Гидроксиапатит — новое решение для ортопедии и травматологии №6(70), 2014 год

На базе Санкт-Петербург­ско­го филиала ФГУП «ЭПМ» ФМБА России — СКТБ Биофизприбор создана лаборатория инновационных технологий (ЛИТ), которая занимается разработкой новых материалов для медицины. Одним из направлений работы ЛИТ является технология получения биологического гидроксиапатита. Гидроксиапатит (ГА) является основным компонентом для получения любого материала ортопедического и травматологического назначения. ГА стимулирует остеогенез и играет важную роль в регуляции кальций-фосфатного обмена в организме. Разработанная технология позволяет сохранять такие преимущества биологического гидроксиапатита, как исходный микроэлементный состав и возможность регулирования размера частиц, в зависимости от скорости протекания реакции осаждения, что позволяет получать гидроксиапатит с разной степенью полидисперсности частиц в широком диапазоне от 10 нм до 400 мкм.

В условиях новой лаборатории, а также совместно с центром коллективного пользования Томского государственного университета нам удалось применить различные физико-химические методы. Электронную микроскопию проводили на растровом электронном микроскопе Philips SEM 515. Регистрацию ИК-спектров гидроксиапатита проводили на ИК-Фурье спектрометре Nicolet-670. Рентгенографические исследования проводили на рентгеновском дифрактометре ShimadzuXRD 600. Химический состав определяли методом энергодисперсного рентгенофлуоресцентного элементного анализа на приборе ShimadzuXRF 1800. Величину удельной поверхности определяли на анализаторе удельной поверхности и пористости Tristar 3020.

На рис. 1, а и б, приведены микрофотографии СЭМ, показывающие морфологию образцов аморфной (б) и кристаллической (а) фаз гидроксиапатита.

На рис. 1б показана микрофотография аморфной фазы гидроксиапатита. Аморфная фаза представляет собой пористые агломераты частиц различных форм, средний размер которых равен примерно 30–60 мкм. На рис. 1а изображена кристаллическая фаза ГА, представляющая собой крупные агломераты частиц произвольной формы, средний размер которых равен 300 мкм.

Определение фазового состава образцов производилось путём сопоставления результатов рентгенофазового анализа полученных образцов со значениями данных ICDD (The International Centrefor Diffraction Data, ICDD — Международный центр дифракционных данных, некоммерческая научная организация, которая занимается сбором, хранением и редактированием данных порошковой ди­фракции для использования при идентификации кристаллических материалов).

Данные, полученные с использованием метода рентгенофазового анализа, сходятся с теоретическими данными, которые представлены в базе данных ICDD. Рентгенофазный анализ показал, что основной фазой (84,4 %) является ГА Ca5(PO4)3OH с гексагональной системой P63/m. Другая фаза (10,5 %) представляет собой ГА с моноклинной системой 2/m, с молекулярной формулой Ca10(PO4)6(OH)2. Помимо этого существует также модификация Ca(HPO4)(H2O), содержание которого в образце 0,1 %. На образование брушита могут оказывать влияние такие параметры как скорость реакции осаждения и перемешивание раствора. По данным рентгенофазового анализа, кристаллы представляют собой частицы размером порядка 10 нм. В образце также присутствует аморфная фаза гидроксиапатита (5%), обладающая более высокой растворимостью по сравнению с кристаллической, вследствие чего происходит быстрое локальное насыщение телесной жидкости ионами кальция и фосфора.

Методом низкотемпературной адсорбции и термодесорбции азота по теории Брунауэра — Эммета — Теллера (БЭТ) производилось определение величины удельной поверхности порошка гидрокси­апатита, которая составляет 96 м2/г.

По данным ИК-спектра, образец характеризуется наличием полос колебаний ОН группы на 3400–3537 см-1 и 1649см-1. ИК-спектр содержит полосы поглощения карбонат-ионов на 1417 см-1 и 870 см-1. Наличие карбонат-иона характерно для биологического гидроксиапатита, который является основным составляющим костной ткани. Установлено, что существует три основных типа замещения карбонат-ионами: замещение гидроксильной группы, замещение фосфатной группы, а также смешанный тип замещения. Биологический гидроксиапатит является карбонатапатитом со смешанным типом замещения [3,4].

Интенсивные полосы поглощения на 1036 и 1134 см-1 и в диапазоне 437–604 см-1 соответствуют колебаниям связи Р-О в фосфатной группе. Характеристические частоты основных групп полученного гидроксиапатита соответствуют частотам, характерным для минеральной составляющей костной ткани. В спектре отсутствуют полосы органических молекул, свидетельствующие об отсутствии в гидроксиапатите органической составляющей.

Методом энергодисперсного рентгенофлуоресцентного анализа был определён элементный состав образца гидроксиапатита, а также установлено соотношение Ca/Pв ГА равное 1,88, что является близким к стехиометрическому значению Ca/P в минеральной составляющей костной ткани, которое составляет 1,67. В табл. 1 приведены данные элементного анализа полученного образца биологического гидроксиапатита, по сравнению с костной тканью. Данные подтверждают вывод о том, что полученный биологический гидроксиапатит сохраняет микроэлементный состав, характерный для минеральной составляющей костной ткани.

Проведены доклинические и клинические испытания, которые показали, что полученный гидроксиапатит обладает хорошими остеогенными и биосовместимыми свойствами.

Итак, разработанная технология позволяет получать биологический гидроксиапатит с широким диапазоном полидисперсности частиц от 10 нм до 400 мкм, сохраняя при этом микроэлементный состав костной ткани, что является важным фактором остеогенных свойств материала.