Биореактивті әйнек-керамикалық биоматериалдардың құрамы мен қасиеттері

Кіріспе

Беттік реактивті шыны-керамикалық биоматериал [[Файл:Биоактивті шыны.jpg|thumb|Биоактивті шыны электронды микроскоп арқылы қарағанда. 8, 12 және 16 апта имплантациядан кейін теңіз шошқалары өлтіріліп, олардың тібіет сүйектері алынды.

Құрылымы

Қатты күйдегі ЯМР спектроскопиясы аморфты қатты денелердің құрылымын анықтауда өте пайдалы болды. Биоактивті шынылар 29Si және 31P қатты күйдегі МАС ЯМР спектроскопиясымен зерттелді. МАС ЯМР-ден алынған химиялық ығысу шыныдағы химиялық түрлердің қандай екенін көрсетеді. 29Si МАС ЯМР спектроскопиясы Bioglass 45S5 құрамында аз мөлшерде Q3 бар Q2 типті құрылымнан тұратынын көрсетті; яғни, силикат тізбектерінде бірнеше байланыс көпірлері бар. 31P МАС ЯМР негізінен Q0 түрлерін анықтады; яғни PO43−; ал кейінгі МАС ЯМР спектроскопиялық өлшеулер Si-O-P байланыстары анықтау шегінен төмен екенін көрсетті.

Биогласс 45S5

Композиция бастапқыда шамамен эвтектикалық болғандықтан таңдалды. 45S5 атауы 45 салмақтық % SiO2 және кальций мен фосфордың 5:1 мольдық қатынасы бар шыныны көрсетеді. Төменгі Ca/P қатынастары сүйекке жабыспайды. Биостеклоның құрамының негізгі ерекшеліктері – 60 моль% азырақ SiO2, жоғары Na2O және CaO мазмұны, жоғары CaO/P2O5 қатынасы, бұл Биостеклоны сулы ортаға өте реактивті және биоактивті етеді. Биостеклоның басты артықшылығы – жоғары биоактивтілігі, ал кемшіліктері – механикалық нашарлық, аморфты 2 өлшемді шыны торына байланысты сынуға төзімділігінің төмендігі. Көптеген Биостекло түрлерінің иілу беріктігі 40–60 МПа аралығында болады, бұл жүктемеге қабілетті қолдану үшін жеткіліксіз. Оның Янг модулі 30–35 ГПа, бұл қабықша сүйегіне өте жақын, және бұл артықшылық болуы мүмкін. Биостекло имплантаттары жүктемеге қабілетсіз, аздап немесе қысыммен жүктелген көмілген имплантаттар үшін қолданылуы мүмкін. Биостекло композиттік материалдарда биоактивті компонент ретінде немесе ұнтақ түрінде қолданылуы мүмкін, сондай-ақ кокаинге тәуелділіктен туындаған тесіктерді емдеу үшін жасанды септум жасауға қолданылуы мүмкін. Белгілі қосымша әсерлері жоқ.

Bioglass S53P4

S53P4 формуласы алғаш рет 1990-шы жылдардың басында Финляндияның Турку қаласында Åbo Akademi University және University of Turku университетінде әзірленді. Ол 2011 жылы созылмалы остеомиелитті емдеуде сүйек қуысын толтыруға арналған өнім туралы мәлімдеме алды. S53P4 – 150-ден астам жарияланыммен нарықтағы ең көп зерттелген биоактивті шынылардың бірі. S53P4 биоактивті шыны сүйек қуысына орналастырылғанда, шыныны белсендіру үшін дене сұйықтықтарымен әрекеттеседі. Осы белсенділік кезеңінде биоактивті шыны химиялық реакциялардың сериясынан өтеді, сүйектің остеокондукция арқылы жаңаруына қажетті жағдайлар жасалады. Na, Si, Ca және P иондары босатылады. Биоактивті шыны бетінде кремний гелі қабаты түзіледі. CaP кристалданып, биоактивті шыны бетінде гидроксиапатит қабатын құрайды. Гидроксиапатит қабаты пайда болғаннан кейін, биоактивті шыны қан ақуыздары, өсу факторлары және коллаген сияқты биологиялық элементтермен өзара әрекеттеседі. Осы өзара әрекеттесуден кейін остеокондуктивті және остеостимуляциялық процестер жаңа сүйектің биоактивті шыны құрылымдарының арасында өсуіне көмектеседі. Биоактивті шыны сүйекке біте қалады, жаңа сүйек қалыптасуына мүмкіндік береді. Остеостимуляция сүйектің қайта құрылу жылдамдығын арттыру үшін остеогенді жасушаларды ынталандырудан басталады. Биоактивті шынының радиошоғырлы қасиеті операциядан кейін бағалауға мүмкіндік береді. Соңғы трансформациялық кезеңде сүйек тінінің жаңару және қайта құрылу процесі жалғасады. Уақыт өте келе сүйек толық жаңарып, науқастың табиғи анатомиясын қалпына келтіреді. Сүйек бірігуі жүзеге асады. S53P4 биоактивті шыны жылдар бойы сүйек тініне айналып, қайта құрылуын жалғастырады. Қазіргі таңда, S53P4 биоактивті шыны – бактериялардың өсуін тиімді тежейтіні дәлелденген нарықтағы жалғыз биоактивті шыны. S53P4-тің бактериялардың өсуін тежеу қасиеттері екі бірдей химиялық және физикалық процестен туындайды, олар биоактивті шыны дене сұйықтықтарымен әрекеттескен кезде пайда болады. Биоактивті шыны бетінен натрий (Na) босатылып, pH (сілтілі орта) деңгейінің жоғарылауына себеп болады, бұл бактериялар үшін қолайсыз жағдай тудырып, олардың өсуін тежейді. Босатылған Na, Ca, Si және P иондары тұз концентрациясының артуына байланысты осмостық қысымды арттырады, яғни бактериялар өсе алмайтын ортаны құрайды.

The formula of S53P4 was first developed in the early 1990s in Turku, Finland, at Åbo Akademi University and University of Turku. It has received the product claim for use in bone cavity filling in the treatment of chronic osteomyelitis in 2011. S53P4 is among the most studied bioactive glasses on the market with over 150 publications. When S53P4 bioactive glass is placed into the bone cavity, it reacts with body fluids to activate the glass. During this activation period, the bioactive glass goes through a series of chemical reactions, creating the ideal conditions for the bone to rebuild through osteoconduction. Na, Si, Ca, and P ions are released. A silica gel layer forms on the bioactive glass surface. CaP crystallizes, forming a layer of hydroxyapatite on the surface of the bioactive glass. Once the hydroxyapatite layer is formed, the bioactive glass interacts with biological entities, i. e., blood proteins, growth factors and collagen. Following this interaction, the osteoconductive and osteostimulative processes help the new bone grow onto and between the bioactive glass structures. Bioactive glass bonds to bone –facilitating new bone formation. Osteostimulation begins by stimulating osteogenic cells to increase the remodeling rate of bone. Radio dense quality of bioactive glass allows for post operative evaluation. In the final transformative phase, the process of bone regeneration and remodeling continues. Over time the bone fully regenerates, restoring the patient's natural anatomy. Bone consolidation occurs. S53P4 bioactive glass continues to remodel into bone over a period of years. Bioactive glass S53P4 is currently the only bioactive glass on the market which has been proven to inhibit bacterial growth effectively. The bacterial growth inhibiting properties of S53P4 derive from two simultaneous chemical and physical processes, which occurs once the bioactive glass reacts with body fluids. Sodium (Na) is released from the surface of the bioactive glass and induces an increase in pH (alkaline environment), which is not favorable for the bacteria, thus inhibiting their growth. The released Na, Ca, Si and P ions give rise to an increase in osmotic pressure due to an elevation in salt concentration, i. e., an environment where bacteria cannot grow.

Bioglass 8625

Bioglass 8625, сондай-ақ Schott 8625 деп аталады, имплантацияланған құрылғыларды капсулалау үшін қолданылатын содалы әк шыны. Bioglass 8625 ең көп қолданылатын түрі – адам және жануарлар микрочиптерінің имплантаттарындағы RFID транспондерлерінің корпустарында пайдалану. Ол Schott AG компаниясымен патенттелген және өндіріледі. Bioglass 8625 кейбір пирсингтер үшін де қолданылады. Bioglass 8625 тінді немесе сүйекті байланыстырмайды, ол талшықты тіндік капсуламен бекітіледі. Имплантациядан кейін, шыны мен тіндік арасындағы интерфейсте кальцийге бай қабат пайда болады. Қосымша миграцияға қарсы жабын болмаса, тіндік ортада миграцияға ұшырайды. Миграцияға қарсы жабын – шыныға да, тінді де байланыстыратын материал. Мұндай материал ретінде көбінесе парилен, әдетте C типіндегі парилен қолданылады. Bioglass 8625 құрамында маңызды мөлшерде темір бар, ол инфрақызыл сәулелерді сіңіреді және Nd:YAG лазері немесе сынап бу шамдары сияқты жарық көзімен герметикалық жабылуға мүмкіндік береді. Имплантациядан кейін, шыны екі апта ішінде қоршаған ортамен екі фазада әрекеттеседі. Бірінші фазада, шыныдан сілті металл иондары шығарылып, сутегі иондарымен алмастырылады; сондай-ақ, материалдан аз мөлшерде кальций иондары да диффузияланады. Екінші фазада, кремний матрицасындағы Si-O-Si байланыстары гидролизденіп, Si-O-H топтарына бай, гель тәрізді беткі қабат түзеді. Шыны бетінде кальций фосфатына бай пассивациялық қабат біртіндеп қалыптасып, одан әрі шығарылудың алдын алады. Ол көптеген жануарларды қадағалауға арналған микрочиптерде, сондай-ақ жақында кейбір адамдарға имплантацияланған құрылғыларда қолданылады. АҚШ-тың Тамақ және Дәрі-дәрмек басқармасы (FDA) 1994 жылы Bioglass 8625 препаратын адамдарда қолдануға бекітті.

Биогласс 13-93

Bioglass 45S5-пен салыстырғанда, силикат 13 93 биоактивті шыны SiO2 құрамының жоғары үлесімен сипатталады және K2O мен MgO-ны қамтиды. Оны Mo Sci Corp. компаниясынан коммерциялық түрде алуға болады немесе 1300 °C температурада платиналық тостағанда Na2CO3, K2CO3, MgCO3, CaCO3, SiO2 және NaH2PO4 · 2H2O қоспасын балқыту және оны тот баспайтын болат плиталар арасында жылдам салқындату арқылы тікелей дайындауға болады. 13 93 шыны АҚШ және Еуропада тірі организмде қолдануға бекітілген. Ол ыңғайлы тұтқыр ағысқа ие және талшыққа тартылғанда кристалдануға бейім емес. 13 93 биоактивті шыны ұнтағын байланыстырғыш затқа араластырып, роботты құюға немесе тікелей 3D басып шығару технологиясы үшін қалампир жасауға болады. Нәтижесінде алынған кеуекті мұқтажаттардың механикалық қасиеттері әртүрлі зерттеулерде қарастырылған. Лю және авторлар тобының зерттеуінде басылған 13 93 биоактивті шыны мұқтажаты қоршаған ортада кептірілді, өңдеу қоспаларын жою үшін 600 °C температурада оттетек атмосферасында қыздырылды және 700 °C температурада 1 сағат бойы ауада ыстықталды. Таза үлгіде иілу беріктігі (11 ± 3 МПа) және иілу модулі (13 ± 2 МПа) трабекуляр сүйектердің ең төменгі мәндерімен салыстырылады, ал қысымға төзімділігі (86 ± 9 МПа) және қысым модулі (13 ± 2 ГПа) қабықшалық сүйектердің мәндеріне жақын. Дегенмен, жасалған мұқтажаттың сыну беріктігі 0,48 ± 0,04 МПа·м1/2 құрады, бұл оның адам қабықшалық сүйегінен (сыну беріктігі 2–12 МПа·м1/2) көбірек сынысқа ұшырайтынын көрсетеді. Үлгіні симуляцияланған дене сұйықтығына (СБС) батыру немесе егеуқұйрықтардың арқасына тері астына енгізу кезінде қысымға төзімділігі мен қысым модулі алғашқы екі аптада күрт төмендесе, екі аптадан кейін баяу төмендейді. Механикалық қасиеттердің төмендеуі мұқтажаттағы шыны талшықтарының гидроксиапатит сияқты материалдан тұратын қабатқа ішінара айналуымен байланысты. Колан және әріптестерінің тағы бір жұмысында дәстүрлі жылумен өңдеудің орнына селективті лазерлік балқыту қолданылды. Лазерлік қуатты, сканерлеу жылдамдығын және қыздыру жылдамдығын оңтайландырғаннан кейін, синтезделген мұқтажаттардың қысымға төзімділігі ~50% кеуектілікке ие мұқтажат үшін 41 МПа-дан ~157 МПа-ға дейін өзгереді. SBF қолданылатын in vitro зерттеуде қысымға төзімділігі төмендеді, бірақ соңғы мән адам трабекуляр сүйегінің мәндеріне ұқсас болды. Фу және авторлар тобының баяндамасында 13 93 кеуекті шыны мұқтажаттары полиуретан көбігін көшіру әдісімен синтезделді. 85 ± 2% кеуектілікке ие сегіз үлгіні қолдана отырып, қысымға төзімділік сынағынан алынған кернеу-деформация қатынасы зерттелді. Нәтижесінде алынған қисық мұқтажат құрылымының бірте-бірте бұзылуын және 11 ± 1 МПа орташа қысымға төзімділігін көрсетті, бұл адам трабекуляр сүйегінің диапазонында және сүйектерді жаңартуға арналған бәсекелес биоактивті материалдардан (мысалы, бірдей кеуектілікке ие гидроксиапатит мұқтажаттары және термиялық индукцияланған фазалық бөліну (TIPS) әдісімен дайындалған полимерлі керамикалық композиттер) жоғары. Осылайша, материалдың сынуға дейін көбірек деформациялануына мүмкіндік береді. Бұл өте қажет, өйткені тұрақты имплант науқастың денесінде сынылудан сақтануы керек. Металл негізін құрайтын жалпы материалдар Zr және Ti, ал негізгі материалдар ретінде қолданылмауы керек бірнеше негізгі металдардың мысалдары Al, Be және Ni.

Compared to Bioglass 45S5, silicate 13 93 bioactive glass is composed of a higher composition of SiO2 and includes K2O and MgO. It is commercially available from Mo Sci Corp. or can be directly prepared by melting a mixture of Na2CO3, K2CO3, MgCO3, CaCO3, SiO2 and NaH2PO4 · 2H2O in a platinum crucible at 1300 °C and quenching between stainless steel plates. The 13 93 glass has received approval for in vivo use in the USA and Europe. It has more facile viscous flow behavior and a lower tendency to crystallize upon being pulled into fibers. 13 93 bioactive glass powder could be dispersed into a binder to create ink for robocasting or direct ink 3D printing technique. The mechanical properties of the resulting porous scaffolds have been studied in various works of literature. The printed 13 93 bioactive glass scaffold in the study by Liu et al. was dried in ambient air, fired to 600 °C under the O2 atmosphere to remove the processing additives, and sintered in air for 1 hour at 700 °C. In the pristine sample, the flexural strength (11 ± 3 MPa) and flexural modulus (13 ± 2 MPa) are comparable to the minimum value of those of trabecular bones while the compressive strength (86 ± 9 MPa) and compressive modulus (13 ± 2 GPa) are close to the cortical bone values. However, the fracture toughness of the as fabricated scaffold was 0.48 ± 0.04 MPa·m1/2, indicating that it is more brittle than human cortical bone whose fracture toughness is 2–12 MPa·m1/2. After immersing the sample in a simulated body fluid (SBF) or subcutaneous implantation in the dorsum of rats, the compressive strength and compressive modulus decrease sharply during the initial two weeks but more gradually after two weeks. The decrease in the mechanical properties was attributed to the partial conversion of the glass filaments in the scaffolds into a layer mainly composed of a porous hydroxyapatite like material. Another work by Kolan and co workers used selective laser sintering instead of conventional heat treatment. After the optimization of the laser power, scan speed, and heating rate, the compressive strength of the sintered scaffolds varied from 41 MPa for a scaffold with ~50% porosity to 157 MPa for dense scaffolds. The in vitro study using SBF resulted in a decrease in the compressive strength but the final value was similar to that of human trabecular bone. 13 93 porous glass scaffolds were synthesized using a polyurethane foam replication method in the report by Fu et al. The stress strain relationship was examined in obtained from the compressive test using eight samples with 85 ± 2% porosity. The resultant curve demonstrated a progressive breaking down of the scaffold structure and the average compressive strength of 11 ± 1 MPa, which was in the range of human trabecular bone and higher than competitive bioactive materials for bone repairing such as hydroxyapatite scaffolds with the same extent of pores and polymer ceramic composites prepared by the thermally induced phase separation (TIPS) method. and as such, will allow for more deformation of the material before fracture occurs. This is highly desirable, as a permanent implant would need to avoid shattering within the patient's body. Common materials which compose the metallic bulk include Zr and Ti, whereas some examples of the few key metals that shouldn't be used as bulk materials are Al, Be, and Ni.

Лазерлік қаптама

Металдар қажетті түрде биоактивті болмаса да, лазерлік қаптау арқылы металл негіздеріне жағылатын биоактивті шыны қаптамалары шынының өзіндік биоактивтілігін қамтамасыз етеді, бірақ металл негізінің қосымша артықшылықтарын да ұсынады. Лазерлік қаптау – бұл биоактивті шыны микробөлшектерін көлемді материалға бағыттап, оларды материалдың қабатына еруге жеткілікті жоғары температураға дейін қыздыру әдісі. Бұл әдіс негізінен аморфты құрылымды сақтайтынын, сонымен қатар маңызды кристалдық элементтерді қамтитынын және биоактивті шыныға салыстырмалы биоактивтілік деңгейіне жететінін көрсетті.

Әрекеттің механизмі

Биоактивті шынылардың сүйектерді қалпына келтіруге қабілетті материал ретінде әрекет ету механиздері Флорида университетінде Hench және авторлар тобының алғашқы жұмысынан бері зерттеле бастады. Бастапқы назар биоактивті шыны бетіндегі өзгерістерге аударылды. Биоактивті шыны физиологиялық ортаға батырылғанда, әдетте бес түрлі бейорганикалық реакция сатысы жүзеге асады деп есептеледі:

The underlying mechanisms that enable bioactive glasses to act as materials for bone repair have been investigated since the first work of Hench et al. at the University of Florida. Early attention was paid to changes in the bioactive glass surface. Five inorganic reaction stages are commonly thought to occur when a bioactive glass is immersed in a physiological environment:

thumb|A step by step image of the integration of bioactive glass with boneIon exchange in which modifier cations (mostly Na+) in the glass exchange with hydronium ions in the external solution. Hydrolysis in which Si O Si bridges are broken, forming Si OH silanol groups, and the glass network is disrupted. Condensation of silanols in which the disrupted glass network changes its morphology to form a gel like surface layer, depleted in sodium and calcium ions. Precipitation in which an amorphous calcium phosphate layer is deposited on the gel. Mineralization in which the calcium phosphate layer gradually transforms into crystalline hydroxyapatite, that mimics the mineral phase naturally contained with vertebrate bones. Later, it was discovered that the morphology of the gel surface layer was a key component in determining the bioactive response. This was supported by studies on bioactive glasses derived from sol gel processing. Such glasses could contain significantly higher concentrations of SiO2 than traditional melt derived bioactive glasses and still maintain bioactivity (i. e., the ability to form a mineralized hydroxyapatite layer on the surface). The inherent porosity of the sol gel derived material was cited as a possible explanation for why bioactivity was retained, and often enhanced with respect to the melt derived glass. Subsequent advances in DNA microarray technology enabled an entirely new perspective on the mechanisms of bioactivity in bioactive glasses. Previously, it was known that a complex interplay existed between bioactive glasses and the molecular biology of the implant host, but the available tools did not provide a sufficient quantity of information to develop a holistic picture. Using DNA microarrays, researchers are now able to identify entire classes of genes that are regulated by the dissolution products of bioactive glasses, resulting in the so called "genetic theory" of bioactive glasses. The first microarray studies on bioactive glasses demonstrated that genes associated with osteoblast growth and differentiation, maintenance of extracellular matrix, and promotion of cell cell and cell matrix adhesion were up regulated by conditioned cell culture media containing the dissolution products of bioactive glass.

* Иондық алмасу, онда шыныдағы модификатор катиондары (көбінесе Na+) сыртқы ерітіндідегі гидроний иондарымен алмасады.
* Гидролиз, онда Si-O-Si байланыстары үзіліп, Si-OH силанол тобы пайда болып, шыны торы бұзылады.
* Силанолдардың конденсациясы, нәтижесінде бұзылған шыны торы морфологиясын өзгертіп, натрий мен кальций иондарынан кеміген гель тәрізді беткі қабат құрайды.
* Жауын-шашын, онда гель бетіне аморфты кальций фосфатының қабаты түседі.
* Минералдану, онда кальций фосфатының қабаты біртіндеп кристалдық гидроксиапатитке айналады, ол омыртқалы жануарлардың сүйектерінде табиғи түрде кездесетін минералды фазаны имитациялайды.

Кейіннен гельдің беткі қабатының морфологиясы биоактивті жауапты анықтаудағы маңызды фактор екені анықталды. Бұл сол-гель әдісімен алынған биоактивті шыныларға қатысты зерттеулермен расталды. Мұндай шынылар дәстүрлі балқыту әдісімен алынған биоактивті шыныларға қарағанда SiO2 концентрациясының жоғары деңгейін сақтай отырып, биоактивтілігін (яғни, бетінде минералданған гидроксиапатит қабатын қалыптастыру қабілетін) сақтай алады. Сол-гель әдісімен алынған материалдың ішкі кеуектілігі биоактивтіліктің сақталуының және балқыту әдісімен алынған шыныға қарағанда оның күшеюінің себебі ретінде қарастырылды. ДНК микромассивтері технологиясының дамуы биоактивті шынылардағы биоактивтілік механизмдеріне жаңаша көзқарас ұсынды. Бұрын биоактивті материалдар мен имплантациялық ортаның молекулалық биологиясы арасындағы күрделі өзара әрекеттесу белгілі болған, бірақ қолдағы құралдар толық картинаны қалыптастыру үшін жеткілікті мәліметтерді қамтамасыз ете алмады. ДНК микромассивтерін пайдалана отырып, зерттеушілер биоактивті шынылардың еріту өнімдерімен реттелетін гендердің толық кластарын анықтай алды, нәтижесінде биоактивті шынылардың «генетикалық теориясы» пайда болды. Биоактивті шыныларға қатысты алғашқы микромассивтік зерттеулер остеобласттардың өсуі мен дифференциациялануына, жасушадан тыс матрицаның күйін сақтауға және жасушалардың бір-бірімен және жасуша-матрица жабысуын ынталандыруға байланысты гендердің биоактивті шынының еріту өнімдерін қамтитын шартты жасуша культуралық ортамен стимуляцияланатынын көрсетті.

Медициналық қолданыстар

S53P4 биоактивті шыны алғаш рет клиникалық жағдайда бет қайта құру хирургиясында сүйек немесе шеміршек егудің орнына қолданылды. Сүйек протезі ретінде жасанды материалдарды пайдалану, дәстүрлі өз сүйегін егуге қарағанда әлдеқайда әмбебап болатын және операциядан кейінгі қосымша әсерлердің азырақ болуының артықшылығын ұсынды. Дегенмен, 2015 жылға дейін рандомизацияланған бақыланатын сынақтардың нәтижелері қолжетімді болған жоқ.