Журнал неорганической химии, 2022, T. 67, № 1, стр. 127-136

ВВЕДЕНИЕ

Биоактивные стекла начали разрабатываться группой американских ученых в конце семидесятых годов прошлого века. Первые клинические применения датируются 1980 г. Исследования показали, что биостекла, деградируя, способны стимулировать процесс остеогенеза, хондрогенеза и срастаться с мягкими соединительными тканями. Существует два основных метода синтеза биостекол: первый – плавление смеси оксидов при температурах выше 1400°C [1], второй – золь-гель синтез. Этот процесс занимает более длительный период, но осуществляется при более низких температурах [2–4]. Биостекла применяют в качестве материалов, стимулирующих восстановление и устранение дефектов костной ткани, а также в качестве ненагружаемых имплантатов в восстановительной хирургии [5, 6]. Показатели механической прочности и трещиностойкости биостекол существенно ниже, чем у естественной костной ткани, поэтому они не применяются в качестве несущих конструкций.

Композиция состава 45 SiO₂, 24.5 Na₂O, 24.5 CaO, 6 мас. % P₂O₅ известна как Bioglass 45S5. Указанное биостекло считается остеокондуктивным, остеоиндуктивным и деградируемым. Оно обеспечивает рост новой костной ткани вдоль границы кость–имплант за счет способности осаждать на своей поверхности слой гидроксилированного карбоната апатита, схожего с минеральной фазой кости [7–9].

Известны недостатки использования Bioglass 45S5. Несоответствие скоростей деградации имплантируемого материала и роста костной ткани приводит к образованию зазора между костью и имплантом. Скорость образования костной ткани зависит от многих факторов, в том числе от индивидуальных особенностей пациента. В связи с этим появляется необходимость в создании искусственных материалов с разной скоростью резорбции. Известно, что натрий, высвобождаемый в процессе деградации материала, увеличивает pH окружающих тканей [10]. Функциональные добавки способны минимизировать негативное влияние. Изменяя состав биостекла, можно управлять его биоактивностью и резорбируемостью [11, 12]. Внедрение различных катионов в матрицу стекла влияет на его физические свойства и микроструктуру. Такие функциональные добавки, как оксиды магния, цинка, стронция, меди, могут способствовать формированию и восстановлению здоровой костной ткани [13, 14]. Активные разработки новых продуктов для клинического применения способствуют расширению списка материалов, используемых в медицине, и созданию более перспективных стекол.

В мезопористых биостеклах состава SiO₂/CaO/P₂O₅ = 80 : 15 : 5 (мол. %) проведено замещение CaO [15] или SiO₂ [16] на ZrO₂ в пределах 15 мол. %. В стеклах состава SiO₂/CaO/P₂O₅/SrO = = 58 : 30 : 7 : 5 (мас. %) проведено замещение CaO на ZrO₂ в пределах 11 мас. % [17]. Плавлением смеси оксидов получены биоактивные стекла 45S5, легированные диоксидом циркония. Легирование проведено путем замещения Na₂O на ZrO₂ в пределах 12 мас. % [18] и SiO₂ на ZrO₂ в пределах 10 мас. % [19]. Исследованы свойства полученных стекол. Авторы заявляют об улучшении свойств легированного биостекла. При сохранении способности к образованию апатита и отсутствии токсичности отмечено увеличение рентгеноконтрастности и прочности, уменьшение растворимости, а также снижение pH среды, окружающей материал.

Целью настоящего исследования является разработка нового способа получения композитов SiO₂–Na₂O–CaO–P₂O₅–ZrO₂ и изучение взаимодействия ZrO₂ с биостеклом 45S5 в широком интервале концентраций диоксида циркония (0–60 мас. %) для создания биоактивных материалов, используемых в инженерии костной ткани.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Замещением диоксидом циркония общей массы биостекла получены образцы стекла и стеклокерамики на основе Bioglass 45S5, содержащей 5, 10, 20, 40 и 60 мас. % ZrO₂. В работе использовали: олеат натрия (C₁₈H₃₃O₂Na, 98%), олеат кальция (C₃₆H₆₆O₄Ca, 98%), тетраэтоксисилан (C₈H₂₀O₄Si, 99.5%), трибутилфосфат (C₁₂H₂₇O₄P, 99%), олеат цирконила (C₃₆H₆₆O₅Zr, 98%). Органическим растворителем служила смесь скипидара (сульфатного очищенного, для органического синтеза) с толуолом (C₇H₈, 99.5%); соотношение компонентов раствора составляло 50 : 50.

Стекло, легированное диоксидом циркония, получали следующим способом. В приготовленный органический раствор олеата натрия с тетраэтоксисиланом добавляли раствор олеата кальция с трибутилфосфатом, затем раствор олеата цирконила. После смешивания всех компонентов выполняли отгонку растворителя при 150–200°С. Полученный прекурсор подвергали пиролизу в муфельной печи Nabertherm L5/13/B180 при температуре 1300°С в течение 30 мин. Средняя скорость нагрева составляла 7 град/мин. Стеклование обеспечивали переносом в камеру отжига с температурой 550°С, где образец выдерживали 2 ч, а затем охлаждали при комнатной температуре.

Прочная стеклокерамика изготовлена следующим способом. Полученный вышеуказанным методом материал, содержащий 25 мас. % Bioglass 45S и 75 мас. % ZrO₂, измельчали на вибрационной микромельнице Fritsch Pulverisette-0. 80% частиц имели размер <50 мкм. Размер частиц полученного порошка определяли ситовым методом (сито № 005). Порошок прессовали при 50 МПа на испытательной машине Shimadzu Autograp AG-X plus методом одноосного холодного прессования со скоростью 0.5 мм/с и выдержкой 120 с. Формованный образец прокаливали в муфельной печи Nabertherm L5/13/B180 до 1300°С. Изготовлено три одинаковых образца. Предел прочности образцов при сжатии определяли на испытательной машине Shimadzu Autograp AG-X plus.

Исследована химическая растворимость полученных материалов. За основу принят ГОСТ ISO 10993-14-2011 “Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Ч. 14. Идентификация и количественное определение продуктов деградации изделий из керамики”. Для исследования выбран метод “экстремального раствора”. Он заключается в следующем. Высушенные до постоянного веса образцы (из расчета 1 г образца на 20 мл жидкости) помещали в модельный раствор. Исследовали неизмельченный материал, поэтому для тестирования были отобраны образцы с одинаковой массой и формой. В растворе материал находился 120 ч при ежесуточном встряхивании и постоянной температуре 37°С, поддерживаемой термостатом Binder BD 115. Затем образцы промывали дистиллированной водой и сушили при температуре 100°С в течение 5 ч. В качестве модельного раствора использовали буферный раствор лимонной кислоты с уровнем рН 3.0. Химическую растворимость (А, %) рассчитывали по формуле: А = (М₁ – М₂)/М₁ × 100, где М₁ – масса образца до испытания в модельном растворе, г; M₂ – масса образца после испытания в модельном растворе, г. Исследование фильтрата осуществляли на атомно-абсорбционном спектрофотометре Shimadzu AА 7000.

Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов проводили на дифрактометре Stoe STADI P. Состав продуктов определяли с помощью программы поиска EVA c использованием базы порошковых данных ICDD PDF-2. Для исследования качественного, количественного элементного состава и морфологии поверхности образцов использовали метод растровой электронной микроскопии (РЭМ). Изображения и энергодисперсионные спектры образцов получали на приборе CrossBeam 1540 XB с приставкой для энергодисперсионного спектрального анализа “ЭДС-микроанализ”. Для исследования образцы подвергали напылению тонкого проводящего слоя углерода. Измерения толщины образовавшегося покрытия выполнены на приборе CrossBeam 1540 XB.

Оценка влияния ZrO₂ на биологическую активность биостекла проведена in vitro с помощью модельной среды – SBF-раствора. Модельный раствор был приготовлен в соответствии с процедурой, предложенной в работе [20], pH доведен до 7.4. Образцы выдерживали в растворе в течение 19 сут при температуре 37°С. Раствор обновляли каждые 48 ч. Постоянную температуру поддерживали термостатом Binder BD 115.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Ранее был разработан метод получения биостекол пиролизом органических растворов [21]. Отмечен ряд преимуществ использования этого метода, в том числе возможность допирования биостекла различными соединениями при сохранении гомогенности прекурсора. В представленной статье пиролизом органических растворов получены биоактивные стекла и стеклокерамика, содержащие ZrO₂. Допирование проводили замещением общей массы Bioglass 45S5 диоксидом циркония для сохранения отношения Si/Na/Ca/P.

РФА образцов с различным содержанием ZrO₂ в зависимости от температуры обжига прекурсора обнаружил фазы, указанные в табл. 1.

Поверхность образцов 1 и 2 однородна (рис. 1а, 1б). На поверхности образца 3, содержащего 10 мас. % ZrO₂, с помощью микроскопии обнаружены мелкие включения, равномерно распределенные в стеклофазе (рис. 1в). Образец 4 непрозрачен, помимо рентгеноаморфной фазы содержит дополнительную фазу Na₂ZrSi₂O₇. Микроскопия показывает многочисленные скопления мелких частиц (рис. 1г). Образец 5 кроме рентгеноаморфной фазы содержит две дополнительные фазы: Na₄Zr₂Si₃O₁₂ и ZrO₂. Образец керамики состоит из стеклофазы, а также частиц сферической и кубической формы. Средний диаметр сферических частиц составляет 1 мкм, сторона ребра частиц кубической формы – 1.5 мкм (рис. 1д). Образец 6 схож с образцом 5: наблюдаются частицы кубической и сферической формы, но стеклофаза в основном распределена в пространстве между частицами (рис. 1е).

Рис. 1.

РЭМ-изображения образцов: 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4 (г), 5 (д), 6 (е).

На рис. 2 представлены энергодисперсионные спектры (ЭДС) образовавшихся фаз образца 5. Спектр, соответствующий сферическим частицам, содержит преимущественно линии циркония и относится к ZrO₂ (рис. 2а). Спектр, соответствующий кубическим частицам, содержит в основном линии кремния, натрия, циркония и относится к Na₄Zr₂Si₃O₁₂ (рис. 2б). Стеклофаза характеризуется повышенным содержанием кальция и кремния, она образует рентгеноаморфную фазу, являющуюся биоактивной (рис. 2в).

Рис. 2.

Энергодисперсионный спектр образца 5 в точках, указанных на рис. 1д: 1 – (а), 2 – (б), 3 – (в).

Как следует из карт элементов, все атомы равномерно распределены в матрице стекла для образцов с содержанием ZrO₂ до 20 мас. % включительно. Для образцов с более высоким содержанием диоксида циркония (5 и 6) обращает на себя внимание идентичное распределение фосфора и циркония (рис. 3).

Рис. 3.

Карты распределения элементов по поверхности образца 6.

Сопоставление данных РФА и РЭМ (карты элементов) позволяет сделать заключение, что обнаруженные в образцах 5 и 6 фазы Na₄Zr₂Si₃O₁₂ являются твердыми растворами состава Na_{1 +x}Zr₂Si_xP_{3 –x}O₁₂, которые кристаллизуются в ромбоэдрической сингонии и имеют типичный состав Na₃Zr₂Si₂PO₁₂, известный как NASICON [22, 23]. В образце, содержащем 20% оксида циркония, присутствует паракелдышит Na₂ZrSi₂O₇, кристаллизующийся в триклинной сингонии. Как отмечено выше, при содержании оксида циркония <20 мас. % образцы рентгеноаморфны, что может соответствовать композиции Na_{1 +z}Zr_{2 –x/3}Si_xP_{3 –x}O_{12 – 2x/3} в стеклообразной форме с частичным катионным замещением натрия на кальций (натриевое суперионное проводящее стекло, известное как NASIGLAS [24]). Таким образом, взаимодействие оксида циркония с биостеклом, вероятно, можно представить как трансформацию Bioglass 45S5 → NASIGLAS → NASICON.

Все исследованные образцы после пребывания в SBF-растворе имеют покрытия из гидроксиапатита в виде плотной растрескавшейся корки (рис. 4). На рис. 5 представлены микрофотографии покрытия и его ЭДС. Покрытие имеет слоистую структуру (рис. 5а), состоящую из наноразмерных частиц диаметром 20–40 нм (рис. 5б). В энергодисперсионном спектре содержатся все компоненты: кремний, кислород, натрий, кальций, фосфор и цирконий (рис. 5в), однако содержание кальция и фосфора в покрытии заметно выше их количества в образце до помещения в модельный раствор, что свидетельствует об образовании кальций-фосфатного слоя. Сравнительная табл. 2 это подтверждает. Спектр показывает наличие незначительных количеств Mg, источником которого является SBF-раствор.

Рис. 4.

РЭМ-изображения образцов после пребывания в SBF-растворе: 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4 (г), 5 (д), 6 (е).

Рис. 5.

РЭМ-изображения покрытия (а, б) и его энергодисперсионный спектр в области сканирования, указанной на рис. 5б (в).

В работе [25] показано, что Ta₂O₅ улучшает механические и физические свойства стекла, но снижает биологическую активность материала. Добавка в количестве 3 мол. % Ta₂O₅ (или 18 мас. %) полностью лишает материал биоактивности. Исследование [26] показало резкое уменьшение биоактивности стекла для образца с 8 мас. % Bi₂O₃. К аналогичным выводам приходят авторы работ [21, 27, 28] при рассмотрении легирования стекол оксидами висмута, вольфрама, тантала, титана. Содержание функциональной добавки, достаточной для резкого снижения биоактивности материала, находится в пределах 8–12 мас. %. На примере оксида тантала изучена причина подавления биологической активности стекол [29]. Легирование оксидом тантала приводит к образованию в материале нерастворимых кристаллов CaTa₂O₆. Таким образом, происходит выведение катионов кальция, участвующих в образовании биоактивного слоя, из сетки стекла в кристаллическую фазу, что является основной причиной снижения биоактивности материала.

Согласно нашим исследованиям, диоксид циркония ведет себя иначе. Он частично выводит натрий и кремний из сетки стекла, образуя кристаллы Na₂ZrSi₂O₇ или Na₄Zr₂Si₃O₁₂ (табл. 1). В результате содержание кальция, участвующего в формировании слоя апатита, остается на прежнем уровне. Очевидно, это является причиной сохранения биоактивности материала. Предположение подтверждается исследованиями толщины биоактивного слоя, образовавшегося в SBF-растворе, на образцах. Средняя толщина покрытия составляет 2.5 мкм для образцов 1 и 2, 1.8 мкм для образца 3, 1 мкм для образца 4, 0.5 мкм для образца 5 и 0.3 мкм для образца 6. Уменьшение толщины покрытия, на наш взгляд, нельзя расценивать как снижение биоактивности. Толщина, образовавшегося кальций-фосфатного слоя, закономерно снижается с уменьшением массовой доли биоактивной стеклофазы в образце. Частичное выведение натрия из сетки стекла в нерастворимую фазу должно препятствовать высвобождению большого количества натрия в живую ткань при деградации биоактивной фазы. Как следствие, это должно поддерживать более стабильное значение pH во время биохимических процессов вокруг импланта. Наши исследования согласуются с результатами работ [15–19], где легирование биостекла сохраняло способность к образованию апатита и снижало pH модельной среды.

Химическая растворимость – важный показатель для материалов медицинской практики. Для исследования материала выбран метод экстремального раствора. Модельная жидкость имитирует биологическую среду, в которой лимонная кислота высвобождается остеокластами. Низкие значения рН необходимы для исследования деградации керамических материалов в ускоренном режиме. Метод используется в качестве скрининг-теста.

Растворимость образцов представлена в табл. 3. Исследования показывают, что величина химической растворимости зависит от содержания ZrO₂ в образце. Ее значения падают при увеличении содержания ZrO₂ до 10 мас. % и растут с последующим увеличением оксида легирующего элемента. Увеличение растворимости стекла при содержании ZrO₂ > 10 мас. %, вероятно, связано с изменением элементного состава стеклофазы за счет образования кристаллических цирконосиликатов. Относительное уменьшение растворимости образца, содержащего 60 мас. % ZrO₂, скорее всего, связано с уменьшением массовой доли резорбируемой фазы в общей массе материала. Эти данные согласуются с результатами работ [15–19], где химическая растворимость материалов с рентгеноаморфной структурой падала с увеличением содержания ZrO₂.

Приведенные в табл. 3 данные об изменении в растворе концентрации кальция, натрия и кремния в зависимости от содержания в образцах диоксида циркония косвенно свидетельствуют о различной скорости резорбции, что расширяет возможности выбора материалов для имплантации. Можно предположить, что цирконийсодержащие биостекла и стеклокерамика, полученные пиролизом органических растворов, будут обладать всеми свойствами, выявленными авторами других работ у аналогичных материалов, а именно: рентгеноконтрастностью, повышенной прочностью, отсутствием токсичности и более низким значением pH по сравнению с нелегированным биостеклом.

Предлагаемый нами метод позволяет получать стеклокерамику на основе Bioglass 45S5 с содержанием ZrO₂ в широком интервале концентраций и с широким диапазоном свойств. Например, стеклокерамика, содержащая 25 мас. % биостекла 45S5 и 75 мас. % ZrO₂, имеет предел прочности при сжатии 470 ± 20 МПа. Материал имеет потенциальное применение в инженерии костной ткани.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан новый способ получения композитов SiO₂–Na₂O–CaO–P₂O₅–ZrO₂. Исследовано взаимодействие диоксида циркония с биостеклом 45S5 в широком интервале концентраций ZrO₂ (0–60 мас. %) для создания биоактивных материалов, используемых в инженерии костной ткани.

Установлено, что ZrO₂ меняет физические и химические свойства Bioglass 45S5, сохраняя биоактивную способность материала.

Показано, что легирование Bioglass 45S5 диоксидом циркония до 10 мас. % сохраняет рентгеноаморфное состояние и уменьшает химическую растворимость композита. Материал может быть использован в восстановительной хирургии в качестве ненагружаемых или слабонагружаемых имплантов, а также порошковых материалов для заполнения дефектов костной ткани.

Полученная в работе плотная стеклокерамика, состоящая из 25 мас. % биостекла 45S5 и 75 мас. % ZrO₂, обладает прочностью >450 МПа и биоактивной фазой. Материал пригоден для обработки и создания импланта любой конфигурации без ущерба для биоактивности конструкции. После дополнительных исследований материал может быть предложен для производства нагружаемых имплантов.