Синтез на калциево-фосфатна и хитозанова биокерамика за регенерация на костите

MELLATIE R. FINISIE, ATCHE JOSUÉ, VALFREDO T. FÁVERE и MAURO C. M. LARANJEIRA

Departamento de Química, Universidade Federal de Santa Catarina,
Campus Universitário, Trindade - 88040-900 Florianópolis-SC, Бразилия.
Ръкопис, получен на 20 декември 2000 г .; приета за публикуване на 29 август 2001 г .;
представен от Ф ЕРНАНДО Г АЛЕМБЕК

Биокерамичните композити са получени от хитозанови и хидроксиапатитни пасти, синтезирани при физиологична температура съгласно два различни подхода за синтез. За характеризиране на получения материал са използвани обичайни аналитични техники (рентгенов дифракционен анализ, инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие, термогравиметричен анализ, сканираща електронна микроскопия, рентгенов дисперсионен енергиен анализ и порозиметрия). Целта на това изследване беше да се изследват биокерамичните свойства на пастите с неразлагащо се поведение от хитозан-хидроксиапатитни композити. Хитозанът, който също образува неразтворим във вода гел в присъствието на калциеви йони и за който се съобщава, че има фармакологично благоприятни ефекти върху остеопроводимостта, се добавя към твърдата фаза на хидроксиапатитния прах. Свойствата, проявени от хитозан-хидроксиапатитните композити, са характерни за биокерамиката, прилагана като костни заместители. Съдържанието на хидроксиапатит в диапазона от 85 до 98% (тегл./Тегл.) Доведе до подходящи биокерамични композити за регенерация на костите, тъй като те показаха неразлагащо се поведение, добри механични свойства и подходящи размери на порите.
Ключови думи: биокерамика, хитозан, хидроксиапатит, композити, костна регенерация.

ВЪВЕДЕНИЕ

Наскоро биокерамиката на основата на калциев фосфат получи специално внимание като заместители на костите, тъй като се държи подобно на минералната съставка на костите (Martin and Brown 1995, Felício-Fernandes and Laranjeira 2000, Pereira et al. 1999, Kawachi et al. 2000, Shareef et al. 1993, Sivakumar et al. 1996).

Сред най-атрактивните си свойства тези материали не показват локална или системна токсичност, не реагират на странни тела или възпаления и очевидна способност да се прикрепят към тъканите гостоприемници (Kawachi et al. 2000). Механизмът на прикрепване на тъканите е пряко свързан с вида на тъканната реакция на интерфейса на импланта (Hench 1991). Имплантите винаги предизвикват реакция от живите тъкани (Hench 1991), тъй като заместващите материали в живите тъкани никога не са инертни.

Порите, по-големи от 100 m m, са идеални за биокерамика (Kawachi et al. 2000), тъй като поддържат васкуларност и дългосрочна жизнеспособност (Hench 1991). За да се образуват макропорести биоматериали (размер на порите варира от 50 до 250 m m), полимер или органично вещество се смесва до прахообразен материал. Алтернативно, той може да бъде навлажнен с водороден прекис, който се разлага, освобождавайки кислороден газ, за ​​да образува пори (Kawachi et al. 2000). В настоящата работа се обсъжда използването на алуминиев прах в алкална среда за образуване на водороден газ.

Могат да се използват различни фази на калциев фосфат в зависимост от това дали се желае резорбируем или биоактивен материал (Hench 1991). Стабилността на фазите на калциев фосфат зависи значително от температурата и влагата, както по време на обработката, така и при употреба.

HAp [Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2] е основната неорганична съставка на костите и зъбите на човека и животните. Той има съотношение Ca/P 1,67 и водно съдържание 1,79 тегл.%.

Резорбцията и биоразграждането на фосфатната керамика са причинени от (1) физиохимично разтваряне; (2) физическо разпадане на малки частици поради преференциална химическа атака на границите на зърното; и (3) биологични фактори, като фагоцити, които намаляват местното рН (Hench 1991).

Синтезът на калциев фосфат е осъществен по различни методи, включително: утаяване във водни разтвори, твърди реакции, хидротермални методи (Kawachi et al. 2000), (Hench 1991), зол-гел процес и наскоро микро емулсия (Kawachi et al. 2000). Фосфатите могат да се трансформират в биосъвместима и остеопроводима керамика, способна да индуцира растеж на костите както на повърхността, така и през порите на материала (Kawachi et al. 2000, Hench 1991).

Хитозанът, поли-2-амино-2-дезокси- b - (1,4) -D-глюкопираноза, се получава от хитин, поли-2-ацетамид-2-дезокси- b - (1,4) -D- глюкопираноза (Knaul et al. 1999). Хитинът е един от най-разпространените естествени полизахариди, получен предимно като субпродукт от морски дарове. Хитозанът се използва като флокулент и адсорбент при пречистването на отпадъчни води. Напоследък се прилага в биомедицинските и фармацевтичните области, главно поради неговата биоразградимост, ниска токсичност и добра биосъвместимост (Kawachi et al. 2000, Tas 2000).

Комбинацията HAp-хитозан може да се използва за приготвяне на композити с контролирана биоактивност (биоразградимост). Хитозанът е неразтворим във вода и следователно във физиологична среда. HAp може да действа като ретикуларен модифициращ агент (поради наличието на калций и фосфор) и използването му като средство за образуване на кости (Felício-Fernandes и Laranjeira 2000) също е оценено. Неговите превъзходни остеопроводими свойства правят HAp огромен потенциал да се използва в импланти като костен заместител (Sivakumar et al. 1996).

В настоящата статия ние докладваме за подготовката и характеризирането на биокерамични композити под формата на пасти от хидроксиапатит и хитозан. Тази работа също така изследва вероятното взаимодействие между аминовата група на хитозана и фосфата на хидроксиапатита. Химичната комбинация от хитозан и хидроксиапатит по използваните методи дава нов материал, който може да се използва като алтернативна биокерамика в костната регенерация.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЕН

биокерамика

NaCl (99,5%), NaHCO 3 (99,5%), KCl (99,0%), Na 2 HPO 4. 2Н20 (99,5%), MgCl2. 6Н20 (99.0%), CaCl2. H2O (99,0%), Na2S04, (CH2OH) 3 CNH2 (99,5%) и HCl (37 об.%,) Са използвани при приготвянето на SBF (Tas 2000).

След това пастилите бяха лиофилизирани и характеризирани с конвенционални аналитични техники. За да се увеличи порьозността, HAp прахът се смесва с алуминиев прах (0,3 - 1,1%) и след това се трансформира в паста. Поради токсичността на алуминия, целият метал се елиминира чрез разтваряне в 2 mol/L разтвор на NaOH, след потапяне на пастилите в алкалния разтвор. Това доведе до образуването на натриев алуминат в разтвор и водороден газ, което доведе до образуването на пори в порядъка по-голям от 100 m m. Натриевият алуминат се отстранява чрез обширно промиване с дейонизирана вода. Получените пастили след потапяне в продължение на 7 дни в синтетична телесна течност (SBF) при 37 o C (Tas 2000) също се характеризират с конвенционални аналитични техники.

Всички проби бяха изсушени чрез замразяване и се характеризираха със следните техники: Инфрачервена абсорбционна спектроскопия с използване на KBr пелети (FTIR); Дифракция на рентгенови лъчи (XRD); Сканираща електронна микроскопия (SEM), където пастилните повърхности бяха покрити с тънък слой злато; Анализ на дисперсионна енергия на рентгенови лъчи (EDX); Порозиметрия чрез проникване на живак; и TG анализ на прах от композити (TGA).

РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИЯ

XRD моделите, показани на фигура 2, разкриват, че методът, използван за синтезиране на HAp100, е довел до по-добра кристалност (фигура 2в.) В сравнение с на място подход (HApIII на фигура 2b). В допълнение, праховите проби от биокерамични композити (Фигура 2а и 2г) са подобни на тези на представителите на HAp100 (Фигура 2в).

Проведено е и морфологично проучване (Фигура 3), което показва, че композитите, приготвени от HAp100 (Фигура 3a, 3b, 3d, 3e), имат доста порести повърхности, надвишаващи порьозността на тези от HApIII, както е показано на Фигура 3c. Това вероятно се дължи на равномерното разпределение на зърната, наблюдавано от HAp100. Освен това, използването на алуминий (0,2 - 0,5 тегл.%) Води до пори над 100 m m със среден диаметър (Фигура 3f).

Графиките на TG са показани на фигура 4. Видно е, че не е настъпила фазова трансформация при нагряване на HAp100 (фигура 4д) или HApIII (фигура 4г). Няма забележима загуба на тегло и при двата HAp продукта. Загубата на тегло, наблюдавана от хитозан при 281,01 o C и 295,89 o C (Фигура 4а), вероятно съответства на разлагането и елиминирането на полимерната съставка. Биокерамичните композити показват на Фигура 4b и 4c загуба на тегло при по-висока температура (съответно 298,27 o C и 307,08 o C). Загубата на тегло, наблюдавана при 281,01 o C в термографа на хитозан, изчезва в тези на композитите I и III (Фигура 4b и 4c, съответно). Това потвърждава хипотезата за взаимодействията между функционалните аминогрупи от хитозан и фосфатните групи от HAp. Амплитудата на наблюдаваното температурно изместване е обратно пропорционална на съдържанието на хитозан в биокерамичната проба. Якостта на натиск на биокерамичните пастили варира от 3 - 7 MPa, като съставите със съдържание на хидроксиапатит в диапазона от 85 до 98 тегл.% Показват най-високи стойности.

Анализът на рентгеновата дисперсионна енергийна структура, показана на Фигура 5, разкрива липсата на остатъчен алуминий в биокерамичния композит. Целият алуминий се елиминира поради неговата токсичност чрез разтваряне в 2 mol/L разтвор на NaOH.

И двата метода, използвани за синтезиране на HAp, са ефективни, тъй като получените биокерамични композити показват определена порьозност и кристалност. Композитите представляват размери на порите, по-големи от 100 m m, което е изискването за костното израстване през порестите канали. Техниките, използвани за приготвяне на биокерамика от калциев фосфат и биополимер на хитозана, доведоха до подготовката на материали с необходимите изисквания за костна регенерация: инхибиране на разпадането на пастилите в телесните течности, подходящи размери на порите и механична устойчивост.

Препоръчваме композитите със съдържание на хидроксиапатит в диапазона от 85 до 98 тегл.% За производството на керамични пастили, тъй като разпадането на пастата е ефективно инхибирано в този диапазон на състава, което също демонстрира най-високите механични свойства. In vivo оценка на тези HAp-хитозанови композити се очаква въз основа на това начално инвитро проучване.

FELÍCIO-FERNANDES G И LARANJEIRA MCM. 2000. Биоматериали от калциев фосфат от морски водорасли. Хидротермален синтез и характеризиране. Куим Нова 23: 441-446. [Връзки]

ХЕНЧ ЛЛ. 1991. Биокерамика: От концепция до клиника. J Am Ceram Soc 74: 1487-1510. [Връзки]

KAWACHI EY, BETRAN CA, DOS REIS RR И ALVES OL. 2000. Biocerâmicas: Tendências e Perspectivas de uma Área Interdisciplinar. Куим Нова 23: 518-522. [Връзки]

KNAUL JZ, HUDSON SM И CREBER KAM. 1999. Подобрени механични свойства на влакна от хитозан. J Appl Polym Sci 72: 1721-1732. [Връзки]

МАРТИН РИ И КАФЯВ PW. 1995. Механични свойства на хидроксиапатит, образуван при физиологична температура. J Mater Sci: Mater Med 6: 138-143. [Връзки]

PEREIRA APV, VASCONCELOS WL И ORÉFICE RL. 1999. Novos biomateriais: híbridos orgânico-Inorgânicos bioativos. Polim: Cienc e Tecnol 9: 104-109. [Връзки]

SHAREEF MY, MESSER PF И VAN NOORT R. 1993. Изработване, характеризиране и изследване на фрактури на обработваема хидроксиапатитна керамика. Биоматериали 14: 69-75. [Връзки]

SIVAKUMAR M, SAMPATH KUMAR TS, SHANTHA KL И PANDURANGA RAO K. 1996. Развитие на хидроксиапатит, получен от индийски корал. Биоматериали 17: 1709-1714. [Връзки]

TAS AC. 2000. Синтез на биомиметични прахове Ca-Hydroxyapatite при 37 o C в синтетични телесни течности. Биоматериали 21: 1429-1438. [Връзки]

Кореспонденция на: Mauro C.M. Ларанджейра
Имейл: [email protected]

Цялото съдържание на това списание, с изключение на случаите, когато е отбелязано друго, е лицензирано под лиценз Creative Commons Attribution