Создание кальцийфосфатных композиционных костных цементов, содержащих гранулы сульфата кальция: влияние состава, размера, пористости гранул на фазовый состав, микроструктуру, механические и биологические свойства цементов (итоговый)

Создание кальцийфосфатных композиционных костных цементов, содержащих гранулы сульфата кальция: влияние состава, размера, пористости гранул на фазовый состав, микроструктуру, механические и биологические свойства цементов. Целью исследования являлась разработка научных основ создания новых кальций - фосфатных цементных композиционных материалов, предназначенных для замещения и регенерации костных тканей. В работе был использован оригинальный подход, основанный на создании селективно резорбируемых систем на основе сульфатов кальция для формирования пористости в условиях in vivo. В ходе работы была разработана методика получения полуводного сульфата кальция с помощью твердофазного синтеза с применением в качестве прекурсоров гидроксида кальция и сульфата аммония. В результате были получены однородные по фазовому составу цементные порошки сульфата кальция полуводного (СКП). Впервые были проведены исследования фазового состава и растворимости при введении катионов магния в порошки сульфат кальция (СК) методом осаждением из водных растворов. Экспериментальные данные показали, что введение 5, 10 и 20 моль.% магния не приводит к образованию других фаз, кроме СКП. Цементные материалы на основе разработанных цементных порошков при затворении дистиллированной водой, по сравнению с широко применяемыми биорезорбируемыми цементами на основе брушита, имеют высокую растворимость (0,68 г/100мл через 24 часа выдержки в 0,9 % физиологическом растворе хлорида натрия) и механическую прочность около 10 МПа (для состава 10 мол. % магния), что делает их перспективными материалами для быстрого восстановления костной ткани. Разработанные материалы, содержащие катионы натрия и калия, также характеризуются высокой растворимостью и пористостью. Впервые были проведены комплексные исследования влияния степени замещения сульфат-анионов на анионы фосфат- и карбонат-групп на фазовый состав, растворимость, время схватывания, прочность и микроструктуру цементных материалов на основе СК в широком диапазоне составов (замещение до 20 мол.%). Исследования фазового состава показали, что для материалов, содержащих карбонат-группы, основной фазой является СКП с небольшим содержанием ангидрида СК. Введение фосфат-групп приводит к образованию, помимо СКП, β-трикальцийфосфата (ТКФ). Разработанные композиционные цементные материалы на основе системы СК-ТКФ, характеризующиеся механической прочностью до 9±1 МПа, временем 5 схватывания 7 - 9 минут, растворимостью около 0,4 (г/100мл) через 24 часа выдержки в 0,9 % физиологическом растворе хлорида натрия, отсутствием токсичности и биосовместимостью, и могут найти применение для восстановления костной ткани. Проведены оригинальные комплексные исследования эволюции микроструктуры, фазового состава и растворимости, модифицированных кальций-сульфатных цементов в модельных растворах Kokubo’s simulated body fluid и Dulbecco's phosphate-buffered saline, а также построены кинетические кривые выделения элементов кальция, магния и серы в модельные жидкости в динамике до 28 суток. Согласно полученным данным, во время выдержки в модельных растворах на поверхности цементных образцов происходит формирование брушита. При этом, для магний-содержащих СК, с увеличением времени выдержки на поверхности образцов происходит образование хлорида натрия, а у образов, содержащих фосфат-ионы, помимо этого, происходит образование магний-натриевого фосфата MgNaPO4(H2O)7. Результаты испытаний in vitro свидетельствуют о наличии острой токсичности в отношении тест-культуры – клеток остеосаркомы человека линии MG - 63 кальций-сульфатных образцов, содержащих 20 мол.% магния, и цитосовместимости с наличием умеренных матриксных свойств поверхности образцов, содержащих 0, 10 и 20 мол.% фосфат-групп. Можно ожидать, что данные материалы могут найти применение в качестве хорошо растворимых (биорезорбируемых) гранул для получения поровых структур in vivo в костных цементных композиционных имплантатах, что важно для равномерного формирования костной ткани по всему объему костного дефекта. На основе модифицированных СК цементов были приготовлены гранулы, которые использовали для создания композиционных кальций-фосфатных цементов. В качестве цементной матрицы использовали α-ТКФ, а в качестве цементной жидкости – водный раствор фосфата магния. Цементы синтезировали по нижеприведенной схеме: порошок α-ТКФ + цементная жидкость + гранулы СК. Впервые были проведены комплексные исследования влияния количества (20 и 40 масс.%) и состава модифицированных гранул СК на фазовый состав, растворимость, время схватывания, прочность и микроструктуру цементных материалов. Показано, что у материалов, содержащих гранулы в количестве 20 мол.%, механическая прочность увеличивается почти в 2 раза по сравнению с ТКФ. Массовые потери при выдержке в модельных растворах составляют до 38 % процентов, при этом наблюдается селективная растворимость, связанная с растворением гранул в матрице цемента. Показано, что модификация гранул карбонат-группами приводит к их полной деградации в растворе, в то время как СКП, модифицированный фосфат-группами, растворяется преимущественно по периферии гранул. Таким образом, разработанные новые композиционные цементы на основе ТКФ, обладающие различными характеристиками селективной растворимости, которые найти применение для восстановления костной ткани, а также быть использованы в биодеградируемых системах адресной доставки лекарственных средств.