Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БИОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНОГО КОМПОНЕНТА КОСТНОЙ ТКАНИ

Писарева Е.В. 1 Власов М.Ю. 2 Волова Л.Т. 2
1 ФГБОУ ВПО Самарский государственный университет
2 ГБОУ ВПО Самарский государственный медицинский университет, Институт экспериментальной медицины и биотехнологий
Статья посвящена исследованию физико-химического состава минерального компонента костной ткани различных видов животных. Биогенный гидроксиапатит получали по оригинальной методике путем деминерализации костной ткани с последующим осаждением минерального компонента. С помощью комплекса методов электронной микроскопии и атомно-адсорбционного анализа исследовали образцы гидроксиапатита различных видов диких и домашних видов животных, а также человека. Установлено, что в образцах гидроксиапатита кости содержатся микроэлементы, а массовое соотношение кальция и фосфора соответствует их соотношению в нативной костной ткани. Представлены изображения микроструктуры поверхности гидроксиапатита, полученного из костной ткани некоторых животных, и данные энергодисперсионного анализа, отражающие состав образцов.
биоимплантат.
микроэлементы
гидроксиапатит
костная ткань
1. Вишневская Т.М., Ляшевская Т.Н. Определение содержания кальция в сыворотке крови с помощью мурексид-глицеринового реактива // Лаб. дело. — 1976. — № 7. — С. 444.
2. Колб В.Г., Камышников В.С. Справочник по клинической химии. — Минск : Беларусь, 1982. — С. 121—125.
3. Павлова Т.В., Мезенцев Ю.А., Павлова Л.А., Кривецкий В.В., Павлов И.А., Паначев С.В. Морфофункциональное состояние костной ткани при введении коллагеново-гидроксиапатитных нанокомпозитов // Научные ведомости Белгородского государственного университета. — 2009. - № 4 (59). — С. 28—33.
4. Писарева Е.В., Волова Л.Т., Власов М.Ю., Соколовская А.Б. Нанобиоматериал на основе минерального компонента костной ткани // Известия Самарского научного центра РАН. — 2011. — Т. 13. - № 4 (4). — С. 1203-1207.
5. Патент РФ № 2000103451/14, 20.06.01.
6. Патент РФ № 2008124263/14, 20.11.09.
7. Цогоев В.К. Обоснование использования биорезорбируемых средств при непосредственной и ранней отсроченной дентальной имплантации : автореф. дис. ... канд. мед. наук. — М., 2007. — 26 с.
8. Lee S.W., Kim S.G., Balazsi C., Chae W.S., Lee H.O. Comparative study of hydroxyapatite from eggshells and synthetic hydroxyapatite for bone regeneration // Oral surgery, oral medicine, oral pathology and oral radiology. — 2012. - T. 113. - № 3. — P. 348-355.
Создание новых костно-пластических материалов является актуальным направлением в стоматологии, травматологии и ортопедии. Однако изучению состава и свойств таких материалов уделяется недостаточное внимание. Применение аллогенных биоактивных кальций-фосфатных материалов (гидроксиапатит, трикальцийфосфат), влияющих на минеральный обмен и обладающих остеоиндуктивностью, имеет преимущества перед искусственными. По сравнению с другими биоматериалами, эти материалы по своему составу идентичны костной ткани млекопитающих и индуцируют биологические реакции, схожие с таковыми при ремоделировании кости. На данный момент в литературе доступен обширный экспериментальный и клинический материал, свидетельствующий об успешном применении как композитных биоматериалов, так и кальций-фосфатной керамики в чистом виде при лечении пациентов [7]. В то же время недостаточное внимание уделяется возможности использования натуральных минеральных компонентов костной ткани, которые зачастую образуются как отходы при получении деминерализованного костного матрикса.

Одним из важных свойств биоматериалов, определяющих их биосовместимость и способность воздействовать на остеогенный потенциал костных клеток, является соотношение кальция и фосфора. По имеющимся литературным данным,  стехиометрическое соотношение указанных элементов в гидроксиапатите составляет 1,37, весовое – до 2,15. В  аморфном фосфате эти показатели соответственно равны 1,5 и 1,94.

В зависимости от способа получения синтетических и натуральных кальций-фосфатных материалов это соотношение может меняться. В доступной литературе представлены результаты исследований по получению и изучению свойств гидроксиапатита различного происхождения [3; 8]. В связи с противоречивостью данных разных авторов важно исследовать соотношение кальция и фосфора как основной критерий биодоступности и биосовместимости имплантационных кальций-фосфатных материалов.

Цель исследования – анализ состава гидроксиапатита, полученного путем деминерализации костной ткани животных и человека, с применением сканирующей электронной микроскопии.

Материалы и методы исследования

Аллогенный гидроксиапатит из костной ткани человека получали по оригинальной методике, разработанной в ИЭМБ СамГМУ [5]. Этот метод является частью безотходного и экологически безопасного производства имплантатов из биологических тканей. Суть технологии заключатся в одновременном получении сразу двух видов  биоматериала: деминерализованного костного матрикса и естественного происхождения гидроксиапатита, который получается путем осаждения минерального компонента из деминерализующего костную ткань раствора. Предложен способ ультразвуковой дезинтеграции полученных образцов, позволяющий получать материал, состоящий на 70-80% из частиц размером менее 100 нм [6]. На основании этого метода были разработаны модификации для получения гидроксиапатита из костной ткани разных видов животных. Были получены образцы биоматериала из компактной и губчатой костной ткани домашних животных (корова, овца), диких животных (лось, кабан), лабораторных животных (кролик, крыса, лягушка), а также различных видов птиц (гусь, курица, индейка, перепёлка).

Качественный состав образцов определяли с использованием энергодисперсионного рентгено-флуоресцентного анализатора БРА-18, количественный анализ проводился с применением классических аналитических методов [1; 2] и атомно-адсорбционного анализа («Varian» SpectrAA 200, гидридная приставка VGA 77).  Изображение поверхности образцов получали с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6390A, процентный элементный состав анализировали при помощи рентгеновского спектрометра (JEOL).

 Результаты исследования и их обсуждение. Количественный анализ минерального состава полученных образцов с применением стандартных аналитических методов показал, что помимо двух основных компонентов – Са2+ и неорганического фосфата, во всех образцах биоматериала содержатся также такие микроэлементы, как магний и железо. Путем качественного анализа выявлено наличие ионов Zn2+, Cu2+, Mn2+.

Наибольшая концентрация фосфата отмечена в тех видах ГАП из компактной костной ткани, при получении которых использовали фосфатный буфер. При этом соотношение концентраций кальция и фосфора в образцах с добавлением буфера и без него колебалось от 1,34 до 2,00. Следует отметить, что с повышением рН осаждения количество фосфата уменьшалось в тех видах ГАП, которые не обрабатывали фосфатным буфером. Уровень фосфата не зависел от сроков проведения деминерализации. В противоположность данному факту содержание ионов Са2+ несколько уменьшалось в образцах, полученных из раствора второй недели деминерализации костной ткани. Соотношение Са/Р в образцах с добавлением буфера составило от 1,29 до 1,46. Аналогичный показатель для образцов без буфера 1,51-3,05. В целом с повышением концентрации фосфата в образцах содержание Са2+ в них уменьшается. ГАП, выделенный при щелочных значениях, содержит больше Са2+, чем ГАП, осажденный в нейтральной среде. Поэтому максимальные значения при определении уровня Са2+  зафиксированы нами в тех видах ГАП, которые были выделены из костной ткани человека при щелочных значениях рН без добавления фосфатного буфера.

При определении концентраций ионов Mg2+ и Fe3+ нами выявлены следующие особенности. Наибольшие значения по Mg2+ отмечены в нейтральных образцах с добавлением фосфата, а по Fe3+ – в щелочных без добавления последнего. Содержание данных микроэлементов в ГАП не зависит от сроков проведения деминерализации.

В образцах ГАП, полученных из костной ткани крыс, соотношение Са/Р колебалось в пределах от 1,18 до 1,81. При повышении концентрации фосфата содержание Са2+ в образцах уменьшается. В образцах, выделенных при рН 8, содержится больше ионов Са2+, чем в образцах, полученных при щелочных значениях (рН 12). Содержание ионов Mg2+ не зависит от рН осаждения. Обработка фосфатом, напротив, способствует повышению уровня данного элемента в ГАП. В щелочном ГАП нами выявлена бóльшая концентрация Fe3+ по сравнению с нейтральными образцами.

Данные состава образцов, полученные с помощью атомно-адсорбционного анализа, свидетельствуют о наличии в составе ГАП кальция, магния, железа, серебра, кобальта, хрома и цинка в соотношениях, близких к составу минерального компонента кости [4]. Это является немаловажным фактом, поскольку микроэлементы необходимы для нормального протекания многих физиологических и биохимических процессов. Содержание микроэлементов  незначительно отличается в образцах ГАП, полученных из костной ткани человека и животных, осаждаемого при разных значениях рН. Однако следует отметить существенное изменение концентрации магния от 1,30 до 2,76 мг/г при изменении условий осаждения с рН 7 до рН 12, аналогичная тенденция выявлена и по содержанию цинка. Таким образом, получение гидроксиапатита при различных значениях рН ведет к избирательному осаждению тех или иных микроэлементов, которые в дальнейшем могут неспецифически влиять на обменные процессы. Это важно в отношении магния, являющегося стимулятором остеогенеза.

При качественном анализе образцов гидроксиапатита, полученного из костной ткани птиц, на энергодисперсионном рентгено-флуоресцентном анализаторе БРА-18 установлено, что такие элементы, как кальций, фосфор, магний, цинк, обнаруживаются в образцах, полученных из компактной и губчатой костной ткани. В образцах, полученных только из губчатой костной ткани, присутствует больший спектр микроэлементов – обнаружены хром, никель, ванадий, селен, алюминий, сера, марганец. Аналогичные изменения прослеживаются и в образцах из костной ткани животных – кальций, фосфор, магний, железо обнаружены во всех материалах. А дополнительные микроэлементы обнаружены в гидроксиапатите из губчатой кости – хром, кобальт, цинк, никель, олово, барий, алюминий и др. Интересно отметить, что в образцах из костной ткани диких животных (кабан, лось, лягушка) обнаружено наличие кадмия, что может быть связано с особенностями среды обитания и  питания животных.

На завершающем этапе исследования был проведён количественный анализ состава образцов при помощи сканирующей электронной микроскопии. С помощью электронного микроскопа JEOL JSM-6390А были получены изображения поверхности образцов. По интенсивности линий спектра вторичного квантового излучения определялись концентрации химических элементов. Для интерпретации результатов измерений использовался пакет программ Smile Shot TM системы энергодисперсионного микроанализа.

На рис. 1, 2 представлены изображения микроструктуры поверхности гидроксиапатита, полученного из костной ткани перепёлки и лягушки, и данные энергодисперсионного анализа, отражающие состав образцов, полученные на электронном микроскопе Jeol в комплекте с рентгеновским спектрометром.

 

 

А)                                                             Б)

Рис. 1.  Изображение поверхности гидроксиапатита компактной  костной ткани перепёлки (А) и лягушки (Б), полученное с помощью электронного микроскопа Jeol.

Энергетический диапазон, кэВ

 

Рис. 2. Данные энергодисперсионного анализа гидроксиапатита  костной ткани лягушки (сканирующий электронный микроскоп JEOL JSM-6390А в комплекте с рентгеновским спектрометром)

 

Основной задачей было исследование в различных образцах атомарного соотношения Са/Р. Для этого прежде всего были исследованы образцы, полученные из компактной костной ткани разных видов животных и человека, поскольку именно из компактной кости отмечается максимальный выход кальция и фосфора, тогда как губчатая – даёт более богатый спектр микроэлементов. Следует отметить, что это соотношение во всех образцах находилось в физиологических пределах и было достаточно близко к эталонному соотношению 1,67. Так, для ГАП из компактной костной ткани человека соотношение составило 1,67, для образцов из компактной кости лося – 1,9, барана – 1,89, кролика – 1,79. У образцов из костной ткани птиц атомарное соотношение  Са/Р составило соответственно для гуся, индейки и перепёлки - 2,02, 1,34 и 1,77. У образцов из костной ткани лягушки показатель оказался самым близким к эталонному соотношению, встречающемуся у человека, и составил 1,66.

Заключение. Проведено комплексное исследование состава гидроксиапатита, полученного из костной ткани человека, разных видов животных и птиц с применением стандартных аналитических методов, рентгено-флуоресцентного и атомно-адсорбционного анализа. Показано, что натуральный гидроксиапатит человека и животных содержит микроэлементы, характерные для костной ткани. Путём энергодисперсионного анализа установлено атомарное соотношение Са/Р в образцах биоматериала. Установлено, что в образцах гидроксиапатита, полученных из компактной костной ткани животных и птиц, это соотношение близко к физиологическому значению, характерному для образцов из компактной костной ткани человека, и колеблется в пределах от 1,34 до 2,02.

                                         

Рецензенты:

Клёнова Н.А., д.б.н., профессор кафедры биохимии, биотехнологии и биоинженерии ФГБОУ ВПО «СамГУ», г. Самара;

Языкова М.Ю., д.б.н., профессор кафедры биохимии, биотехнологии и биоинженерии ФГБОУ ВПО «СамГУ», г. Самара.



Библиографическая ссылка

Писарева Е.В., Власов М.Ю., Волова Л.Т. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БИОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНОГО КОМПОНЕНТА КОСТНОЙ ТКАНИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 5. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=22675 (дата обращения: 16.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074