Кіріспе

Биоактивті шыны биоматериалы. Bioglass 45S5 немесе кальций натрий фосфосиликаты – 45 мас.% SiO2, 24,5 мас.% CaO, 24,5 мас.% Na2O және 6,0 мас.% P2O5 құрамындағы биоактивті шыны. 1984 жылы Bioglass 45S5 көмегімен есту қабілетін қалпына келтіруге арналған медициналық құрылғылар қолданылды. Пациент құлақ инфекциясы салдарынан есітімін жойды, бұл оның ортаңғы құлағындағы үш сүйектің екеуін зақымдады. Зақымдалған сүйекті алмастырып, дыбысты тіл сығанағынан қосқабаққа жеткізуге арналған имплант жасалды, бұл пациенттің есту қабілетін қалпына келтірді. Бұл материал пайда болғанға дейін пластик пен металл қолданылатын, себебі олар организмде реакция тудырмады; бірақ, кейіннен олар сәтсіз аяқталды, өйткені имплантациядан кейін тіндер олардың айналасында өсе бастады. Bioglass 45S5-тен жасалған протез пациентке қарай жасалды және жасалған протездердің көпшілігі 10 жылдан кейін де функционалдылығын сақтап қалды. Биогласс 45S5-тен жасалған эндоссеялық тіс тіреуіш импланты – тіс жоғалған жерге енгізілетін және тіс тамырларын қалпына келтіріп, тістік протездер үшін тұрақты тірек құруға мүмкіндік беретін тағы бір құрылғы. CaPSiO және CaPSiO II сияқты сол-гель әдісімен алынған биоактивті шынылар да антибактериялық қасиеттер көрсетті. S. epidermidis және E. coli бактерияларымен биоактивті шыныда жүргізілген зерттеулер 45S5 биоактивті шынының антибактериялық қарсылығы өте жоғары екенін көрсетті. Эксперимент барысында бактериялардың жасуша қабырғаларын бұзып, оларды бейтараптандыратын, ине тәрізді биошынық сынықтарының бар екендігі байқалды. GlaxoSmithKline компаниясы бұл материалды NovaMin саудалық атауымен тіс пастасының белсенді компоненті ретінде пайдаланады, ол тістегі кішкентай тесіктерді жауапқа келтіруге және тістердің сезімталдығын азайтуға көмектеседі.

Әрекет ету механизмі

Имплантацияланғаннан кейін Bioglass 45S5 айналадағы физиологиялық сұйықтықпен әрекеттесіп, материалдың бетінде гидроксил карбонатты апатит (HCA) қабатының пайда болуына себеп болады. HCA қабаты сүйектің минералды фазасы – гидроксиапатит құрамына ұқсас, бұл сүйекпен күшті өзара әрекеттесуге және бірігуге мүмкіндік береді. Бұл реакция процесін 12 қадамға бөлуге болады. Алғашқы 5 қадам биогластың организмдегі ортаға реакциясына қатысты және бірнеше сағат ішінде материалдың бетінде жылдам жүзеге асады. 6-10 қадамдар биоматериалдың интеграциясына организмнің реакциясын және сүйекпен бірігу процесін көрсетеді. Бұл кезеңдер бірнеше апта немесе айлар бойы созылады. Қадамдар келесідей бөлінеді: М2 макрофагтарының белсендірілуі нәтижесінде мезенхималық дің жасушалары мен остеопрогенитор жасушалары Bioglass бетіне қозғалып, HCA қабатына бекінеді. HCA бетіндегі дің жасушалары мен остеопрогенитор жасушалары сүйек тінінде, әсіресе остеобластарда кездесетін остеогенді жасушаларға айналады. Бекінген және дифференциацияланған остеобластар клеткадан тыс матрицаның (ECM) компоненттерін, негізінен I типті коллагенді – сүйектің негізгі ақуыз компонентін өндіріп, жинақтайды. Коллагендік ЭКМ табиғи сүйектегідей минералданады. Имплант бетінде орналасқан коллагенмен қабатты құрылымды құрайтын наноөлшемді гидроксиапатит кристалдары пайда болады. Осы реакциялардан кейін жаңадан келген жасушалардың жұмыс істеуін жалғастыруы нәтижесінде сүйек өсуі жалғасады және тіндердің өсуі мен жаңаруына көмектеседі. Bioglass имплантаты ыдырауын жалғастырып, жаңа ЭКМ материалға айналады.

Өңдеу

Биостекло синтезі үшін екі негізгі өндіріс әдісі қолданылады. Біріншісі – балқыту синтезі, бұл 1969 жылы материалды алғаш рет жасаған Ларри Хенч қолданған дәстүрлі шыны жасау технологиясы. Бұл әдіс SiO2, Na2O, CaO және P2O5 сияқты оксидтер қоспасын жоғары температурада, әдетте 1100–1300 °C-тан жоғары температурада балқытуды қамтиды. Платина немесе платина қорытпасынан жасалған тостағандар (тигельдер) өнімнің организмдегі химиялық реактивтілігіне кедергі келтіретін ластануды болдырмау үшін қолданылады. Материалдың жоғары жылулық кеңеюіне байланысты ірі бөліктерді қалыптастыруда балқыту маңызды қадам болып табылады. Биостеклоны жылумен өңдеу ұшқыш сілтілі металл оксидінің мөлшерін азайтады және шыны матрицасында апатит кристалдарын түзеді. Дегенмен, балқыту сөндіру әдісімен алынған қаңқалар (эшафолдтар) басқа өндіріс әдістерімен салыстырғанда әлдеқайда аз кеуекті, бұл in vivo имплантацияланған кезде тіндік интеграцияда ақауларға әкелуі мүмкін. Екінші әдіс – биостеклоның золь-гель синтезі. Бұл процесс дәстүрлі балқыту әдістерінен әлдеқайда төмен температурада жүргізіледі. Ол металл-органикалық және металл тұздарынан тұратын ерітіндіні (зольді) жасауды қамтиды. Гидролиз және конденсация реакциялары арқылы гель түзіледі, содан кейін оны кептіру, оксидтер түзілу және органикалық заттарды жою үшін жылумен өңдеу жүргізіледі. Бұл әдісте қолданылатын төмен температураның арқасында өнімнің құрамы мен біртектілігі жақсырақ бақыланады. Сонымен қатар, золь-гель биостеклоларының кеуектілігі жоғары, бұл денеде жақсырақ интеграцияға және үлкен беттік ауданына әкеледі. Микротолқынды синтез – бұл жылдам және төмен құнды ұнтақ синтез әдісі, онда прекурсорлар суда ерітіліп, ультрадыбыстық ваннаға беріледі және сәулелендіріледі.

Кемшіліктер

Bioglass 45S5 пайдаланудағы қиындық – оны кеуекті 3D эшафолдтарға өңдеудің қиындығы. Бұл кеуекті эшафолдтар әдетте 3D геометриялық пішінге келтірілген шыны бөлшектерін ыстау арқылы дайындалады, бұл бөлшектердің арасындағы байланысты қамтамасыз етеді және кеуектің желісінен тұратын берік шыны фазасын құрайды. Аталған биошыныстың түрі Tg температурасынан жоғары тұтқыр ағын арқылы толық ыстауға қабілетсіз, ал оның Tg кристалданудың басталу температурасына жақын болғандықтан, материалды тығыз желіге айналдыру қиын. Ли және авторлар тобы Bioglass 45S5-тің сындыруға төзімділігі және тозуға қарсы тұру қасиеттері сияқты әртүрлі қасиеттерін зерттеді. Авторлар шыны құрылымына графен наножапырақшаларын (GNP) ұшқыш плазмалық ыстау әдісі арқылы енгізді. Графен жоғары нақты беттік ауданы мен беріктігі, сондай-ақ жасушалармен үйлесімділігі және Bioglass 45S5-тің биоактивтілігіне кедерес келтірмеуі себепті таңдалды. Осы тәжірибеде жасалған композиттердің сындыруға төзімділігі бақылау тобына қарағанда екі еседен астам болды. Бұған қоса, материалдың трибологиялық қасиеттері де едәуір жақсарды.