Научные труды

Сравнительный анализ свойств порошков гидроксиапатита, полученных различными методами



Е. А. Зеличенко, В. В. Гузеев, Я. Б. Ковальская, О. А. Гурова, Т. И. Гузеева


Перспективные материалы, 2018. № 5. С. 41-49.

DOI: 10.30791/1028-978X-2018-5-41-49


Аннотация
Определена зависимость физико-химических свойств порошка гидроксиапатита от способа его получения. Изучены образцы материалов, полученных из биологического сырья путем обжига и деминерализации костей крупного рогатого скота. Исследована поверхность порошков гидроксиапатита методом растровой электронной микроскопии, получены гистограммы распределения частиц по размерам и величины площади удельной поверхности. Установлен фазовый состав исследуемых материалов методом рентгенофазового анализа. Определен способ, позволяющий получать ультрадисперсный порошок гидроксиапатита с регулируемым размером частиц и с соотношением элементов Сa/P, наиболее близким к стехиометрическому в костной ткани. Показано, что наилучшими физико-химическими свойствами с точки зрения практического применения в медицине обладают порошки гидроксиапатита, полученные методом деминерализации костей крупного рогатого скота растворами хлороводорода с концентрациями 1 М и 2 М. Эти порошки имеют наименьшие размеры частиц и большую величину площади удельной поверхности.
Ключевые слова: гидроксиапатит, рентгенофазовый анализ, метод внутреннего стандарта, фазовый состав, стехиометрический состав, растровая электронная микроскопия.
ВЫВОДЫ
Исследованы образцы порошков гидроксиапатита, полученные различными способами и проведен их сравнительный анализ. Показано, что наилучшими физико-химическими свойствами с точки зрения практического применения в медицине обладают порошки гидроксиапатита, полученные методом деминерализации костей крупного рогатого скота растворами хлороводорода с концентрациями 1 М и 2 М. Эти порошки имеют наименьшие размеры частиц до 30 нм и большую величину площади удельной поверхности до 72 м2/г. Данный способ позволяет получать порошки гидроксиапатита со стехиометрическим соотношением Са/Р = 1,64 – 1,67, что является наиболее близким к естественному соотношению этих элементов в костной ткани человека. Гидроксиапатит, полученный методом обжига, имеет дефицит кальция и соотношение Са/Р равно 1,36.

Получение порошка гидроксиапатита в ходе жидкофазного синтеза


Т.И. Гузеева, В.В. Гузеев, Л.А. Леонова, О.А. Лелюк, А.С. Крикуненко, Ю.В. Шатохина


Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 315. № 3. С 47-50


Томский политехнический университет

Северская государственная технологическая академия, г. Северск


Аннотация
Разработан метод синтеза порошков гидроксиапатита осаждением из водных растворов солей кальция и фосфора с использованием ЭДТА. Методом рентгенофлуоресцентного анализа установлено, что введение комплексообразователя в раствор приводит к образованию гидроксиапатита с соотношением Са/Р, близким к 1,67.
Ключевые слова: гидроксиапатит, этилендиаминтетраацетат натрия, рентгенофлуоресцентный анализ, дифференциальнотермический анализ, инфракрасная спектроскопия.
ВЫВОДЫ
1. Осаждением из водных растворов солей кальция и фосфора с использованием комплексообразователя ЭДТА получен синтетический гидроксиапатит со свойствами, соответствующими биологическому.
2. Методом рентгенофлуоресцентного анализа установлено, что способ синтеза гидроксиапатита с ЭДТА позволяет получать порошки с соотношением Ca/P=1,67, соответствующим стехиометрическому соединению.
3. ИК спектрометрическим методом доказана идентичность качественного состава биологического и искусственного гидроксиапатита.
4. Дифференциональнотермическим методом определены оптимальные температуры термической обработки гидроксиапатита, которая включает три температурных режима 100...150, 200...300 и 700...800 °С.

Сравнительная характеристика процессов остеоинтеграции имплантатов с кальцийфосфатным покрытием и имплантатов с кальцийфосфатными покрытиями, обогащенными германием


Е.А. Зеличенко, В.В. Гузеев, Я.Б. Ковальская, О.А. Гурова, Т.И. Гузеева


Вестник травматологии и ортопедии им Н.Н. Приорова. 2017. Т. 24. №4. C. 38-42. DOI: 10.17816/vto201724438-42

ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, РФ


Введение
Процесс остеоинтеграции оказывает существенное влияние на срок биологического закрепления имплантатов и является важным показателем, на который ориентируются при их установке.
Цель: провести сравнительный анализ остеоинтеграции имплантатов из титанового сплава с различными покрытиями для определения оптимального состава покрытий с точки зрения остеогенеза.
Материалы и методы. Проведен сравнительный анализ остеогенных свойств имплантатов с химико-термической обработкой поверхности, с кальцийфосфатным покрытием и кальцийфосфатными покрытиями, обогащенными германием (3% и 5%), нанесенными электрохимическим методом. Реципиентами для вживляемых имплантатов являлись 29 беспородных кошек мужского пола в возрасте от 1,5 до 4 лет массой от 2500 до 3400 г. Из эксперимента животных выводили через 90 дней.
Результаты. Исследования гистологических срезов тканей методом световой микроскопии показали, что процессы регенерации костной ткани наиболее интенсивно шли в группе имплантатов, содержащих в составе кальцийфосфатного покрытия большее (5%) количество германия. В целом кальцийфосфатные покрытия, в том числе обогащенные германием, обеспечивали лучшую остеоинтеграцию, чем образцы, подвергнутые химико-термической обработке.
Ключевые слова: эндопротез, кальцийфосфатные покрытия, имплантаты, германий, остеоинтеграция, костная ткань, микродуговая обработка.
Заключение
Наименее активную остеоинтеграцию демонстрируют имплантаты, подвергнутые химико-термической обработке. Введение в состав покрытия имплантатов гидроксиапатита активизирует процесс остеоинтеграции. В результате проведенных исследований установлено, что наиболее интенсивно процесс остеоинтеграции в организме реципиента протекает при введении имплантатов с покрытиями, полученными из электролита, содержащего гидроксиапатит и германий (5%). В целом кальцийфосфатные покрытия, в том числе обогащенные германием, обеспечивают лучшую остеоинтеграцию, чем образцы, подвергнутые химико-термической обработке.

Влияние германия на свойства кальций-фосфатного покрытия титановых имплантатов


Е. А. Зеличенко, В. В. Гузеев, Я. Б. Ковальская, О. А. Гурова, С.А. Кузьманин, Е.А. Назаров, Н.В. Вишняков, Н.Б. Рыбин


Химия в интересах устойчивого развития 27 (2019) С. 471–476.

DOI: 10.15372/KhUR2019161


Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”, Москва (Россия)

Рязанский государственный медицинский университет им. академика И. П. Павлова, Рязань (Россия)

Рязанский государственный радиотехнический университет, Рязань (Россия)


Аннотация
Ограниченный срок службы эндопротеза при отсутствии других осложнений объясняется асептической нестабильностью имплантата, возникающей и развивающейся в результате недостаточной остеоинтеграции. Выполнена обработка поверхности имплантатов из сплава ВТ-6 с формированием кальций-фосфатных покрытий, в том числе содержащих германий (0.4 и 2.5 мас. %), с целью проведения сравнительного анализа отклика организма. Поверхность полученных покрытий исследована методом растровой электронной микроскопии. Установлено, что введение германия оказывает существенное влияние на морфологию поверхности покрытий. С помощью световой микроскопии гистологических срезов показано, что процессы остеоинтеграции наиболее интенсивно протекают в группе имплантатов, содержащих в составе кальций-фосфатного покрытия 2.5 мас. % германия. Ключевые слова: эндопротез, кальций-фосфатные покрытия, имплантаты, германий, остеоинтеграция, костная ткань, микродуговая обработка
Ключевые слова: эндопротез, кальций-фосфатные покрытия, имплантаты, германий, остеоинтеграция, костная ткань, микродуговая обработка
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Введение германия в состав КФП оказывает существенное влияние на структуру данного покрытия. Проведенные гистологические исследования показывают целесообразность введения германия в состав КФП для стимуляции клеточной пролиферации. Установлено, что наиболее интенсивно процесс остеоинтеграции протекает в области имплантатов с покрытиями, содержащими 2.5 мас. % германия.

Сравнительный анализ свойств кальций-фосфатных и композитных кальций-фосфатных хитозановых покрытий, получаемых методом электрохимического осаждения, для ортопедических имплантантов

Я. А. Каменчук, Е. А. Зеличенко, В. В. Гузеев, А. В. Карлов, Ю. С. Процай, А. Б. Шашкин


Перспективные материалы, 2009. № 6. С. 66-71


Аннотация
Исследованы физико-химические и физико-механические свойства композитного кальцийфосфатного хитозанового покрытия. Показано, что введение хитозана увеличивает содержание аморфной фазы, состоящей из наноразмерных частиц, что приводит к изменению физико-механических свойств покрытия. Увеличение концентрации хитозана влияет на толщину и шероховатость покрытия. Выявлено, что в процессе получения композитного покрытия методом электрохимического осаждения хитозан и Са – Р осаждаются на поверхность титановой подложки, хаотично чередуясь, взаимно дополняя друг друга, с образованием сетчатой структуры. Ключевые слова: хитозан, гидроксиапатит, электрохимическое осаждение, композитное покрытие, многоуровневый рельеф поверхности
Ключевые слова: хитозан, гидроксиапатит, электрохимическое осаждение, композитное покрытие, многоуровневый рельеф поверхности
Выводы
1. Са – Р-покрытие содержит в своей основе ГАП в виде сферолитов размером от 80 нм до 150 мкм, обладает высокой пористостью, но низкими прочностными характеристиками.
2. Проведенные исследования показали, что в процессе получения композитного покрытия методом электрохимического осаждения хитозан и Са – Р осаждаются на поверхность титановой подложки в форме сферолитов, хаотично чередуясь, взаимно дополняя друг друга с образованием сетчатой структуры. Размер кристаллитов, формирующих сферолиты, составляет в среднем 30 нм. Фазовый состав представляет собой в основном аморфизированную часть и 25% кристаллического ГАП.
3. Введение хитозана изменяет многоуровневый рельеф поверхности, приводя к увеличению содержания нанодисперсной аморфной фазы, что улучшает прочностные свойства.

Биоактивные материалы для регенеративной медицины


В.В. Гузеев, Е.А. Зеличенко, О.А. Гурова, А.С. Морозова, С.В. Коношенко, Я.Б. Ковальская


Инновации в медицине: основные проблемы и пути их решения. Высокотехнологичная медицина как элемент инновационной экономики / Материалы международного Форума //под общей редакцией М.А. Садового и Е.В. Мамоновой. – Новосибирск: ТД Сибирский, 2013. 308 с. ISBN 978-5-905902-01-7


Северский технологический институт – филиал Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, Россия


Аннотация
В травматологии существует проблема использования биодеградируемых композиционных материалов для восстановления и замещения костной ткани. В последнее время для этих целей применяются металлические импланты с нанесенным биоактивным покрытием. Любой металл не способен участвовать в метаболических процессах и поэтому навсегда остается в организме чужеродным телом. Существует реальная необходимость заменить металлические на биорезорбируемые материалы. Биорезорбируемые материалы способны растворяться и перерождаться в полноценную костную ткань. Разработка регенеративных материалов остается актуальной проблемой для медицины, а получение исходных веществ запускающих механизм регенерации костной ткани, обладающих биологической активностью и создание на основе их композиционных материалов с заданными физикомеханическими характеристиками представляют важную научную проблему.

Биодеградируемые материалы и имплантаты для регенерации костной ткани


Е.А. Зеличенко, О.А. Гурова, В.В. Гузеев, С.В. Коношенко, Я.Б. Ковальская, Л.Д. Агеева


Известия высших учебных заведений. Физика. Том: 56. Номер: 12-3. Год: 2013. Страницы: 44-47


Северский технологический институт НИЯУ МИФИ


Аннотация
Проведены исследования физико-химических и механических свойств биорезорбируемого костного цемента, полученного из биологических компонентов. Биологические и доклинические испытания показали, что при заполнении костного дефекта этим материалом формируется полноценная костная ткань с кровеносными сосудами.
Заключение
Таким образом, полученный костный цемент обладает высокой удельной поверхностью и пористостью, что является одним из главных условий образования новой костной ткани. Разработанный биоматериал может быть использован для инжиниринга костной ткани, поскольку это основные компоненты внеклеточного матрикса кости. Гидроксиапатит и коллаген входят в состав соединительных тканей, таких, как кости, хрящ, кожа, сухожилия, связки и кровеносные сосуды.
Проведенные исследования in vivo показали, что исследуемый костный цемент показал себя как биосовместимый, биодеградируемый, обладающий остеогенными свойствами материал.
Доклинические испытания костного цемента показали выраженную регенерацию костной ткани в сравнении с группой контрольных животных, что подтверждается рентгенологическими, гистологическими и биохимическими методами исследования.

Модифицированный фиксатор для переднего спондилодеза

при оскольчатых переломах грудного и поясничного

отделов позвоночника


А.Б. Макаров, К.С. Сергеев, В.В. Гузеев, Я.А. Каменчук, Т.В. Дружинина, Е.А. Зеличенко, Р.В. Паськов


Ноябрьская центральная городская больница

Тюменская государственная медицинская академия

Тюменский областной травматолого-ортопедический центр

Северский технологический институт Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

ФГУП «Экспериментальные производственные мастерские», Москва


Цель исследования. Изучение прочностных характеристик системы «кость – имплантат» при переднем межтеловом спондилодезе и зоны контакта имплантата с костью при использовании стандартного и инновационного протезов тела позвонка на основании анализа результат ов нагрузочного тестирования.
Материал и методы. Для экспериментального исследования подготовлены серийные и модифицированные сетчатые имплантаты для переднего спондилодеза. Образцы устанавливали между макетами тел позвонков, изготовленных из полиуретана, и закрепляли по принципу переднебоковой фиксации. Проводили испытания на сжатие на универсальном динамометре. Проанализирован опыт оперативного лечения 12 пациентов с оскольчатыми переломами грудного и поясничного отделов позвоночника с применением модифицированного сетчатого имплантата.
Результаты. Использование модифицированного сетчатого имплантата для переднего спондилодеза статистически достоверно повышает стабильность системы «кость – имплантат». Его применение позволило добиться хорошего результата у 100 % прооперированных пациентов.
Заключение. Конструктивные особенности усовершенствованных фиксаторов, их биоактивные свойства способствуют оптимизации и сокращению сроков формирования
прочного костно-металлического блока оперированных сегментов, что позволяет улучшить результаты оперативного лечения при оскольчатых переломах грудных и поясничных позвонков методом переднего спондилодеза.

Изготовление и исследование микрокапсул из биоактивного гидроксиапатита


Е.А. Зеличенко, В.В. Гузеев, Т.И. Гузеева, О.А. Гурова, Г.Е. Степанова


Химия в интересах устойчивого развития 24 (2016), С. 607-612

DOI: 10.15372/KhUR20160502


Северский технологический институт, Северск, Россия


Аннотация
Разработана методика синтеза микрогранул и микрокапсул из биоактивного гидроксиапатита. Исследованы их фазовый и элементный состав, проведен электронно-микроскопический анализ биорезорбируемого материала. Биологические и доклинические испытания показали, что при заполнении костного дефекта микрогранулами гидроксиапатита у животных формируется полноценная костная ткань.
Ключевые слова: гидроксиапатит биоактивный, микрогранулы, микрокапсулы, костная ткань, регенерация, биосовместимость, bioactive hydroxyapatite, microgranules, microcapsules, bone tissue, biocompatibility.
Заключение
Таким образом, применение микрокапсул из биодеградируемых композитных материалов биологического ГАП не вызывает нарушений функционального состояния организма животных, не оказывает местно-раздражающего действия на введение, а по истечении 2 мес. на месте костного дефекта и по всей толщине имплантата в результате биодеградации происходит замена материала вновь образующейся костной тканью. Следовательно, используемые микрокапсулы биодеградируемого композитного материала (биологического ГАП) отвечают требованиям, предъявляемым к имплантируемым медицинским изделиям.

Исследование свойств гидроксиапатита, выделенного из костной ткани сельскохозяйственных животных


Е. А. Зеличенко, В. В. Гузеев, А. С. Рогулина, О. А. Гурова, Я. Б. Ковальская


Химия в интересах устойчивого развития 20 (2012). С. 543-548


Северский технологический институт НИЯУ МИФИ


Аннотация
Исследована зависимость свойств кальцийфосфатных соединений от способа их выделения из биологического сырья. Проведены физико-химические исследования свойств полученных материалов. Предложенная методика позволяет получать ультрадисперсные порошки биологического гидроксиапатита с регулируемой дисперсностью и составом, максимально приближенным к составу костной ткани. Установлено, что наиболее близко к минеральному матриксу костной ткани кальцийфосфатное соединение, осажденное из раствора, который получен деминерализацией раствором с содержанием хлороводорода 1 моль/л.
Ключевые слова: кальцийфосфатные соединения, осаждение, дисперсность, фазовый состав, стехиометрия.
Выводы: предложенный метод получения биологических фосфатов кальция из костной ткани позвоночных с использованием раствора соляной кислоты позволяет получить биоматериал, близкий по фазовому составу к гидроксиапатиту, образующемуся при обжиге костей КРС. Установлено, что наиболее близок к стехиометрическому ГА (Ca/P = 1.64) порошок, осажденный из раствора, который получен деминерализацией костной ткани раствором с содержанием хлороводорода 1 моль/л.

Определение физико-химических характеристик и биоактивности in vitro композитного Са-Р/хитозанового покрытия, полученного методом электрохимического осаждения


Я. А. Каменчук, Е. А. Зеличенко, В. В. Гузеев, А. Б. Шашкин, И. А. Хлусов, К. В. Зайцев


Химия в интересах устойчивого развития 18 (2010). С. 577-582


"ВТО Росмедтехнологий" им. Г. А. Илизарова, Томский филиал, ул. Никитина, 17, Томск 634034 (Россия), Yana100@inbox.ru

КНПО "Биотехника", пер. Плеханова, 5, Томск 634034 (Россия), zea@sibmail.ru

"ВТО Росмедтехнологий" им. Г. А. Илизарова, Томский филиал, ул. Никитина, 17, Томск 634034 (Россия), guzeev@mail.tomsknet.ru

КНПО "Биотехника", пер. Плеханова, 5, Томск 634034 (Россия), orthop@rambler.ru

"ВТО Росмедтехнологий" им. Г. А. Илизарова, Томский филиал, ул. Никитина, 17, Томск 634034 (Россия), khl@ultranet.tomsk.ru

"ВТО Росмедтехнологий" им. Г. А. Илизарова, Томский филиал, ул. Никитина, 17, Томск 634034 (Россия), khl@ultranet.tomsk.ru

Аннотация
Исследованы физико-химические и биологические свойства композитного кальций-фосфатного хитозанового покрытия. Показано, что введение хитозана увеличивает содержание аморфной фазы, состоящей из наноразмерных частиц, а увеличение его концентрации приводит к изменению толщины и шероховатости покрытия. Выявлено, что в процессе получения композитного покрытия методом электрохимического осаждения хитозан и Са-Р осаждаются на поверхность титановой подложки, хаотично чередуясь и взаимно дополняя друг друга, с образованием сетчатой структуры. Композиты СаР-Х модулируют in vitro и in vivo функциональную активность и дифференцировку стромальных стволовых клеток в остеогенном направлении, благодаря чему они перспективны в плане разработки нового класса имплантатов для ортопедии и травматологии.
Ключевые слова: хитозан, гидроксиапатит, электрохимическое осаждение, композитное покрытие, стромальные стволовые клетки, остеогенные свойства.
Выводы:
Выявлено, что введение хитозана приводит к сглаживанию рельефа поверхности покрытия в силу окутывания хитозаном глобул фосфатов кальция. Иногда происходит связывание Ca-P и хитозана с образованием сетчатой структуры.
Добавление хитозана приводит к уменьшению содержания кристаллической апатитовой фазы и увеличению содержания как аморфной, так и брушитовой фаз. При ведении хитозана размеры кристаллитов, формирующих сферолиты, значительно уменьшаются.
В спектре композита не наблюдается сдвига полос поглощения, следовательно, химических связей между хитозаном и гидроксиапатитом не образуется, т.е. они соединены механическим образом.
Композиты Ca-P/X модулируют in vitro и in vivo функциональную активность и дифференцировку стромальных стволовых клеток в остеогенном направлении.