Биоактивное стекло

Структура биоактивного стекла

Биоакти́вное стекло́ или биостекло́ — биологически активный материал на основе силикатного стекла, состоящего из стекловидной матрицы и микрокристаллов. Биоактивные стекла обычно производят из диоксида кремния с добавлением других оксидов.  Наиболее известным составом биостекла является «Bioglass 45S5», получаемый из диоксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и пентаоксида фосфора.

Биоактивные стекла относятся к классу керамики, способной взаимодействовать с тканями организма (предпочтительно костными тканями).

Изобретение

Изобрёл биоактивное стекло американский ученый Ларри Хенч (англ. Larry L. Hench). Под впечатлением от случайного разговора с полковником, недавно вернувшимся с вьетнамской войны, о недостатке медицинских технологий, помогающих спасать конечности раненых, Хенч занялся работой по созданию биоматериалов, которые бы не отторгались человеческим организмом. Способы реконструкции костных тканей посредством замещения дефекта имплантатом для обеспечения возможности нормального функционирования поврежденного органа были известны. Проблема состояла в материале для имплантата, который должен быть биологически совместимым с тканью. Изначально предпочтение отдавалось биологически инертным материалам — коррозионно-стойким металлам, пластмассам и керамике. Такие материалы как титан и его сплавы, нержавеющая сталь, керамика — не токсичны и устойчивым к биохимическим воздействиям организма. Однако биоинертные материалы не нашли широкого применения в реконструктивно-восстановительной хирургии по причине отсутствия биоактивных покрытий, исключающих неизбежные реакции отторжения.

Команда Хенча открыла гидроксиапатит, который образует чрезвычайно прочную связь со скелетом и является основной минеральной составляющей костей. Опыты с различными составами на основе гидроксиапатита позволили обнаружить, что гидроксиапатит стимулирует остеогенез и играет важную роль в регуляции кальций-фосфатного обмена в организме, и что искомые свойства можно получить если придать материалу форму стекла пористой структуры.

Начатые в США исследования Хенч продолжил в Лондоне, где в 1969 году был получен образец стекла с молекулярно-весовым соотношением компонентов $45\;\%$ ${\ce {SiO_2}}$ + $24,5\;\%$${\ce {Na_2O}}$ + $24,5\;\%$${\ce {CaO}}$ + $6\;\%$${\ce {P_2O_5}}$, названным позднее «Bioglass 45S5». Тед Гринли, доцент кафедры ортопедической хирургии в Университете Флориды, имплантировал образцы крысам. Через шесть недель Гринли позвонил Хенчу и сообщил, что образцы невозможно извлечь обратно.

Ларри Хенч смог добиться результата, при котором полученный материал настолько сильно интегрировался с костью, что его нельзя было удалить, не повредив кость. Хенч опубликовал свою первую работу на эту тему в 1971 году в журнале «Исследование биомедицинских материалов». Его лаборатория продолжала работать над проектом в течение следующих 10 лет при постоянном финансировании от армии США. К 2006 году учеными по всему миру было опубликовано более 500 статей на тему биоактивных стёкол.

Получение

Для получения определённого вида биостекла используется ряд способов Некоторые описанные из них:

1. Для получения биостекла в виде пористой керамики на основе фосфатов кальция в основном пользуются:

• методом выгорающих добавок, в качестве которых используют муку, желатин, коллаген, хитозан и др.;
• пропиткой и последующим обжигом органических (полиуретановых) губок;
• вспениванием, например, при введении пероксида водорода..

2. Известен способ, состоящий из:

• изготовления полусухой массы из порошка кальций-фосфатного стекла состава: $39,10\;\%$ ${\ce {P_2O_5}}$ + $43,5\;\%$ ${\ce {CaO}}$ + $4,35\;\%$ ${\ce {Al_2O_3}}$ + $4,35\;\%$ ${\ce {B_2O_3}}$+ $4,35\;\%$ ${\ce {TiO_2}}$+ $4,35\;\%$ ${\ce {ZrO_2}}$ в 1 % водном растворе поливинилового спирта;
• формования заготовок прессованием под давлением 2,5 МПа;
• обжига заготовок в изотермических условиях при температуре 950°С в течение 1 часа.

3. Способ, включающий следующие стадии:

• плавление смеси, состоящей в основном из $40\sim 60\;\%$ ${\ce {SiO_2}}$ + $5\sim 30\;\%$ ${\ce {Na_2O}}$ + $\leqslant 12\;\%$ ${\ce {P_2O_5}}$ при температуре 1350°С;
• охлаждение расплава;
• измельчение полученного стекла;
• формирование пористой стеклянной подложки путем смешивания порошка с пенообразователем;
• горячее прессование порошка и пенообразователя в вакууме.

Состав «45S5» получают следующим способом:

• тетра-этоксисилан и триэтилфосфат смешивают с 1-молярным раствором азотной кислоты и в течение 60 минут осуществляют гидролиз при перемешивании;
• к смеси постепенно добавляют нитрат кальция и нитрат натрия, перемешивая в течении 6 часов до получения прозрачной жидкости;
• смесь выдерживают 5 дней в запаянном контейнере, и результате получают золь с содержанием твердой фазы 35 %.
• золем пропитывают крупнопористый материал из сахарного тростника (с диаметром пор ~ 10 мкм);
• материал подвергают термообработке при 1030°С, при этом тростниковая матрица выгорает и образуется пористый стеклокерамический материал..

Свойства

Механическая прочность

Показатели механической прочности, в том числе усталостной, и трещиностойкости биокерамики, биостекол и биоситаллов, которые существенно, в 10-100 раз ниже, чем у естественной костной ткани. Это ограничивает возможность использования конструкции, изготовленной из биоактивного стекла, для реконструкции органа с поврежденной костной тканью. Биостекло не как вспомогательный материал, а как основной применяется только для не несущих значительные физиологические нагрузки органов. Обычно биостекло сочетается с полимерами и металлами. При определённой рецептуре и технологии производства биоактивное стекло может быть получено в виде нужной пористой структуры с заданными размерами ячеек и их ориентацией. Такие стекла могут служить наполнителем или покрытием в поглощаемых полимерах. Показатели упругости полученных композитных материалов соответствуют упругим константам кости.

Медленное охлаждение расплава стеклообразующих оксидов по специальным температурным режимам позволяет частично закристаллизовать стекло (при этом чаще всего образуется метасиликат кальция — волластонит ${\ce {CaSiO_3}}$) и получить смешанные, стеклокристаллические материалы — биоситаллы, которые имеют более высокие по сравнению со стеклами механические характеристики.

Биологическая активность

Взаимодействие с межтканевой жидкостью на поверхности биостекла и образование новой костной ткани.

Под понятием биологическая активность подразумевается способность синтетического материала активно взаимодействовать с окружающими тканями с образованием непосредственной связи с ними. При использовании биологически активного материала на основе веществ, изначально близких по химическому и фазовому составу к костной ткани, либо способных к образованию таких веществ на своей поверхности в результате биомиметических процессов взаимодействия с окружающими тканями и жидкостями организма, материал воспринимается организмом почти как собственная ткань. Ключевым элементом, который обеспечивает высокую биоактивность биостекла, является кремний. Гидролиз биостекла в межтканевой жидкости приводит к образованию тонкого желеобразного слоя кремниевой кислоты — на поверхности имплантата. Отрицательно заряженные гидроксильные группы поверхности слоя кремневой кислоты притягивают из окружающего раствора межтканевой жидкости Ионы ${\ce {Ca^2+}}$, заряд поверхности становится положительным, затем на поверхность осаждаются ионы фосфорной кислоты — происходит рост слоя гидроксиапатита. В итоге переходный слой между биостеклом и костью может иметь толщину до 1 мм и быть настолько прочным, что перелом произойдет в любом другом месте, но не в зоне срастания.

Биоактивное стекло образует связь с костной тканью значительно быстрее биокерамических материалов за счет аморфности. Произвольна аморфная сетка растворяется и взаимодействует с межтканевой жидкостью значительно быстрее чем кристаллическая решётка керамического материала. Благодоря этому гидроксиапатит формируется бестрее по сравнению с другими материалами.

Изменяя состав биоматериала, можно в широких пределах менять биоактивность и резорбируемость биостекла.

Применение

RFID капсула из биостекла

Биостекло на основе Bioglass 45S5 применяется в качестве малых или слабонагружаемых имплантатов в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Биостекло используется в стоматологии и ортопедии для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление и устранение дефектов костной ткани, для формирования зубных пломб и изготовления зубных паст.

Bioglass 8625 представляет собой натриево-известковое стекло, используемое для герметизации имплантатов. Материал имеет значительное содержание железа, которое благодаря свойству поглощение инфракрасного излучения позволяет материалу полимеризоваться под источником света. Наиболее распространенное использование Bioglass 8625 — в корпусах RFID-транспондеров при чипировании человека и животных. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило применение Bioglass 8625 на людях в 1994 году.