автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Разработка стеклокристаллических материалов для костного эндопротезирования

- ' 1 л • • .•>

2б1]ис^Шкю?государствениый технологический университет

На правах рукописи

УДК 666.266.6

ЗАЯЦ НАТАЛИЯ ИВАНОВНА

РАЗРАБОТКА СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОСТНОГО ЭНДОПРОТЕЗИРШЛШШ

Специальность 06.17.11 - Технология керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1997

Работа выпо:. ¡ена на кафедре технологии стекла и керамики Белорусского государственного технологического университета

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техник Республики Беларусь, доктор технических наук, профессор Бобкова Нинедь Мироновна

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Силич Лариса Михайловна

Официальные оппоненты - доктор химических наук,

профессор Яглов Валерий Николаевич

кандидат технических наук, Шишканова Людмила Георгиевна

Оппонирующая организация - Институт общей и неорганической химии-

АГ Республики Беларусь

^ НбрТсУ // ^ .

Зашита состоится "(1 " -фев-^ля 1997 г. в/т часов на ьоюе-дании Совета по ватте диссертаций Д.02.08.03 в Белорусском государственном технологическом университете по адресу: 220630. г.Минск, ул.Свердлова, 13-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЕГТУ.

Автореферат разослан "2-0* января 1997 г.

Учений секретарь Совета, кандидат технических наук —: Гайлевич С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Биоактивнее материалы благодаря своей уникальной способности срастаться с костной тканью и интенсифицировать остеогенез, находят все более широкое применение в медицине.

Они создали альтернативу традиционно используемым в костной хирургии и стоматологии сплавам металлов, пластмассам, корундовой керамике.

Первооткрывателем в области использования биостекол в медицине был американский ученый L.L.Hench, предложивший в 70-х годах составы стекол и стеклокерамики, которые он назвал биоактивными и которые обладали способностью прочно соединяться с костной тканью. С тех пор биоактивными стеклами и стеклокерамикой стали заниматься во всем мире, особенно активно в Японии, Германии* Америке. Занимаются этой проблемой и в бывших советских республиках - России, Прибалтике, Казахстане.

Однако достигнутые успехи в области синтеза и исследования биоактивных стекол, ситаллов и керамики не говорят об исчерпывающем решении проблемы. Следует признать, что пока еще не разработаны оптимальные составы имплзнтационных материалов, адекватные костной ткани. Кроме того, очень часто новые составы стекол и стеклокерамики рекомендуются для медищг'ского использования бее научения влияния их на живой организм, очень редко исследования бывают доведены до клинических испытаний. Остаются недостаточно изученными многие физико-химические и биохимические аспекты поведения этих материалов в физиолргических средах "in vitro" и в дивом организме "In vivo".

Для решения научной задачи - получения биосовместимой, биоактивной стеклокерамики, обладающей высокими фнзико-механически-ми и необходимыми биологическими свойствами, а также изучения поведения разработанного материала "In vitro" и " In vivo" требуется проведение комплексных физико-химических и медика-биологических исследований?

Внедрение биостегаюкерамики в клиническую практику позволит расширить возможности современной реконструктивной и восстановительной хирургии, сократить сроки реабилитации пациентов, снизить количество повторных операций.

В материалах, обладающих высокой биологической активностью и

биологической совместимостью с костной тканью нуждаются хирурги и стоматологи Республики Беларусь, так как подобных материалов нет в нашей республике, а импортируемые очени дороги.

Связь работы с научными темами. Тема диссертационной работы соответствует научному направлению кафедры технологии стекла и керамики Белорусского государственного технологического университета и выполнение ее предусматривалось планом следующей НИР : "Р^работать и организовать производство стеклокристаллических материалов для дентальных биоимплантатов", которая выполнялась в рпмках республиканской научно-технической программы "Стоматология и чедюстко-лицевая хирургия", утвержденной комиссией Совета Министров Республики Беларусь по вопросам научно-технического прогресса 8 Авраля 1992 года.

Исследовательская работа проводилась в тесном контакте с кафедрой челюстно-лицевой хирургии Минского медицинского института, где были проведены медико-биологические и клинические испытания полученного стеклокристаллического материала, а также с Белорусским научно-исследовательским санитарно-гигиеническим институтом (проведение санитарно-химических и токсикологических испытаний).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной рабо/ы является получение био^овместимой, биоактивной стеклокерамики на основе кальцийсодержащей сшшкофос-фатной системы для применения в костном эндопротезировании. Такая стеклокерамика должна обладать хорошими физико-механическими свойствами, биоактивностью и определенным уровнем растворимости в живом организме.

Поставленная цель решалась в работе благодаря постановке следующих задач:

- Выбор системы для исследования и концентрационных пределов сверкания оксидов;

- Изучение стеклообразования, кристаллизационной способности и процессов фяяообразования в выбранной области составов;

- Выявление структурных особенностей кадьцийсодержаадах сили-Срфосфатных стекол, влияющих на фазообразование;

- Синтез на основе кальцийсодержащих силикофосфатных стекол ситаллов, определение их фи?ико-механических свойств;

- Выбор оптимального состава стекла и нахождение температурных и временных параметров его сигаллизации;

- Проведение санитарно-гигиенических , медико-биологических

и клинических испытаний;

- Разработка технологии получения биоситамов для костного эндопротезирования.

Научная новизна. В ранее не исследованной низкокремнеземистой области алюмофосфорсодержащей системы КгО-СаО-АЬгОз-ЗЮг-РгОб-Р определены области стеклообравования и закономерности изменения структуры стекол в зависимости от химического состава. Установлена ведущая роль оксидов алюминия и кальция по влиянию на кристаллизационную способность стекол. Установлены области выделения биоактивных кристаллических фаз - фгоралатита и А-трикальцийфосфата.

На основе анализа результатов ИК-спектроскопических исследований впервые установлено, что А1?.0з в стеклах изучаемой системы связывается в первую очередь о фосфагкокислородными, а затем с ч кремнекислородными тетраэдрами. о

Установлены закономерности изменения физико-механических и химических свой тв ситаллов, полученных на основе стекол системы Н20-Сэ0-А120з-З102- РгОэ-Г.

° При изучении механизма ситаллизации стекла оптимального состава у тановлено, что кристаллизации предшесгзует ыегастабильная ликвация, создающая развитую поверхность раздела фаз и способствующая объемной кристаллизации.

. Выявлены особенности поведения Оиосигалла в различных модельных среди? и искусствеигой кровяной плазме, указывающие на миграцию катионов кальция и фосфора из биоснтадла, которая обеспечивает биоактивные свойства разработанного материала.

Практическая 'значимость. Разработан новый стеклокристаллический имплантационный материал Биоситалл-11, который обладает высокой биосовместимостью с кос гной ткайью и способностью интенсифицировать остеогенез. Биоситалл-11 прошел санитарно-химические, токсиколого-гигиенические, медико-биологические и клинические испытания, которые подтвердили его Свысокую биосовме гимость и биологическую активность.

Биоситалл-11 рекомендован для использования в виде гранулята для заполнения дефектов костной ткани, в частности,в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии для заполнения костных полостей во время операций удаления кист челюстей, а также для заполнения патологических десневых карманов во время операций по поводу парадонтоза с целью стимуляции остеогенеаа и образования зрелой кост-

ной ткани. Кроме того, ишшантационный материал может быть использован при дентальной имплантации для заполнения костных дефектов над "плечами" шг-ггинчатых имплантатов, а также с целью защиты поверхности раздела кость-имллантат от прорастания поверхностного эпителия вокруг шеек цилиндрических имплантатов и защиты кости от инфекции полости рта.

Кроме того, разработки технология получения дентальных имплантатов из Биоситаиа-11. Проведены медико-биологические испытания имплантатов на животных (Минский государственный медицинский институт) с положительными результатами.

Экономическая значимость. Внедрение разработанного ситаллового имплантационного материала обеспечит получение экономического эффекта за счет более низкой стоимости предлагаемого материала по сравнению с применяемыми импортными, а также Судет иметь еначительный социальный эффект.

В дешевых и качественных шаишнтащонных материалах заинтересованы хирурги и стоматологи многих стран, поэтому существует реальная возможность поставки продукции на экспорт.

На защиту выносится:

а

- Результаты исследований стекдообразования, кристаллизационной способности, пр..цесгов фааообразования в исследуемой области составов системы КгО-СаО-МгОэ-ЗЮг-РгОб-Р.

- Научная интерпретация данных изучения структурных особенностей стекол и роли оксидов в формировании структурных групп.

- Резул'таты изучения физико-механических и химических свойств ситаллов, синтезированных на основе низкокремнеземистой части кальцийфосфорносиликатной системы.

- Обоснование выбора оптимального состава стекла и разработанного температурного и временного режима его термической обра-бот^ с целью получения биоактивной,биосовместимой стеклокерамики. Научный анализ данных ло изучению механизма ситадлизации стекла оптимального состава.

- Результаты изучения поведения разработанного стеклокрип-таллического материала Биосигалл-11 в физиологических средах.

- Результаты санитарно-химических, токсиколого-гигиеничес-ких, медико-биологических и клинических испытаний разработанного ситалла.

- Разработка технологии получения гранулята из Биоситалла-11 и дентальных ситадловых имплантатов.

- б

(

Участие автора. Автором выполнен весь комплекс экспериментальных работ по синтезу, исследованию свойств и структуры стекол и ситаллов, обработке экспериментальных данных и объяснении полученных результатов. Вклад соавторов совместных публикаций выражался в общем научном руководстве, консультациях по некоторым медицинским вопросам и обсуждении результатов исследований.

Апробация результатов. Материалы диссер-тш"$и доложены и обсуждены на двух научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусского- государственного технологического университета (1992,1996 гг.), на Всероссийском Совещании "Наука и технология силикатных материалов в современных условиях рыночной экономики" (Москва, 1995 г.), на Республиканской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Минск, 1994 г.).

Опубликованносгь результатов. Основные положения диссертации опубликованы в соавторстве в 8 печатных работах: 4 - статьи в научных журналах, 3 - тезисы докладов, 1 -- авторское свидетельство. о

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики •работы, обзора литературы, методической .части, семи глав экспериментальной работы, основных выводов, списка литературных источников и приложения.

Объем диссертации - 157 листов машинописного текста. Диссертация содержит 39 рисунков , 8 таблиц и.10 Приложений. Список литературы включает 119 нименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель работы, показана ее научная и практическая ценность .

'Обзор литературы

о

Аналиа обзора литературы, относящейся к разработке и использованию новых имплаитационных материалов в медицине свидетельствует о том, что эта тема является актуальной и, несмотря на повышенную активность исследователей, до конца не решенной.

- б -

Количество операций, проводимых с использованием эндопроте-оов и имплантатов с каждым голом растет. И естесственно, растет интерес к новым высокоэффективным искусственным материалам, Которые бы обладали специфическими медико-техническими свойствами. Интерес к созданию новых имплаитациоьиых материалов связан с потребностью медицины, так как несмотря на высокую эффективность (механическая прочность, машинообрабогываемость, хорошие эстетические показатели), традиционные материалы обладают рядом недостатке в первую.очередь связанных с их воздействием на живые ткани организма.

Разработка имплантацлонных материалов для медицины включает в себя не только технологические вопросы, но и медицинские, связанные с возможными реакциями живого организма на имгыантат и по-| ведением имплантатов в организме. Поэтому в обзоре литературы дан сравнительный анализ применяемых в медицине имплантациояных материалов и приведены критерии их оценки.

В обзоре литературы приведены данные по составам биоактивных стекол и ситаллов, их свойствам, способам получения и области применения.

На основании анализа литературных данных, выбрана система для исследования, обоснованы цель-и задачи исследования..

Методы исследования

Синтез опытных стекол производился путем сплавления шихт, для составления которых использовались реактивы марки "ч" и "чда" и обогащенный кварцевый песок. Стекла синтезировались в газовой печи в корундиеовых тиглях емкостью 0,1 л и 0,3 л. Максимальная температура синтеза составляет 1550°С с выдержкой при данной температуре в течение дзух часов.

Плотность стекол и продуктов их термообработки определялась митодом гидростатического взвешивания; микротвердость стекол и ситаллов изме; члась на микротвердометре ПМГ-3; температурный коэффициент линейного расширения ("ГКЛР) измерялся дилатометрическим Методом (ГОСТ 10978-83); температура начала размягчения определялась методом погружения острия стертая в образец под нагрузкой 0,98 Н.

Химическая стойкость ситаллов определялась порошковым методом в соответствии с ГОСТ 10134-82; водопоглощение и открытая

пористость - по ГОСТ 2409-80 методами насыщения и гидростатического взвешивания.

Предел прочности стекол V ситаллов при изгибе и сжатии определялся с использованием разрывной машины Р-05 и разрывной машины фирмы 'ЧпзЬгот", модуль Юнга измерялся на разрывной машине "1г^гоп" при определении прочности на растяжение; определение прочности ситаллов к истиранию производилось на лабораторном круге истирания ЛЮ1-Б по методике, разработанной для испытания об-равцов ив керамических материалов.

Кристаллизационная способность опытных стекол определялась в градиентной электрической печи в интервале температур 600-1100оС в течение четырех часов.

Для приготовления вытяжек, с целью исследования миграции ио-ноз, образцы ситатаа стималыгаго состава помещали в стеклянные х емкости с притерто.«! пробкам!!. В качестве модельных сред исполь.о повали дистиллированную воду, 0,9 X КаС1 (солевая), 27. раствор двууглекислого латрия (содовая). Определение мигрирующих из био-■ситалла ионов производилось следующими методами: содержание ионов кальция - комплексонометрглеским титрованием; ионов фтора - методом п-тенцкометрии; ионов фосфора - колориметрическим определенней о иолибдатом агония; ионов ахшиния - методом спектрального анализа.

. Определение Р11 среда Биоситалла -и проводили с использованием иономеъра ЗВ-74 со сулшшкнми электродами 8СЛ-43-07.

В работе применялись слвдуксзэ методы изучения структуры стекол и ситаллов: ПК-спектроскопия (5ресоп1-Л?-7Б); дифференциально-термический анализ (Раи11к-Ргш11к-Егйе1); электронномикрос-копический анализ (8М-14, РЭ.М00У); реитгенофавовый анализ (ДРОН-З). с

" Рентгеноэлектронная спектроскопия поверхности образцов, вы-дерх-миах в искусственной кровяной плазме, проводилась на рентге-носпектрометре ЭС-2401.

Размер гра /л стеклопорозка определялся на приборе "(Згапи1оопе1ге 71Б Е 664".

Исследование стеклообразования и кристаллизационных свойств стекол в системе КгО-СаО-А12О3-Э1Ог-Р2О5-Р

Учитывая сделанные на основе анализа литературных данных вы-

воды и в соответствии с целью работы в настоящем исследовании в качестве объекта выбрана система КгО- СаО-А^Оз-БЮг-РгОб-Г. Установление областей стеКлообрааования проводили в следующем сечении: х 5102' у СаО • г А1г0з • 5 КгО • 20 РгОэ • где: х изменялся от 20 до 50; у - от 15 до 45 ; 2 - от 10 до 40 мае. X. Установлено, что во всей области составов при охлаждении возможно получение стекол. В зависимости от химического состава были получены стекла однофазные прозрачные и глуиеные лидирующие.

Ечло установлено, что основным фактором, определяющим степень заглушённое "'и стекол является количество А1г0з и соотношение СаО/РгОб. Степень заглушенности стекол возрастает с увеличением соотношения СаО/РгОъ и снижением содержания А1г0з в исследуемых стеклах. Наблюдаемое фазовое разделение обусловлено геометричес-• кой и энергетической несовместимостью фосфор- и кремнекислородных группировок. А1гОз подавляет стремление стекол, содержащих Р2О5, к расслоению, так как одновременное встраивание в сетку стекла катионов 0Р5+ и А13+ создает условия компенсации зарядов с возможностью создания устойчивых группировок.

Исследование стекол с помощью ИК-спектроскопии позволило установить некоторые особенности их структуры.

Положение основных полос поглощения с максимумом 1040 см-1 в спектрах исследуемых стекол указывает ьа то, что структура стекол состоит из полимеризованных групп из тетраэдров 131043, промежуточных по своему строению между ди- и метасиликатными типами. В их построении, участвуют и Тетраэдры [АЮ4], так как при столь высоком содержании СаО (15-35 мас.Х) весь алюминий будет находиться только в четырехкоординированном состоянии (характерная полоса с максимумом 720 см-1 ).

Полоса с максимумом 1090 см-1 относится к фосфатнокислород-нмм тетраэдрам, но без двойнм. связи Р=0 (последняя дает полосу см-1 , которая в опытнь'г, стеклах не П£ осматривается), что связано, по-видимому, с низким содержанием Р2О5 в пяытных стеклах.

Изменение особенностей ИК-спекгров с ростом содержания А1г0з 8 исследуемых стеклах указывает на то, что вначале А1г0з связывается только с фосфатными группировками, а затем начинается встраивание этих группировок в кремчекислородную сетку.

Увеличение содержания А1г0з приводит к повышению степени связности кремнефосфоркислородного каркаса, что затрудняет

процесс диффузионного перемещения атомов и дальнейшее структурное упорядочение , приводящее к образовании зародышей кристаллической фазы. Поэтому наибольшей кристаллизационной способностью, по данным градиентной кристаллизации и ДТА, обладают стекла с небольшим количеством А1г0з (10-20 мае.X), повышенным содержанием БЮг (более 30 мас.Х) и СаО (39-40 мас.Х). Установлено, что с увеличением содержания А1г0з в стеклах повышается энергия активации процесса кристаллизации кальцийфосфатов (апатита СабР(Р04)з и ^-трикальцийфосфата оС-Саз(Р04)2).

Учитывая большое влияние А1г0з на кристаллизационную способность стекол было установлено, что оптимальным с точки зрения синтеза ситаялов следует считать количество А1г0з, равное 10-16 мас.Х. На основе этих составов возможно получение стеклокристал-лических материалов с высокой степенью кристаллизации при темпе. ратуре термообработки 1000-1050°С к мелкодисперсной кристаллической структурой.

Исследование процессов фазообразования и ситаллообразования стекол. Выбор оптимального состава

Изучаег<(ые стекла отличаются значительной склонностью к кристаллизации при термообработке.

При изучении процесса фавообразовиния в исследуемой части системы установлены облгетг формирования следукщих кристаллических фаз - фторзлатита, Л-трикальцийфосфата, анортита, муллита и кристобалита. При получении биоситаллов необходимо, чтобы кристаллическими фазсыи были каньцийфосфаты, которые близки по фазовому и хшическоиу составу минеральной части натуральной кости на 70 X состоящей яз гвдроксиалатита. По мнения шюгих авторов, на-дкчйе в поверхностном сло4 злецентов, сходных по химическому и фазо! ;му составу минеральной части естественной кости приводит к протеканию на поверхности бкоматериала сложных биохимических про-оцессов, в когор-'х участвуют и клетки коллагена, обеспечивающие остеогенез в переходной зоне и срастание имплантата с костью. Кристаллы трехкадьциевого фосфата могут входить в состав кристаллических фаз в количестве до 20 X. В водных растворах они нестабильны и, растворяясь, способствуют образованию костной ткани. Поэтому, большой интерес представляет область составов, где кристаллизуются фторалатит и ¿С-трикальцийфосфат. Было установлено,

что формирование фторапатита происходит во всей области составов, трикальцийфосфат выделяется в области составов с повышенным содержанием СаО (25-45 мааХ). В стеклах с высоким содержанием AI2O3 (20-40 мас.Х) в качестве одной иь основных фаз выделяется при термообработке анортит.

С цель» выбора оптимального состава ситалла, наряду с изучением технологических и кристаллизационных свойств стекол, были исследованы физико-механические и химические свойства подученных на их тснове ситаллов ( шкт.ость, прочность на сжатие, сопротивление к истиранию, химическая устойчивость к щелачам и кислотам).

Для описания зависимостей свойств от химического состава быд применен метод симплексных решеток Шеффе, позволяющий значительно сократить число экспериментов.

> Исследования физико-механических и химических свойств ситаллов, лолученлых из стекол системы К20-Са0-А1г0э -S102-P205-F показали. что их значение вависиг от степени закристаллизованности материаля, размеров кристаллов и их морфологии, свойств остаточной стекловидной фаз и т.д. Но определяющим фшстором является природа выделяющихся кристаллических фаз, которые и обуславливают 'свойства ситаллов.

На основании анализа технологических свойств синтезированных стекол, физико-ыеханических л химических свойств полученных на их основе ситаллов, результатов градиентной кристаллизации, ДТА и РФА был выбран оптимальный состав ситалла ( N11 ). преимущества которого перед остальными закл/.чаются в удовлетворительных технологических, повышенных механических и физико-химических свойствах. Названный состав ле&ит в поле кристаллизации фторапатита и I-1рикальцийфосфата - кристаллических фаз близких по составу минеральной части натуральной кости, что доллно обеспечить сигал-лу необходимые биологические свойства.

Исследование механизма ситаллизации стекла оптимального состава

Методами РФА, ИКС, ЗЫ изучен механизм процесса ситаллизации стекла оптимального состава. Было установлено, что кристаллизации предшествует капельная ликвация. Ликвация создает развитую поверхность раздела фаз и закристаллизованные стекла имеют мелкокристаллическую структуру.

КК-спектроскояичесгаш исследования исходных и закристаллизованных стекол показывают отсутствие резких изменений в их спектрах, свидетельствуют»« о том, что построение стеклокристалдичес-кой структуры происходит бев коренной перестройки структуры стекла и в исходном стекле содержатся структурные группировки, которые характерны для основных кристаллических фаз. Поэтому стекло оптимального состава обладает высокой кристаллизационной способностью и легко кристаллизуется по всему с ьему.

Изучением зависимости физико-механических свойств от температуры и времени термообработки был подобран оптимальный режим двухстадийной ситаллизации, в результате которой из стекла N11 получен ситалл (Биоситалл-11), свойства котстого приведены в таблице.

Таблица

Свойства стеклокристаллнческпго материала Биоситадд-11

1 Наименование свойств | Единица измерения Значения |

1 , 2 3 1

Температура варки стекла | С 1550 |

Температура первичной ) °С 7Б0 |

термообработки |

Температура вторичной | °С 1000 |

термообработки 1

Температура начала раз- | °С 760 |

мягчения |

Коэффициент термического | 10"7 гр-1 78 |

расширения (20-300°С) |

Плотность | кг/м3 2700 |

Микротвердость | МПа 7900 |

Прочность на изгиб | МПа 125 |

Прочность на сжатие | МПа 430 |

Модуль Юнга • | ГПа 84 |

Химическл; устойчивость |

(потери массы): | X

к 1 N N304 | 3,6 |

к 1 N НС1 | 12.0 |

Сопротивление к истиранию| 10"г г/си2 2.4 |

Биоситалл-11 имеет мелкокристаллическую структуру - средний размер зерен кристаллической фазы составляет 0,3-0,5 мкы, максимальный размер - 1 мкм, гчепень вакристаллизованности - 632. Вио-ситадл-11 сочетает в себе оптимальное соотношение двух кристаллических фаз - фторапатита и «С-трикальцийфосфата.

Изучение поведения Виоситалда-11 в модельных средах

Устойчивость материала к действию различных химических реагентов является одной на важнейших его характеристик, определяющих способность материала к проявлению биоактивных свойств.

Необходимая для обеспечения биологической активности диффу-аия ионов из материала вызывает изменение кислотности (РН) среды вблизи иышшктата.

По данным немецкого ученого Бауэра (Bauer), материал имплан-тата, внесенный в живой организм на длительное время, сдвигает РН среды, при этом не оказывая влияния на кровь, так как она обладает хорошей амортизационной способностью.

Измеренное вкачание PH-среды ситадла, проведенное по методике, описанной Бауэром, оказалось равным 8,9. По данным Бауэра значение РН ".реды известных биоактивных материалов гкдрогесиапати-та и трикальцийфосфата, измеренные по аналогичной методике, составляли от 8,5 до 11,1 . Биосигалл-11 реагирует как основание и, по данным Ваузра, такой материал должен обладать биоактивными свойствами.

Исследования миграции компонентов из биоситадла в различные модель шз среды (солевая, содовая, водная) позволило установить, что идет процесс выщелачивания ионов кальция и фосфора. С миграцией кальция и фосфора связано образование гидроксиапатитового слоя, на поверхности биоыатериалов, появление которого является начальные эталон осгеогенева и обеспечивает их биоактивность в живом органишэ.

Кинетика выщелачивания указиет на то, что процесс миграции вначале резко повышается ватеи после 60 суток выдержки или незначительно возрастает или практически остается постоянным.

Результаты изучения миграции компонентов в вытяжках из Био-ситалла-11 в химические модельные среды подтверждаются результатами рентгеноэлектронной спектроскопии поверхности образцов, выдержанных в искусственной кровяной олазне ( рис.). Это выражается

<97-

ifi?.

67 7f 75 79 IS 32 36 100 tOI fOi Í22 Í26 130 /J* № Ui 3*S 319 3« 3¿

St 2p S¡ zp Ргр Со 2p

Рис. Рентгеноэлектроннке спектры поверхности Биоситадла-11, выдержанного в искусственной кровяной плазме: а,б и в -соотвегственни 2, 11 и 22 cyvoK 0 прежде всего, в данных по миграции кальция, фосфора и накоплении кремния в поверхностном слое. Накопление кремния $ поверхностном слое, а также затухание процесса миграции ионов указывает на образование защитного кремнеземистого слоя на поверхности биоситал-ла, который приводит к замедлению процесса растворения. Рто дает основание отнести полученный ситалл к группе биоактивных материалов с поверхностно-контролируемой растворимость».

Проведенные санитарно-химические й токеиколого-гигиеничес-кие исследования ситалла показали, что он не оказывает вредного воздействия на живой организм и отвечает требованиям, предъявляемым к материалам для костного эндопротезирования.

Были проведены медико-биологические исследования Биоситал-ла-11 "ln vivo" , указывающие на высокую биосовместимость разработанного ситалла и. на его способность проявлять биоактивные свойств?; и стимулировать остеогенез.

Проведенные в течение '.,5 дет клинкческле испытания Киосита-ла-11 в медицинских учреждений Республики Беларусь прошли с положительными результатами и подтвердили способность материала стимулировать остеогенез, не оказывать вредных воздействий и не отторгаться организмом.

PaspaOortca технологии получения биоситаллов для костного эвдопротевирования

Биооиталл-11 разрабатывался с целью использования его в медицине в качестве материада для костного эндопротеэирования, в частности в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. В этих областях медицины он может Сыть применен в виде сигаллового грану-лята и в виде дентальных ситалловых имплантатов. Ситалловый гра-нулят пропел клинические испытания при которых использовался в гранулированном виде с размером гранул 300-1000 мкм (ТУ РБ 02071837) для заполнения костных полостей в стоматологии и челюстно- лицевой хирургии.

Разработана технология изготовления из "Биоситалла-П" дентальных цилиндрических и конических имплантатов методом термопластической технологии.

По результатам медицинских исследований ишиантациош.ай материал Биоситалл-11 рекомендован Комитетом по новой медицинской технике Минздрава Республики Беларусь для широкого клинического использования. На базе Белорусского технологического университета организован участок для серийного изготовления гранулята из Био-ситалла-11.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И БШВДЫ.

1. Изучены стеклооораэуккдие и кристаллизационные свойства стекол в i ¿бранной для получения биоситаллов области системы KfcO-CaO- AI2O3-SIO2- P2O5-F. Определены концентрационные пределы существования однофазных и лидирующих стекол. Установлено, что ликвирувщие стекла обладают болыпай склонностью к мелкодисперсной кристаллизации, температура начала- которой зависит от содержания Algfls в исходных стеклах и от соотношения CaO/PgOg. Показано, что с увеличением содержания А1г0э в стеклах, их кристаллизационная способность снижается.

Учитывая большое влияние А1г0э на кристаллизационную способность стеком сделан вывод, что оптимальным с точки зрения синтеза биоситаллов следует считать количество AlgOa равное 10-15 мас.Х.

2. На основании анализа ИК-спектроскопических исследований было установлено,что изучаемые многокальциевые алюмофосфатносили-катные стекла имеют достаточно высокополимеризованную структурную сетку из тетраэдров (SIO4), СРО4] и САЮ4]. Доказано, что алюми-

ний, при столь высоком содержании модификаторов, находится только в четырехкоординированном состоянии. Показано, что А1г0э в ст.л-лах изучаемой системы свяаываегся в первую очередь с фосфатнокис-лороднымй, а затем с кремнекислородкнми тетраэдрами.

3. При изучении процесса фазообразования в исследуемой части системы установлены области формирования следующих кристаллических фаз - фторапатита, Л/-трикальцийфосфата, анортита, муллита и кристобалита. Показано, что формирование кальцийфосфатов при постоянном содержании в стеклах Р2О5 происходит в области составов с высоким содержанием СаО и пониженным содержанием А1г0э..

4. Исследованы физико-химические н механические свойства ситаллов, полученных на основе спекал выбранной системы, в зависимости от химического состава. Установлено, что определяющим фактором, оказываювдш существенное влияние на ряд свойств ситаллов, является природа выделяющихся кристаллических фаз V их количественное соотношение.

5. На основании проведенных исследований выбран оптимальный состав ситачла (Биоситалл-11) преимущества которого перед остальными заключается в хороших технологических, высоких кристаллизационных, физико-химических и механических свойствах. Названный состав лежит в поле кристаллизации - трикальцийфосфата и фторапатита, которые обеспечивают материалу необходимые биологические свойства. Это дает основание рекомендовать указанный состав для использования в медицине в качестве биосовместимого материала.

6. Методами РФА. ИКС, ЭМ изучен механизм процесса ситаллизации стекла оптимального состава. Установлено, что кристаллизации предшествует ликвация, которая создает развитую поверхность раздела фаз и способствует образованию мелкокристаллической структуры ситалла.

Построение стеклокристаллической структуры происходит без коренной перестройки структуры исходного стекла, в котором содержатся структурные группировки, характерные для основных кристаллических фаз.

С помощью просвечивающей и растровой Ш определены размеры зерен кристаллической фазы, лежащие в пределах 0,1-1 мкм , доля кристаллической фазы в ситалле составляет 63 X.

7. Изучено поведение Еиоситалла-И в различных модельных средах и искусственной кровяной плазме, представляющее интерес при разработке биоактивных материалов. Установлено, что из биоси-

галла вдет миграция кальция, фосфора, необходимая для проявления биоактивных свойств материала. При этом в процессе миграции на поверхности биоситалла .Образуется кремнеземистый слой, приводящий к замедлению процесса выщелачивания. Это дает основание отнести подученный ситалл по уровню биоактивности к группе биоактивных материалов с поверхностно-контролиг'/емой растворимостью.

8. В результате проведения санитарно-химических, токсикодо-го-гигиенических исследований разработанного Биоситалла-11 установлено, что материал не оказывает вредного воздействия на живой организм и отвечает требованиям, предъявляемым к материалам для эндопротезирования. Проведенные "In vivo" медико-биологические испытания подтвердили биосовместимость разработанного ситалла с тканями организма и его способность интенсифицировать остеогенез'. * 9. Биоситалл-11 может быть применен в стоматологии и челюст-'но-лицевой хирургии в виде сигаллового грануляга и в виде дентальных ситалловых имплантатов. На изготовление сигаллового гра-нулята разработаны технические условия (ТУ РЕ 02071837-001-95).

Грануляг Биоситалла-11 размером 360-1000 мкм может быть использован для заполнения дефектов костной ткани, в частности, в чедюстно-лицевой хирургии для заполнения костных полостей во время операций удаления кист челюстей и для лечения парадонтоза, в стоматологии - для заполнения костпых дефектов при проведении операций по имплантации.

Разработана технология получения дентальных имплантатов из Биоситалла-11 методом термопластического литья.

10. Проведены клинические испытания сигаллового гранулята на базе отделений чедюстно-лицевой хирургии больниц гг. Минска, Могилева, Бреста. Испытания дали положительные результаты, в связи с чем разработанный материал рекомендован Комитетом по новой ме-ди?данской технике Минздрава Республики Беларусь для широкого кли-н.&Ьского использования в медицинских учрежд .шях Республики.

ЛШСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. N.Bobkova, M.Glasova, N.Zajats, M.Borovik, A.Markina. Glass-ceramics for stomatology and composition material on its base // Proceeding's XVII International congress on glass , Beijing. - 1995. - Vol. 5. - P.420.

2. Бобкова U.M., Гласова М.П., Заяц H.И. Стеклокерамика для

стоматологии и челюстно-лицевой хирургии : Тез. докл. Всероссийского Совет. "Наука и технология силикатных материалов в современных условиях рыночной экономики". - М, 1995. - С.193.

3. Вобкова U.M., Заяц Н.И., Гласова М.П. и др. Композиционный материал "ситалл-полиамид" для стоматологии : Тез. докл. респ. научн.-техн. конфер. "Новые материалы и технологии". -Минск, 1994. - С. 56.

4. Бобкова Н.М., Заяц Н.И., Гласова М.П. ИК-спектры кальциевых фосфатносиликатных стекол как основы биоимплантатов // Журнал прикладной спектроскопии. - 1994. - Т.64, N 3-4. - С.269-270.

Б. Силич Л.М., Ситнов A.A., Шпартов A.A., Заяц Н.И. Исследование структуры стеклокристаллического материала методами электронной микроскопии // Весц1 АН Ееларус1. Сер. х1м1чных навук. -1992. - N 1. - С. 115-118.

6. Силич Л.М., Заяц Н.И. и др. Ситаллы- биоимплантаты // Стекло и керамика. - 1992. - N 4. - С.26-28.

7. Силич Л М., Гайлевич С.А., Заяц Н.И. Фосфатные стекла для биоимплантатов /1 Тез. докл. Всес. семин. "Фосфатные материалы". Апсггиты. - 1990. - 4.1. - С. 75.

Р. А. с. 1719332 СССР. Стекло для стеклокристаллического материала / Силич Л.М., Заяц Н.И., Гайлевич С.А (СССР). - 4828892; Заявлено 28.05.1990; Опубл. 15.10.1991. - 3 с.

9. Н.М.Бабкова., М.П.Гласава., 3&..Ц H.J., Зубау Ю.Н. Б1яс1к-пл. Зтявка на патен~ N 1106 ; Заявлено 29.12.1993.

PESO,С

Заяц Наталия Ивановна. Разработка стеклокристаллических ма-. териалов для костного эндопротеэирования.

• БИОАКТИВНОСТЬ, ШОССВМЬСТИМОСТЬ, ИМПЛАНТАТ, ЭНДОПРОТЕЗИРОВА-НИЕ, ЯЕКЛО, БИОСИТАЛЛ, СТЕКЛООБРАЗООАНИЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ФАЗА, ЛИКВАЦИЯ, КЛИНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ.

Объектом исследования является кальцийсодержащая силикофос-фатная система.

Цель диссертационной работы - получение в этой системе биосовместимых, биоактивных стеклокристаллических материалов, пригодных для использования в костном зндопротезировании.

В работе использовались современные методы исследования и следующая аппаратура: рентгеноспектрометр ЕС-2401, дифрактометр

ДРОН-З, просвечивающий и растровый микроскопы (а»-14, РБМ-100У), дериватограф системы Ф.Паулнк, П.Паулик и Л.Зрдеи, ИК-спектрометр "БресогФ 1Я-7б" и др.

Проведены систематические исследования по изучению стеклооб-разования, кристаллизационных свойств и структурных особенностей стекол низкокремнеземистой части системы КгО-СаО-А^Оз-БЮг-РгОб-Г с целью подучегия Оиоситаллов. Установлена последовательность формирования структурных комплексов в алюмофосфатноси-ликатных стеклах. Изучен механизм ситаллизации оптимального состава. Выявлены особенности поведения биоситалла в модельных средах и искусственной кровяной плазме.

Разработан новый сте.члокристаллический имплантационный материал Биоситалл-11, который обладает высокой бнесовместимостью с костной тканью и способностью интенсифицировать остеогенез. Бш-ситалл-11 прошел санитарно-химические, токсиколого-гигиенические, медико-биологические и клинические испытания, которые подтвердили его высокую биосовыестсыость и биологическую активность.

Разработанный Биоситалл-11 рекомендован Минздравом Республики Беларусь для использования в виде гранулята при замещении дефектов костной ткани в стоматологии и челюстни-лицевой хирургии. Он также рекомендуется для изготовления дентальных икплантатов.

РЭЗШЭ

Ьаяц Натаяли 1вана?на. Распрада^ка шклокрыштал1чных матзрыя-лау для коснага эндапратзвавання.

Б1ЯАКТЫ?НАСЦЬ, В1ШУЫШЧАЛЬНАСЦЬ, 1МПЛАНТАТ. ЭНДАПРАТЗВАВАН-НЕ, ШКЛО, В1ЯС1ТАЛ, ШКЛОУТВАРЭННЕ, КРШГГАЛ13АЦЫЯ, КРШТАЛ1ЧНАЯ ФАЗА, СТРУКТУРА. Л1КВАЦЫЯ, КЛШ1ЧНШ-ВЙПРАБАВАНН1.

Аб'ектаы даследвання е'я^ляецца кальцыйутрымл1ваючая с1л1ка-фасфатна.. с1стэма.

Мэта дысертацыйнай працы - атрьшанне У гэтай с1стэме б1ясу-мяочальных, б1яактыуных иклокрыштал1чных матэрыялау, як1я прыгод-ныя для выкарыстання У косным зндалрагэзаванн1.

У прада выкарыстоувал1ся сучасныя метады даследвання 1 иас-тупнае абсталяванне: рзнтгенаспектрометр ЕС-2401, дьфрактометр ДРОН-З, прасвечваючы 1 растравы м!краскопы (ЭМ-14, РЭМ -100У), дэрыватограф с1стзмы Ф.Паул1к, П.Паул1к 1 Л.Эрдэ!, 1К-спектрометр

"Specord-IR-75" 1 1на.

Праведаены с1стэматычныя даследваин1 па вывучэнню шКлоутва-рэнпя, крыштал1зацыйных уласц1васця? 1 структурных асабл1васця? шкла н1зкакрэмнязем1стай часгк1 с!стэиы КгО-CaO-А12O3-SI0г~ Р2О5-F в мэтай атрыыання 01яс1талау. Установлена паслядоунасць фарм1ра-вання структурных комплекса? у алпмафосфарнас1л1катным пгкле. Выявлены механ1зм с^тал1аацы1 аптымахьнага гастава. Выяулены асаО-я1васц1 паводэ1н 01яс1тала у мадэльных асяроддзях 1 штучнай кра-вяно^ плазме.

Распрацаваны новы тиокрыштал1чны 1иплантацыйнн матэрыял Б1-вс1тал-11, як! валодае высокай б1ясумяичальн=^сцю а коснай тканкай I вдольнасцо 1нтэнс1ф1каваць астзагенез. Б1яс1тал прайшоу сан1-гарна-х1м1чньм, такс1калага-г1г1ян1чныя, ыедыка-01ялагычныя 1 -сл1н!чныя выпрабаванн1. як1я падцвердз1л1 яго высоку» б!ясумяп-зальнасць 1 б1ялаг'чную акты^насць.

Распрацаваны Б1яс1тал-11 рэкамендаваны М1н1стэрствам аховы здароуя Рзспубл1к1 Беларусь для выкарыстання у выглядве гранулята тры замяшчэнн1 дефекта? коснай тканк1 у сгаматалогИ 1 ск!в!ч-m-тварнай xlpyprli. Ен таксама рэкамендуецца для вырайу дзнтадь-тах 1мплантатау.

SUMMARY

Natallya Ivanovna Zayatz. The Development of glass-ceramics Tor the Endoprosthesis of Bones.

BIOACTIVITY, BIOCOMPATIBILITY, IMPLANT, ENDOPROSTHESIS, 3LASS, ВIOOLASS-CERAMICS, GLASS FOFMATJON, DEVITRIFICATION, CRYSTALLIZATION PHASE, STRUCTURE, SEGREGATION, CLINICAL TESTS.

The present paper deals with the Investigation aimed at the Dreparatloi.' of biocompatible bioactlve glass-ceramics useful for хзпе endoprosthesis, calclrni-phosphorus-slllcate glass systems laving been studied. Most advanced methods and up-to-date squipmend have been applied, X-ray spectrometer "EC-2401", IR-spectrometer "Specord-1R-75", derlvatograf (PaulIk-Paullk-:rdel), dl£ractometer (DRON-Я) etc.

To prepare the bioglass-ceramics mentioned the process of jlass formation as well as devltification and structural :haracterlstics of the K20-Ca0-Al203-S102-P20s-F system have been Investigated, viz. Its region lovi In silica. The sequence of 'ormation of structural complexes in the aluminium-phosphorus-

silicate glass system has been found out. Tht mechanism of devitrification of the optimum composition (Blosltali-11) has been studied. The behaviour of the Biositall-11 has been analysed In experimental media a^ well as in artificial blood plasma.

Biositall-11, new glass-ceramic material, has been developed Its properties being high biocotnpatlblllty with hard tissues and the ability of Intensifying osteoge . Biositall-11 has been clinically tested and has shown good chemical, toxlco-hyglenical and medico-biological characteristics.

The Biositall-lt concerned has been recotmended by the Ministry of Health for the application In stomatology and maxillofacial surgery when there is a necessity to compensate for the defects of hard .tissues as well as for dental implants.