Технология гидроксиапатита кальция — стимулятора остеосинтеза

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. По данным Всемирной организации здравоохранения развитие техногенной сферы приводит к увеличению ее неблагоприятного воздействия на организм человека. При этом одним из наиболее уязвимых органов является костная ткань организма. Экологически неблагоприятная обстановка приводит к таким отрицательным явлениям, как накапливание радиоактивного изотопа стронция 8г-90 в костной ткани, бытовой и промышленный травматизм, снижение плотности и разрушение костной структуры, приводящей к таким заболеваниям, как остеопороз, пародонтоз и пр. В связи с этим на первый план выходит задача создания эффективных и доступных методик лечения, позволяющих в кратчайший срок и с наименьшими затратами восстановить разрушенную костную ткань и функции пораженного органа. Для этого в настоящее время широко используются костно-пластические операции с применением различных видов имплантантов и трансплантантов, среди которых значительную часть занимают химически синтезированные заменители костной ткани.

Хорошо известно, что костная ткань человека и животных состоит из белковой матрицы, индивидуальной для каждой биологической особи, и минеральной составляющей, которая представляет собой неорганическое соединение кальция и фосфора — гидроксиапатит кальция. Использование химически синтезированного гидроксиапатита для заполнения дефектов кости в процессе хирургического лечения было начато в конце 70-х годов XX века и широко используется в настоящее время. Без этого материала уже нельзя представить себе современную ортопедию, стоматологию, челюстно-лицевую хирургию. На международном съезде имплантологов в 1996 году профессор С. Кауфман назвал гидроксиапатит «лучшим медицинским материалом всех времен». Маркетинговые исследования европейского рынка имплантантов компании «Биомет» показывают, что ежегодные продажи зубных реконструктивных имплантантов составляют 335 млн. долларов, а костных цементов и вспомогательных материалов 145 млн. долларов. Гидроксиапатит кальция, применяемый в настоящее время для заполнения дефектов костной ткани, в основном представляет собой плотный высококристаллический материал, выдерживающий значительные механические нагрузки за счет введения упрочняющих добавок. При создании имплантантов на основе гидроксиапатита учеными подробно исследовались методы синтеза гидроксиапатита, способы его нанесения на поверхность различных имплантантов, биосовместимость in vivo и in vitro, токсикологические и аллергенные проявления, однако вопросам структурной организации гидроксиапатита уделялось мало внимания. Лишь в последние годы появились работы, в которых упоминается об использовании «пористого гидроксиапатита» или «плохо окристаллизованного гидроксиапатита», которые приводят к более эффективному формированию костной ткани. Клинические исследования последних лет показали, что аморфный фосфат кальция, помещенный в костный дефект, способен значительно быстрее превращаться в полноценную костную ткань, поэтому возникла необходимость создания гидроксиапатита с новыми физико-химическими характеристиками. Синтез и всестороннее исследование структуры нанодисперсного гидроксиапатита, полученного из водных растворов гидроксида кальция и фосфорной кислоты было проведено в МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством академика И. В. Мелихова и некоторыми другими исследователями. Однако имеющихся в литературе данных недостаточно для разработки эффективной промышленной технологии гидроксиапатита кальция с новыми свойствами.

Цель работы: Разработать технологию высокочистого мелкодисперсного стехиометрического гидроксиапатита кальция с развитой внутренней структурой.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи: изучить влияние условий химического осаждения гидроксиапатита кальция на состав и структуру материала при взаимодействии суспензии Са (ОН)2 и раствора Н3РО4- выявить закономерности изменения структурных и физико-химических характеристик осажденного продукта от температурыопределить основные технологические параметры производства высокочистого гидроксиапатита кальцияподобрать условия стерилизации, упаковки, хранения и транспортировки, обеспечивающие сохранение свойств медицинского материаларазработать техническую часть пакета документации для производства и применения материала, получить разрешение Минздрава РФ на его производствопроанализировать результаты лечения в случаях применения гидроксиапатита с выбранными структурно-химическими характеристиками.

Научная новизна: Выявлены зависимости физико-химических свойств гидроксиапатита кальция от условий химического осаждения в гетерофазной системе Са (0Н)2-НзР04-Н20. Установлено, что на состав и структуру осажденного материала влияют следующие величины: величина рН реакционной массы, концентрации исходных реагентов, ультразвуковая обработка суспензии гидроксида кальция, скорость добавления фосфорной кислоты, гидродинамический режим перемешивания реакционной массы, время созревания суспензии гидроксиапатита.

Установлено, что основным условием получения высокочистого гидроксиапатита кальция при взаимодействии суспензии Са (ОН)г и раствора фосфорной кислоты является регулируемое понижение величины рН реакционной массы от высокощелочной до нейтральной. Получение гидроксиапатита без примесей побочных фаз зависит от гидродинамического режима перемешивания реакционной массы, величина критерия Рейнольдса в пределах 3000−12 000 обеспечивает необходимые условия химического взаимодействия исходных компонентов.

Обнаружено, что формирование мелкодисперсного осадка гидроксиапатита происходит в растворе с постоянными концентрациями ионов кальция и фосфат-ионов, достаточными для создания пересыщенного раствора. Такие условия синтеза обеспечиваются равенством скорости перехода ионов кальция в раствор и скорости их удаления из жидкой фазы в виде осадка гидроксиапатита, которая регулируется выбором необходимой концентрации исходного раствора фосфорной кислоты и скоростью ее подачи в реактор. Экспериментально установлено, что поддержание скорости введения кислоты в пределах (7,5−30)-10″ 6 м3/(м3-с) обеспечивает образование мелкокристаллического и чистого по фазовому составу гидроксиапатита. При этом скорость перехода Са (ОН)г в жидкую фазу устанавливается в пределах от 0,3−10″ 3 до 2,1-Ю" 3 кг/(м3-с). Дальнейшее повышение скорости подачи кислоты приводит к образованию в осадке примесей брушита.

Доказано, что во время созревания в течение 20−24 часов после введения стехиометрического количества фосфорной кислоты происходит агрегация частиц образовавшегося осадка, сопровождающаяся изменением величины рН, что связано с продолжением реакции образования фазы гидроксиапатита и формированием связующих звеньев между частицами. При этом образуется рыхлая структура осадка, состоящего из первичных частиц размером около 5 0−10″ 9 м, с развитой системой пор и поверхностью до 120 м2/г.

Показано, что ультразвуковая обработка исходной суспензии гидроксида кальция увеличивает скорость созревания гидроксиапатита.

Физико-химический анализ материала показал, что термическая обработка при 120 °C в течение двух часов позволяет получить материал, соответствующий химической формуле Са5(Р04)з0Н-2Н20 и обладающий структурными характеристиками (8уд.= 53−56 м2/г и Упор=(0,7−0,9)-10″ 3 м3/кг), которые удовлетворяют требованиям к материалу, стимулирующему остеосинтез.

Выявленные физико-химические закономерности легли в основу определения оптимальных параметров технологии гидроксиапатита, удовлетворяющего новым требованиям к материалам для костной пластики.

Практическая значимость работы:

На основании проведенных исследований и установленных физико-химических закономерностей создана технология гидроксиапатита кальция, стимулирующего остеосинтез.

Определены оптимальные параметры получения высокочистого, мелкодисперсного, пористого осадка в гетерофазной системе Са (0Н)2-НзР04-Нг0: концентрация исходной суспензии гидроксида кальция — 30−50%- обработка суспензии гидроксида ультразвуком частотой 9−15 кГц в течение 1 часаконцентрация исходного раствора фосфорной кислоты — 6−9%- скорость подачи с л л кислоты — не более 30−10″ м/(м-с) — время созревания осадка — 20−24 часаконечная величина рН суспензии 6,5−7,5- температура сушки суспензии 120±5 °С. Организовано опытно-промышленное производство гидроксиапатита кальция с улучшенными характеристиками и материалов на его основе.

Материалы, полученные на опытно-промышленной установке, успешно прошли регистрационные испытания Минздрава РФ. Клинические испытания подтвердили эффективность их применения при хирургическом лечении костных дефектов.

На защиту выносятся:

— Результаты исследования зависимостей состава и свойств гидроксиапатита кальция от условий синтеза в гетерофазной системе;

— Зависимости структурных и физико-химических свойств синтезированного гидроксиапатита от условий последующей термической обработки;

— Технология производства медицинских материалов нового поколения на основе гидроксиапатита, допущенных к производству и применению Минздравом РФ.

4?

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 патента.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на: Всероссийской выставке «Здравоохранение России-97», в рамках научной программы выставки, Екатеринбург, 1997; Всероссийской конференции «Стоматология-99», Екатеринбург, 1999; Второй региональной научно-практической конференции «Роль инноваций в экономике Уральского региона», Екатеринбург, 2000; Межобластной научно-практической конференции «Высокоэффективные технологии в медицине. Тизоль.» Екатеринбург, 2001; Международной конференции «Деградация биоматериалов», Сан—Фелиу, Испания, 2001; Ежегодном всемирном Конгрессе стоматологов (FDI), Куала-Лумпур, Малайзия, 2001, на выставке — конференции «Мир изобретений и открытий», Екатеринбург 2001, Научной конференции по неорганической химии, посвященной 100-летию академика В. И. Спицына. Москва, 2002 г.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы из 158 наименований и 18 приложений на 33 страницах. Диссертация изложена на 183 страницах, содержит 19 рисунков и 21 таблицу.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Выявлены зависимости физико-химических свойств гидроксиапатита от условий химического осаждения в гетерофазной системе СаО-РгО^-НД Установлено, что в условиях добавления раствора кислоты в реактор, содержащий фиксированный объем суспензии гидроксида кальция на состав и качество продукта влияют следующие параметры:

— концентрации исходных реагентов;

— ультразвуковая обработка суспензии гидроксида кальция;

— величина рН реакционной массы;

— скорос ть добавления фосфорной кислоты;

— гидродинамический режим перемешивания реакционной массы;

— время созревания суспензии гидроксиапатита.

Показано, что регулируемое понижение величины рН реакционной массы от 12,78 до 7,0±0,5 без возникновения локальных изменений рН, обеспечивает формирование гидроксиапатита, не содержащего примесей других фосфатов и исходных продуктов. Повышение концентрации суспензии гидроксида кальция от 20 до 50 масс.% увеличивает выход целевого высокочистого продукта, не ухудшая его качества, а увеличение концентрации Са (ОН)г свыше 50 масс.% значительно ухудшает гидродинамический режим перемешивания и приводит к загрязнению продукта примесями брушита.

Установлено, что при введении в реактор 6−9 масс.% фосфорной кислоты со скоростью (7,5−30)-106 м3/(м3-с) ее взаимодействие с гидроксидом кальция происходит, главным образом, в жидкой фазе. Удаление растворенного кальция в виде осадка компенсируется переходом ионов кальция из твердой фазы в жидкую. Таким образом, формирование осадка происходит в растворе с постоянными концентрациями ионов кальция и фосфат-ионов, достаточными для создания раствора, пересыщенного по гидроксиапатиту. При этом скорость перехода Са (ОН)г в жидкую фазу устанавливается в пределах от 0.3−10″ до 2,1−10″ 3 кг/(м3-с), а диффузия реагентов в твердой фазе не оказывает существенного влияния на процесс образования гидроксиапатита. Увеличение концентрации фосфорной кислоты свыше 9 масс%, также как увеличение скорости ее введения в реактор более 30Т0″ 6 м3/(м3-с), при фиксированных условиях перемешивания приводит к преобладанию механизма гетерофазного взаимодействия компонентов реакционной смеси с возникновением локальных зон с повышенной кислотностью и загрязнением продукта примесями непрореагировавшего гидроксида кальция и брушита. Гидродинамический режим перемешивания реакционной массы в пределах изменения критерия Рейнольдса.

Яе=3000−12 000 создает условия равномерного перемешивания реакционной массы и образования мелкодисперсного осадка гидроксиапатита без посторонних примесей. Завершение реакции образования гидроксиапатита и агрегация первичных частиц в рыхлые конгломераты растянуто во времени и происходит во время созревания осадка. Доказано, что во время созревания в течение 20−24 часов после введения стехиометрического количества фосфорной кислоты происходи! агрегация частиц образовавшегося осадка, сопровождающаяся изменением величины рН, что связано с продолжением реакции образования фазы гидроксиапатита и формированием связующих звеньев между частицами. При этом образуется рыхлая структура осадка, состоящего из первичных частиц размером около 50−10″ 9 м, с развитой системой пор и поверхностью до 120 м2/г.

Показано, что ультразвуковая обработка исходной суспензии гидроксида кальция частотой 9−15 кГц в течение 1 -2 часов увеличивает скорость созревания гидроксиапатита.

2. Исследования полученного материала методами химического, седиментационного, термогравиметрического и рентгенофазового анализа, электронной микроскопии, а также методами низкотемпературной адсорбции азота и ртутной порометрии показали, что в результате осаждения получен мелкодисперсный слабоокристаллизованный стехиометрический гидроксиапатит кальция, отвечающий валовой химической формуле Са5(Р04)з0Н-ЗН20, физико-химические характеристики которого зависят от условий последующей термообработки.

3. Проведено углубленное исследование фазового состава и структуры полученного гидроксиапатита при нагревании методами рентгенофазового и термогравиметрического анализа. Установлено, что по мере повышения температуры происходит поэтапная потеря хемосорбиро ванной воды и упорядочивание кристаллической решетки гидроксиапатита. Определены основные температурные интервалы этих процессов.

4. Впервые исследована зависимость величины удельной поверхности синтезированного гидроксиапатита от условий термообработки. Установлено, что при повышении температуры от 20 до 1100 °C его удельная поверхность уменьшается по экспоненциальному закону в соответствии с уравнением:

8Уд.= (1,9797±0,3539) — (0,1 788±-0,49)Т. Общий объем пор материала также уменьшается от 0,9-Ю" 3 до 0,4−10″ 3 м3/кг и становиться практически равным порозности.

5. На основании проведенных исследований определены основные факторы, влияющие на состав и свойства гидроксиапатита осажденного в гетерофазных условиях, выбраны технологические параметры синтеза и последующей термообработки материала, химический состав, морфология и структурно-пористые характеристики которого отвечают требованиям, сформулированным потребителями: концентрация исходной суспензии гидроксида кальция — 30−40 масс.%- концентрация исходного раствора фосфорной кислоты -6−9 масс.%- скорость подачи кислоты — не более 30−10″ 6 м^м^с) — время созревания осадка — 20−24 часаконечная величина рН суспензии 6,5−7,5- температура сушки суспензии 120±5 °С. Физико-химические свойства материала, синтезированного в этих условиях следующие: валовая химическая формула Саз (Р04)з0Н-2Н20- атомное отношение основных элементов Са/Р=1,67±0,03- крист аллическая структура материала — слабоокристаллизованныйл удельная поверхность материала 53−56 м /г- 3 общий объем пор (0,7−0,9) -10″ «м /кг.

5. Разработана технология гидроксиапатита кальция — стимулятора остеосинтеза, включающая всю необходимую технологическую документацию.

6. Создан новый имплантируемый материал на основе гидроксиапатита кальция и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы с улучшенными механическими свойствами и адгезией к костной ткани.

7. Проведена сертификация полученных медицинских материалов с новыми характеристиками и свойствами в аккредитованных институтах Минздрава РФ. По результатам санитарно-химических, токсикологических, технических и клинических испытаний получено разрешение Минздрава РФ на производство и применение в медицинской практике.

8. Клинические испытания материалов показали положительную динамику восстановления полноценной костной ткани при использовании их в качестве внутрикостных имплантантов при хирургическом лечении костных дефектов.

9. По разработанной технологии создано опытно-промышленное производство медицинских материалов для костной пластики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Использование природных и синтетических гидроксиапатитов в качестве внутрикостных имплантантов хорошо известно и применяется в клинической практике уже более 20 лет. Однако в клинических отчетах, как правило, описание имплантируемых гидроксиапатитов ограничивается названием фирмы или страны изготовления. Лишь в последние годы в медицинских публикациях стали появляться упоминания о морфологии имплантируемых материалов, содержащих гидроксиапатит кальция. Чаще всего эти работы посвящены использованию керамических материалов с искусственно созданной пористой структурой, которая формируется в результате выжигания термически неустойчивых добавок в процессе термообработки керамики. При обзоре достижений в этой области учеными-химиками МГУ им. М. В. Ломоносова в качестве перспектив развития этого направления указывается на развитие регенерационного подхода, направленного на быструю биодеградацию имплантанта и замену его костной тканью [158]. В последние годы клиницистами многих стран отмечалось, что использование гидроксиапатита с низкой степенью кристалличности в качестве имплантируемого материала дает улучшенные результаты по срокам и качеству восстановленной костной ткани. Поэтому назрела необходимость более подробного изучения физико-химических и структурно-пористых характеристик осажденного гидроксиапатита, применяемого для заполнения дефектов костной ткани.

Для этого нами были проведены исследования процесса синтеза высокочистого гидроксиапатита, обладающего развитой внутренней поверхностью. Изучение закономерностей процесса получения гидроксиапатита кальция при взаимодействии суспензии гидроксида кальция и раствора фосфорной кислоты показало, что основным условием получения такого осадка является регулируемое понижение величины рН от 13 до 7 при эффективном перемешивании (Яе=3000−12 000). Установлено, что для формирования мелкодисперсного осадка гидроксиапатита без посторонних примесей при взаимодействии суспензии Са (ОН)2 и раствора Н3РО4 необходимо, чтобы реакция происходила преимущественно в жидкой фазе. При добавлении раствора фосфорной кислоты в реактор, содержащий суспензию гидроксида кальция, скорость перехода гидроксида кальция в жидкую фазу устанавливается в пределах от 0,3−10″ до 2,1−10″ кг/(м3-с) за счет добавления 4−9 масс.% Н3РО4 со скоростью от 7,5−10″ 6 до 30−10″ 6 м3/(м3-с). При такой организации процесса скорость перехода кальция в жидкую фазу равна скорости его связывания в нерастворимый осадок и осаждение происходит при постоянных концентрациях ионов кальция и фосфат-ионов, достаточных для создания пересыщенного раствора. Таким образом, создаются благоприятные условия для массовой кристаллизации и формирования мелкодисперсных частиц гидроксиапатита. В процессе созревания суспензии в течение 20−24 часов при 20 °C на поверхности образовавшегося осадка происходят процессы, приводящие к агрегации частиц гидроксиапатита с образованием пористого осадка, которые сопровождаются изменением величины рН. Эти процессы, вероятно, связаны с завершением реакции образования фазы гидроксиапатита и формированием связующих звеньев между частицами. При этом образуется рыхлая структура осадка, состоящего из первичных частиц размером около.

О 7.

50−10″ м, с развитой системой пор и поверхностью до 120 м /г.

Покатано, что ультразвуковая обработка исходной суспензии гидроксида кальция увеличивает скорость созревания гидроксиапатита.

Изучен фазовый состав полученного материала и его структурные характеристики, а также их изменение в процессе температурной обработки. Установлено, что химический состав осажденного материала и размер первичных частиц осадка определяются условиями химической реакции между Са (ОН)2 и Н3РО4. Рост и формирование агрегатов первичных частиц зависят от условий старения суспензии, а термообработка синтезированного продукта приводит к поэтапному удалению воды и упорядочиванию кристаллической структуры гидроксиапатита, при этом уменьшается его удельная поверхность и общий объем пор.

На основании проведенных исследований были выбраны основные технологические параметры процесса получения высокочистого пористого гидроксиапатита кальция с развитой поверхностью, который мог бы обеспечить ускоренную ассимиляцию гидроксиапатита in vivo. Определены основные стадии технологического процесса, принципиальная схема производства и технологическое оборудование.

Синтезированный гидроксиапатит с фиксированными физико-химическими и структурными характеристиками использовался для создания имплантируемых материалов, которые использовались в клинической практике с пролонгированным наблюдением результатов лечения. Таким образом, конкретные структурные свойства имплантированного гидроксиапатита были связаны с результатами восстановления костной ткани человеческого организма. Статистическая обработка результатов лечения 324 пациентов страдающих хроническим генерализованным пародонтитом средней и тяжелой степени показала положительную динамику восстановления костной ткани и отсутствие воспалительных и аллергических реакций на созданные имплантируемые материалы.

На основании проведенных исследований и установленных физико-химических закономерностей разработана технология синтеза высокочистого пористого гидроксиапатита в условиях опьггно-промышленного производства. Разработана техническая документация на этот материал. Для улучшения свойств имплантируемого материала проведено совмещение гидроксиапатита с натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы. Это позволило придать новому имплантируемому материалу пластичность и повышенную адгезию к костной ткани. Кроме того, возможность увлажнения материала различными растворами антибиотиков, антисептиков и лекарственных растворов позволила подобрать лечебное средство индивидуально для каждого пациента. Пористая структура гидроксиапатита, входящего в состав материала «Грантпласт», задерживает выделение лекарства, обеспечивая пролонгированное медикаментозное воздействие в месте хирургического вмешательства. Это гораздо более эффективно по сравнению с пероральным или внутримышечным введением лекарства в послеоперационном периоде.

В процессе создания нового имплантируемого материала «Грантпласт» были проведены его санитарно-химические, токсикологические, технические и медицинские испытания в исследовательских институтах Минздрава РФ. Исследовались возможности совмещения материала с физиологическими жидкостями, растворами лекарственных веществ и других материалов, применяемых в медицинской практике. Подобраны условия стерилизации, упаковки, хранения и транспортировки, обеспечивающие сохранение свойств медицинского материала. На основании положительных результатов этих исследований получено разрешение Минздрава РФ на применение материала в клинической практике, материал «Грантпласт» зарегистрирован в Государственном реестре медицинских материалов. Также проведены токсикологические исследования гидроксиапатита кальция без карбоксиметилцеллюлозы. Результаты испытаний показали, что гидроксиапатит кальция, синтезированный по нашей методике, может применяться как в качестве внутрикостного имплантанта с улучшенными резорбционными характеристиками, так и в качестве сырья для изготовления новых медицинских материалов. Разработан полный пакет технической документации для производства гидроксиапатита кальция и материала «Грантпласт». Совместно с учеными УрГМА разработана и запатентована методика хирургического лечения костной атрофии альвеолярного отростка с использованием пористого гидроксиапатита и материаластимулятора остеосинтеза «Грантпласт». Разработана и утверждена в Минздраве РФ инструкция по применению материала в медицинской практике. В настоящее время эти материалы с успехом применяются в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

Ведутся апробации наших материалов в травматологии, ортопедии, пластической хирургии то есть практически во всех областях хирургической практики, которые имеют отношение к разрушению костной ткани.

Созданные медицинские материалы, способствующие ускоренной биодеградации имплантированного гидроксиапатита и замену его полноценной костной тканью, открывают перспективы развития биотехнологического восстановления костной ткани. Особенно актуальна такая постановка вопроса при комбинированном применении пористого гидроксиапатита и ортопедических методик, разработанных сотрудниками института Илизарова. Аппараты Йлизарова позволяют проводить внешнюю фиксацию кости, без введения конструкционных элементов in vivo, а имплантанты на основе «низкокристалличного» и пористого гидроксиапатита позволяют обеспечить организм необходимым материалом для построения собственной костной структуры без возникновения опасности иммунной несовместимости. В настоящее время «состояние рынка имплантантов может рассматриваться как ожидание массированного вторжения новых идей и материалов» [158]. Развитие этого направления приблизит решение проблемы сокращения реабилитационного периода не только для малых костных дефектов, но и быстрейшего восстановления опорно-двигательного аппарата в целом.

Хочу высказать искреннюю благодарность моему научному консультанту профессору Ткачеву К. В., а также сотрудникам ФГУП УНИХИМ и кафедр терапевтической и хирургической стоматологии УрГМА за сотрудничество, внимание, терпение и поддержку моей работы. Большое спасибо моим соавторам: Гольдштейн Е. В., Ронь Г. И., Мальчиковой Л. И., Журавлеву В. Н., Еловиковой Т. М., Емельяновой И. В., Харитоновой М. П. и Титову В. Н. за многолетнее и плодотворное сотрудничество. Глубоко признательна руководству ООО НПП «Эксорб-Чернобыль» за финансовую поддеряйсу сертификационных испытаний.