Введение

Биоактивный стеклянный биоматериал

Bioglass 45S5, или натриево-кальциевый фосфосиликат, представляет собой биоактивное стекло, состоящее из 45 мас. % SiO2, 24,5 мас. % CaO, 24,5 мас. % Na2O и 6,0 мас. % P2O5. Биоактивное стекло впервые было применено в медицинских устройствах в 1984 году для восстановления слуха глухого пациента с использованием Bioglass 45S5. Пациентка потеряла слух из-за ушной инфекции, которая разрушила две из трех костей среднего уха. Был разработан имплантат для замены поврежденной кости и передачи звука от барабанной перепонки к кохлее, восстанавливая слух. До появления этого материала использовались пластик и металлы, поскольку они не вызывали реакцию в организме, однако со временем они выходили из строя из-за врастания тканей после имплантации. Протез из Bioglass 45S5 был изготовлен индивидуально для пациентки, и большинство протезов сохраняли функциональность более 10 лет. Имплантат для поддержания костного гребня из Bioglass 45S5 – еще одно устройство, которое вставлялось в лунки после удаления зубов для восстановления корней зубов и создания стабильного гребня для протезирования. Биоактивные стекла, полученные золь-гель методом, такие как CaPSiO и CaPSiO II, также обладают антибактериальными свойствами. Исследования с S. epidermidis и E. coli, культивированными с биоактивным стеклом, показали, что Bioglass 45S5 обладает высокой антибактериальной активностью. В ходе эксперимента также были обнаружены игольчатые фрагменты биостекла, которые могли разрушать клеточные стенки бактерий и инактивировать их. Компания GlaxoSmithKline использует этот материал в качестве активного ингредиента в зубной пасте под торговым названием NovaMin, который способствует восстановлению микроповреждений и снижению чувствительности зубов.

Механизм действия

При имплантации Bioglass 45S5 вступает в реакцию с окружающей физиологической жидкостью, вызывая образование на поверхности материала слоя гидроксикарбоната апатита (HCA). Слой HCA имеет состав, аналогичный гидроксиапатиту – минеральной фазе кости, что обеспечивает прочное взаимодействие и интеграцию с костной тканью. Процесс, посредством которого происходит эта реакция, можно разделить на 12 этапов. Первые 5 этапов связаны с реакцией Bioglass на среду внутри организма и быстро протекают на поверхности материала в течение нескольких часов. Этапы 6–10 подробно описывают реакцию организма на интеграцию биоматериала и процесс его интеграции с костью. Эти стадии происходят в течение нескольких недель или месяцев. Этапы разделены следующим образом: под воздействием активации макрофагов M2, мезенхимальные стволовые клетки и остеопрогениторные клетки мигрируют к поверхности Bioglass и прикрепляются к слою HCA. Стволовые клетки и остеопрогениторные клетки на поверхности HCA дифференцируются в остеогенные клетки, обычно присутствующие в костной ткани, в частности, остеобласты. Прикрепленные и дифференцированные остеобласты генерируют и откладывают компоненты внеклеточного матрикса (ЭКМ), преимущественно коллаген I типа – основной белковый компонент кости. Коллагеновый ЭКМ минерализуется, как это происходит в нормальной костной ткани. Наноразмерные кристаллы гидроксиапатита формируют слоистую структуру с отложенным коллагеном на поверхности имплантата. После этих реакций рост кости продолжается, поскольку вновь рекрутированные клетки продолжают функционировать и способствуют росту и регенерации тканей. Имплантат Bioglass продолжает разрушаться и превращаться в новый материал ЭКМ.

Производство

Существует два основных метода производства, используемых для синтеза Bioglass. Первый – синтез методом быстрого охлаждения расплава, являющийся традиционной технологией производства стекла, применённой Ларри Хенчем при первом изготовлении материала в 1969 году. Этот метод включает плавление смеси оксидов, таких как SiO2, Na2O, CaO и P2O5, при высоких температурах, обычно выше 1100–1300 °C. Для предотвращения загрязнения, которое может повлиять на химическую реактивность продукта в организме, используются платиновые или платиновые тигли. Отжиг является важнейшим этапом в формировании массивных деталей из-за высокого коэффициента теплового расширения материала. Термическая обработка Bioglass снижает содержание летучих оксидов щелочных металлов и способствует осаждению кристаллов апатита в стеклянной матрице. Однако, каркасы, полученные методом быстрого охлаждения расплава, значительно менее пористые по сравнению с другими методами производства, что может приводить к дефектам при интеграции тканей при имплантации in vivo. Второй метод – золь-гель синтез Bioglass. Этот процесс осуществляется при значительно более низких температурах, чем традиционные методы плавления. Он включает создание раствора (золя), состоящего из металлоорганических и солевых прекурсоров металлов. Затем, посредством реакций гидролиза и конденсации, образуется гель, который подвергается термической обработке для сушки, формирования оксидов и удаления органических веществ. Благодаря более низким температурам, используемым в этом методе, обеспечивается более точный контроль над составом и однородностью продукта. Кроме того, золь-гель биостекла обладают значительно более высокой пористостью, что приводит к увеличению площади поверхности и степени интеграции в организме. Микроволновый синтез – это быстрый и экономичный метод синтеза порошков, при котором прекурсоры растворяются в воде, помещаются в ультразвуковую ванну и подвергаются облучению.

Недостатки

Недостатком использования Bioglass 45S5 является сложность его обработки в пористые трехмерные каркасы. Эти пористые каркасы обычно получают путем спекания стеклянных частиц, предварительно сформированных в трехмерную геометрию, с последующим их соединением в прочную стеклянную фазу, состоящую из сети пор. Поскольку данный тип биостекла не способен полностью спекаться посредством вязкого течения при температуре выше Tg, а его Tg близка к началу кристаллизации, сложно получить из этого материала плотную структуру. Другое исследование, проведенное Li et al., было посвящено изучению различных свойств, таких как прочность на излом и износостойкость Bioglass 45S5. Авторы вводили графеновые нанопластинки (GNP) в стеклянную структуру методом искроплазменного спекания. Графен был выбран благодаря его высокой удельной поверхности и прочности, а также цитосовместимости и отсутствию влияния на биоактивность Bioglass 45S5. Композиционные материалы, полученные в ходе эксперимента, показали прочность на излом более чем в два раза выше контрольных образцов. Кроме того, значительно улучшились трибологические свойства материала.