Mechanical Properties of Porous and Cellular Materials. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1991. V.6. P.207.
- Fung Y.C., In Biomechanics. Mechanical Properties of Living' Tissues. // Springer-Verlag Inc. New York. 1993. P.500−513.
- Lide D.R. The CRC handbook of chemistry and physics. // 86th Ed. CRC Press: Boca Raton. Florida. USA. 2005. P. 2544.
- LeGeros R.Z. Calcium phosphates in oral biology and medicine. // Karger: Basel. Switzerland. 1991. P. 201
- Amjad Z., Ed. Calcium phosphates in biological and industrial systems. // Kluwer Academic Publishers: Boston. MA.SA. 1997. P. 529.
- Cantelar E., Lifante G., Calderon Т., Melendrez R., Millan A., Alvarez M.A., Barboza-Flores M. Optical characterisation of rare earths in natural fluorapatite. // J. Alloys Compd. 2001. V.323−324. P.851−854.
- Ribeiro H.B., Guedes K.J., Pinheiro M.V.B., Greulich-Weber S., Krambrock K. About the blue and green colours in natural fluorapatite. // Phys. Status Solidi С 2005. V.2. P.720−723.
- Pan, Y.- Fleet, M.E. Compositions of the apatite-group minerals: substitution mechanisms and controlling factors. // In Phosphates: geochemical, geobiological and materials importance, Series: Reviews in Mineralogy and Geochemistry. Vol. 48-
- O’Neill, W.C. The fallacy of the calcium phosphorus product. // Kidney Int. 2007. V.72. P.792−796.
- Becker, A.- Epple, M.- Millier, K.M.- Schmitz, I. A comparative study of clinically wellcharacterized human atherosclerotic plaques with histological, chemical, and ultrastructural methods. // J. Inorg. Biochem. 2004. V.98: P.2032−2038.
- Sun, Y.- Hanley, E.N., Jr. Calcium-containing crystals and osteoarthritis. // Curr. Opin. 0rthoped.2007. V.18. P.472−478.
- LeGeros, R.Z. Formation and transformation of calcium phosphates: relevance to-vascular calcification. // Z Kardiol. 2001. V.90. Suppl. 3. P. 116−125.
- Wopenka, B.- Pasteris, J.D. A mineralogical perspective on the apatite in bone. // Mater. Sci. Eng. C 2005. V.25. P. 131−143.
- White, T.J.- Dong, Z.L. Structural derivation and crystal chemistry of apatites. // Acta Crystallogr., Sect. B: Struc.'Sci. 2003. V.59. P. l-16.
- Daculsi, G.- Bouler, J.M.- LeGeros, R.Z. Adaptive crystal formation in normal and pathological calcifications in synthetic calcium phosphate and related biomaterials. //Int. Rev. Cytology. 1997. V.172. P.129−191.
- Mathew, M.- Takagi, S. Structures of biological minerals in dental research. // J. Res. Natl. Inst.Stand. Technol. 2006. V.106. P.1035−1044.
- Hughes, J.M.- Rakovan, J. The crystal structure of apatite, Ca5(P04)3(F, 0H, Cl). // In Phosphates: geochemical, geobiological and materials importance, Series: Reviews in Mineralogy and Materials. 2009. V.48. P.451.
- Fernandez, E.- Gil, F.J.- Ginebra, M.P.- Driessens, F.C.M.- Planell, J.A.- Best, S.M. Calcium phosphate bone cements for clinical applications. // Part I: solution.chemistry. J. Mater. Sci. Mater. Med. 1999. V.10. P. 169−176.
- Huan, Z.- Chang, J. Novel bioactive composite bone cements based on the (3-tricalcium phosphate — monocalcium phosphate monohydrate composite cement system. // Acta. Biomater. 2009. V.5. P.1253−1264.
- The Merck Index: An encyclopedia of chemicals, drugs, and biologicals, 12th Ed.- Budavari, S.- O’Neil, M.J.- Smith, A.- Heckelman, P.E.- Kinneary, J.F., Eds.- Chapman & Hall: USA. 1996. P. 1741.
- Jensen, A.T.- Rowles, S.L. Magnesium whitlockite, a major constituent of dental calculus. //ActaOdont. Scand. 1957. V.16. P.121−139.
- Bermudez, O.- Boltong, M.G.- Driessens, F.C.M.- Planell, J.A. Development ofsome calciumphosphate cements from combinations of a-TCP, MCPM and CaO. //J. Mater. Sci. Mater. Med. 1994. V.5. P. 160−163.
- Liu, T.Y.- Chen, S.Y.- Liu, D.M.- Liou, S.C. On the study of BSA-loaded calcium-deficient hydroxyapatite nano-carriers for controlled drug delivery. // J. Control. Release 2005. V.107. P. l 12−121.
- Heling L., Heindel R., Merin B. Calcium-fluorapatite. A new material for bone implants. // J. Oral Implantol. 1981. Y.9. P.548−555.
- Juang N.Y., Hon M.N. Surface chemistry of bioactive glass-ceramics // Biomaterials. 1996. V. 17. № 21. P.2054.
- Муравьёв Э.Н., Дьячков П. Н., Кепп O.M., Орловский В. П., Садиков Г. Г., Ионов С. П. Квантово-химическое исследование электронной структуры и изоморфного замещения в гидроксиапатите кальция. // Ж. неорг. Химии. 1996. Т.41 № 9. С.1416−1419.
- Rau J. V., Nunziante Cesaro S., Ferro D., Barinov S.M., Fadeeva IN. II J. Biomed. Mater. Res. В (Appl. Biomaterials). 2004. V.71. P441−447.
- Baralet J. E., Knowles J.C., Best S., Bonfield W.// J. Mater. Sci.: Med. 2002.1. V.13. P.629−633.
- Hsu Y.H., Turner I.G., Miles A.W. Fabrication of porous bioceramics with porosity gradients similar to the bimodal structure of cortical and cancellous bone. // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2007. V.18. P.2251−2256.
- Fernandez E, Ginebra MP, Boltong MG, Driessens FC, Ginebra J, De Maeyer EA, Verbeeck RM, Planell JA. Kinetic study of the setting reaction of a calcium phosphate bone cement. J Biomed Mater Res 1996. V.32 P.367−374.
- Driessens F, DeMayer E, Fernandez E et al. Amorphous calcium phosphate cements and their transformation into calcium deficient hydroxyapatite. Bioceramics. // 1996. V.9. P.231−234.
- Brown W, Chow L. Dental restorative cement pastes. // US Patent No. 4 518 430. 1985.
- Lemaitre J, Mirtchi A, Mortier A. Calcium phosphate cements for medical use: state of the art and perspectives of development. // Silicates Industriels. 1987. V. 9−10. P.141−146.
- Смирнов B.B., Егоров А. А., Баринов C.M., Шворнева Л. И. Композиционные кальций-фосфатные костные цементы, упрочненные дисперсными частицами титана // ДАН. 2007. Т. 413, № 4. С.489−492.
- Bohner М., Gbureck U., Barralet J.E. // Biomaterials. 2006. V.26. P.6423−6429.
- Bohner M. Calcium orthophosphates in medicine: from ceramics to calcium phosphate cements // Injury. 2000. V.31S. P. 37−47.
- Itoh S., Kikuchi M., Koyama Y., Matumoto H.N., Takakuda K., Shinomiya K., Tanaka J. // Biomed. Mater. Eng. 2005. P. 15−29.
- Chan C.K., Kumar T.S., Liao S., Murugan R., Ngiam M., Ramakrishna S. // Nanomedicine. 2006. V. l P. 177.
- Yang S., Leong K.F., Du Z., Chua C.K. // Tissue Eng. 2001. Y.7. P.679.
- Burg K.J., Porter S., Kellam J.F. // Biomaterials. 2000. V.21. P.2347.
- Holy C.E., Shoichet M.S., Davies J.E. // J. Biomed. Mater. Res. 2000. V.51. P.376.
- Гузман И.Я. Химическая технология керамики. М.: Стройматериалы. 2003. С.450−471.
- Komlev V.S., Barinov S.M. Porous hydroxyapatite ceramics of bi-modal pore size distribution. // J. Of Mat. Sci. 2002. V.13. P.295−299.
- Nakahira A., Tamai M., Miki S. Fracture behavior and biocompatibility evaluation of nylon-infiltrated porous hydroxyapatite // J. Mat. Sci. 2002. V. 37. P.4425−2230.
- Nurseen К., Muharrem T., Feza К. Fabrication and characterization of porous tricalcium phosphate ceramics // Ceramics International. 2004. V.30. P.205−211.
- Descamps M., Hornez J.C., Leriche A. Manufacture of hydroxyapatite beads for medical applications // J. of the Euro. Ceram. Soc. 2009. V.29. P.369−375.
- Silvaa C.G., Cyster L.A., Barry J.A., et.al. The effect of anisotropic architecture on cell and tissue infiltration into tissue engineering scaffolds. // Biomaterials. 2006. V.27. P.5909−5917.
- Мао X., Wang S., Shimai S. Porous ceramics with tri-modal pores prepared by foaming and starch consolidation. // Ceram. Int. 2006. V.34. P. 107−112.
- Engin N.O., Tas A.C. Manufacture of macroporous calcium hydroxyapatite bioceramics//J. of the Euro. Ceram. Soc. 1999. V.19. P.2569−2572.
- Binner G.P., Reichert J. Processing of hydroxyapatite ceramic foams // J. of Mat. S. 1996. V.31. P.5717−5723.
- Pereira M.M., Jones J. R., Orefice R. L., Hench L. L. Preparation of bioactive glass-polyvinyl alcohol hybrid foams by the sol-gel method. // J. of Mat. S. 2005. V.16. P.1045−1050.
- Hsu Y. H., Turner I. G., Miles A. W. Fabrication and mechanical testing of porous calcium phosphate bioceramic granules. // J. of Mat. Scis. 2007. V.18. P.1931−1937.
- Hsu Y. H., Turner I. G., Miles A. W. Fabrication of porous bioceramics with porosity gradients similar to the bimodal structure of cortical and cancellous bone. //J. of Mat. Scis. 2007. V.18. P.2251−2256.
- Miao X., Tan D. M., Li J., Xiao Y., Crawford R. Mechanical and biological properties of hydroxyapatite/tricalcium phosphate scaffolds coated with poly (lactic-co-glycolic acid). //Acta. Biomaterialia. 2008. V.4. P.638−645.
- Классен П.В., Гришаев И. Г. Основы техники гранулирования. М.: Химия. 1982. С. 278.
- Комлев B.C., Баринов С. М., Орловский В. П., Курдюмов С. Г. Пористая гидроксиаиатитовая керамика с бимодальным распределением пор. // Огнеупоры и техн. керамика. 2001. № 6. С.23−25.
- Fukasawa Т., Ando М., Ohji Т., Kanzaki S. // J. Am. Ceram. Soc. 2001. V.84. P.230.
- Deville S., Saiz E., Tomsia A. // Biomaterials. 2006. V.27. P.5480.
- Song J.H., Koh Y.H., Kim H.E., Li L.H., Bahn H.J. // J. Am. Ceram. Soc. 2006. V.89. P.2649.
- Lee E.J., Koh Y.H., Yoon B.H., Kim H.E., Kim H.W. // Mater. Lett. 2007. V.61. P.227.
- Deville S., Saiz E., Tomsia P. Freeze casting of hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering // Biomaterials. 2006. V.27. P.5480−5489.
- Yoon B., Park C., Kim H., Koh Y. In-situ fabrication of porous hydroxyapatite (HA) scaffolds with dense shells by freezing HA/camphene slurry. // Materials Letters. 2008. V.62. P.1700−1703.
- Kim J.Y., Lee J.W., Lee S.J., Park E. K, Kim S.Y., D.W. Cho D.W. Development of a bone scaffold using HA nanopowder and micro-stereolithography technology. // Microelectronic Engineering. 2007. V.84. P. 1762−1765.
- Saiz E., Gremillard L., Menendez G., Miranda P., Gryn K., Tomsia A.P. Preparation of porous hydroxyapatite scaffolds. // Mat. Sei. and Eng. 2007. V.27. P.546−550.
- Ramakrishna S, Mayer J, Wintermantel E, Leong KW, 'Biomedical applications of polymer-composite materials: a review. // Compos. Sei. Technol. 2001 V.61 P. 1189−1224.
- Bonfield W, Grynpas, MD, Tully AE, Bowman J, Abram J, «Hydroxyapatite reinforced polyethylene. A mechanically compatible material for bone replacement // Biomaterials. 1981. V.2. P.185−186.
- Teng S.H., Lee E.J., Wang P. et al. Functionally gradient chitosan-hydroxyapatite composite scaffolds for controlled drug release. // J. Biomed. Mater. Res. В Appl. Biomater. 2009. ahead of print. DOI: 10.1002/jbm.b.31 283.2.
- Boccaccini A.R., Gough J.E. Tissue engineering using ceramics and polymers. New York. Washington. 2007. P.72−89.
- Григорьян A.C., Топоркова A.K. Проблемы интеграции имплантатов в костную ткань(теоретические аспекты). М.: Изд. «Техносфера». 2007. С. 128.
- Лосев В.Ф. Применение пористого минералонаполненного полилактида с мезенхи- мальными стромальными клетками костного мозга для стимуляции остеогенеза (экспери- ментальное исследование): Дисс. канд. мед. наук. — М. 2008. С. 117.
- Тюкавина В.А. Органическая химия. Специальный курс. М. Дрофа. 2009. С.96−136.
- Wei Y.C., Hudson S.M., Mayer J.M., Kaplan D.L. // J. Polym. Sci. A. 1992. V.30. P.2187−2193.
- Isogai A., Atalla R.H. // Carbohydrate Polymers. 1992. V.19. P.25−28.
- Amiji M.M. //Biomaterials. 1995.V.16. P.593−599.112.1kinci G., Senel S., Akincibay H. et al. Effect of chitosan on a periodontal pathogen Porphyromonas gingivalis // Int. J. of Pharmaceuticals. 2002. V.235. P.121−127.
- Cao W., Hench L.L. Bioactive Materials // Ceramics Intern. 1996. V.22. P.493−507.
- Nakahira A., Tamai M., Miki S. Fracture behavior and biocompatibility evaluation of nylon-infiltrated porous hydroxyapatite // J. Mat. Sci. 2002. V.37. P.4425−2230.
- Miao X., Tan D.M., Li J., etc. // Mechanical and biological properties of hydroxyapatite/tricalcium phosphate scaffolds coated with poly (lactic-co-glycolic acid). Acta Biomateriala. 2008. V.4. P.638−645.
- Komlev V.S., Barinov S.M., Rustichelli F. Strength enhancement of porous hydroxyapatite ceramics by polymer impregnation. // J. Mat. Sci. 2003. V.22. P.1215−1217.
- Sundarajan V.M., Howard W.T. Porous chitosan scaffolds for tissue engineering. // Biomat. 1999. V.20. P. l 133−1142.
- Costas T., Ioannis T,. etc. A novel method for producing tissue engineering scaffolds from chitin, chitin-hydroxyapatite, and cellulose. // Mat. Sci. and Eng. C. 2009. In press MSC-2 306.
- Wang H. s Li Y., etc. Biocompatibility and osteogenesis of biomimetic nano-hydroxyapatite/polyamide composite scaffolds for bone tissue engineering. // Biomat. 2007. V.28. P.3338−3348.
- Okuno M., Shikinami Y. Bioresorbable devices made of forged composites of hydroxyapatite (HA) particles and poly-L-lactide (PLLA): Part I. Basic characteristics // Biomaterials. 1999. № 9. P.859.
- Maniukiewicz W., Modrzejewska Z., Massiiger L. et al. X-ray powder diffraction study of hydrogel chitosan membranes. // Acta Cryst. 2006.V.62. P.235.
- Mizutani Y., Hattori M., Okuyama M. et al. Carbonate-containing hydroxyapatite derived from calcium tripolyphosphate gel with urea. // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2005. V.16. № 8. P.709−712.
- Mokbel N., Bou Serhal C., Matni G. et al. Healing patterns of critical size bony defects in rat following bone graft. // J. Oral Maxillofac. Surg. 1998. V.12. № 2. P.73−78.
- Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of HA-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants // J. Mater. Res. Soc. 1998. V.13,№ 1. P.94- 103.
- Власов A.C., Дрогин B.H., Ефимовская T.B. Лабораторный практикум по микроскопическим и рентгеновским исследованиям керамики. -М.: МХТИ. 1980. С. 64.
- Shikhar Vohra, Kristin М. Hennessy, Amber A. Sawyer, Ya Zhuo and Susan L. Bellis Comparison of mesenchymal stem cell and osteosarcoma cell adhesion to hydroxyapatite // J. Mat. Sci. Mat. In Med. 2008. V.19. P.3567−3574.
- Martin R.I., Brown P.W. Mechanical properties of hydroxyapatite formed at physiological temperature. // J.Mat. Sci. Mat. In Med. 1995. V.6 P. 138−143.
- Paul W., Sharma C.P. Development of porous spherical hydroxyapatite granules: application towards protein delivery // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1999. V.10. № 7. P.383−388.
- Ключников Н.Г. Руководство по неорганическому синтезу. М.: Химия, 1965. С. 231.
- Mezahi F.Z., Oudadesse Н., etc. Dissolution kinetic and structural behavior of natural hydroxyapatite vs. thermal treatment. // J. Therm. Anal. And Calor. 2009. V.95. P.21−29.