Materia y kompozytowe na bazie niskoporowatych granul fosforanowo-wapniowych do zastosowa medycznych

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012), Materia y kompozytowe na bazie niskoporowatych granul fosforanowo-wapniowych do zastosowa medycznych ANETA ZIMA*, ZOFIA PASZKIEWICZ, DOMINIKA SIEK, JOANNA CZECHOWSKA, ANNA LÓSARCZYK AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia In ynierii Materia owej i Ceramiki, KCiMO, al. Mickiewicza 30, Kraków * azima@agh.,edu.pl Streszczenie Kompozytowe substytuty kostne na bazie niskoporowatych granul fosforanowo wapniowych otrzymano w wyniku zmieszania granul HA, TCP i BCP ze spoiwami opartymi na siarczanie(vi) wapnia (CSH) i hydroksyapatycie. Jako p yny s u ce do zarabiania zastosowano wod destylowan oraz 1% roztwór chitozanu w 0,3% kwasie octowym. Po czenie spoiw typu cementowego i granul fosforanowo wapniowych pozwoli o otrzyma nowe, kompozytowe materia y implantacyjne o dobrej por czno ci chirurgicznej, doskona ej biozgodno- ci i odpowiednich w a ciwo ciach mechanicznych. S owa kluczowe: kompozyt, niskoporowate granule bioceramiczne, fosforany wapnia COMPOSITE MATERIALS BASED ON LOW-POROUS CALCIUM PHOSPHATE GRANULES FOR MEDICAL APPLICATIONS Composite bone substitutes based on low-porous calcium phosphate granules were obtained by mixing HA, TCP or BCP granules with binders on the basis of calcium sulfate hemihydrate (CSH) and hydroxyapatite. As liquid phases distilled water or the 1% chitosan solution in 0.3% acetic acid were applied. Combining cement type self-setting binders and calcium phosphate granules resulted in new composites with good surgical handiness, excellent biocompatibility and appropriate mechanical properties. Keywords: Composite, Low-porous bioceramic granules, Calcium phosphates 1. Wprowadzenie Fosforany wapnia (ang. Calcium Phosphates CaPs) od wielu lat stosowane s z powodzeniem w ró nych dziedzinach medycyny, m.in. w chirurgii rekonstrukcyjnej, ortopedii, a tak e w stomatologii oraz periodontologii. Materia- y te ze wzgl du na swoj doskona biozgodno oraz wykazywan rzadk w ród implantów kostnych bioaktywno, a tak e w a ciwo ci osteokondukcyjne, wykorzystywane s przede wszystkim do uzupe niania ubytków ko ci powsta- ych w wyniku urazów, infekcji czy te po usuni ciu torbieli i nowotworów [1, 2]. Komercyjne materia y implantacyjne oparte na fosforanach wapnia wyst puj w ró nych formach, np. w postaci proszków, granul, makro i mikroporowatych kszta tek oraz cementów. Ponadto stosowane s równie jako pokrycia na metalicznych implantach ortopedycznych i stomatologicznych, w celu poprawy ich biozgodno ci i bioaktywno ci [3, 4]. Wybór formy preparatu ko ciozast pczego zale y od wielu czynników, m.in. od miejsca implantacji, wielko ci ubytku kostnego, w a ciwo ci samego materia u, a tak e od indywidualnych predyspozycji pacjenta [5]. Obecnie w medycynie rekonstrukcyjnej ro nie zapotrzebowanie na substytuty kostne, które oprócz wype niania ubytków jednocze nie mog pe ni rol no ników leków, hormonów lub czynników biologicznych, stymuluj cych prawi- d owy wzrost tkanki kostnej. Wa n rol odgrywa tak e atwo przygotowania materia u w warunkach sali operacyjnej i nieskomplikowany proces jego implantacji. Wysoka por czno chirurgiczna (cecha wysoce po dana przez lekarzy) pozwala na szybkie przygotowanie i wprowadzenie preparatu do ubytku oraz jego szczelne wype nienie. Fosforanowo wapniowe materia y implantacyjne w formie granul s powszechnie stosowane w medycynie do leczenia defektów tkanki kostnej powsta ych w miejscach nieprzenosz cych du ych obci e. W substytucji ko ci stosuje si przede wszystkim granule: hydroksyapatytowe (HA), ortofosforanu(v) wapnia (TCP) oraz granule dwufazowe (BCP ang. Biphasic Calcium Phosphate) na bazie HA i TCP. Materia y te jednak nie s atwe w aplikacji, mog rozsypywa si w miejscu implantacji, powoduj c powstawanie pustych przestrzeni, co nie sprzyja ich integracji z naturaln ko ci. Znane s przypadki migracji granul z ubytków [1, 6, 7, 8]. Nieregularne rozmieszczenie granul mo e powodowa mechaniczn niestabilno implantowanego biomateria u, a tak- e indukowa stan zapalny oraz opó ni tworzenie nowej tkanki kostnej [6, 8]. Rozwi zaniem problemów zwi zanych z aplikacj niepor cznych granul do defektu jest czenie ich z innymi materia ami. Pozwala to na wytworzenie efektywnych oraz atwoformowalnych substytutów kostnych. Przyk adem takiego po czenia jest el MBCP TM zawieraj cy gra- 355

2 A. ZIMA, Z. PASZKIEWICZ, D. SIEK, J. CZECHOWSKA, A. LÓSARCZYK nule BCP oraz rozpuszczalny w wodzie polimer. Materia ten jest ca kowicie biozgodny, resorbowalny oraz bez trudu przyjmuje kszta t ubytku kostnego, eliminuj c potrzeb dodatkowego kszta towania w celu dopasowania do miejsca implantacji. Ponadto el MBCP TM wykazuje du y potencja osteokondukcyjny. Komórki ko ci wnikaj w przestrzenie powsta e w wyniku resorpcji polimeru. Stopniowe formowanie tkanki nast puje pomi dzy granulami BCP oraz na ich powierzchni. Wraz z pojawieniem si nowowytworzonej tkanki kostnej wzrasta wytrzyma o tego kompozytu. el MBCP TM stosuje si przede wszystkim w stomatologii, np. w leczeniu ubytków przyz bia, augmentacji zatoki szcz kowej, w celu zapobiegania utracie tkanki kostnej po usuni ciu z bów, a tak e w ortopedii m.in. w osteotomii ko ci piszczelowej oraz w stabilizacji kr gos upa szyjnego [3, 9]. Innym przyk adem jest samowi cy kompozyt IBS 2. Stanowi on po czenie granul BCP z silanizowanym hydro elem HPMC-Si. Zastosowany hydro el jest nietoksyczny, hydro lowy oraz wykazuje du lepko przed zmieszaniem z granulami fosforanowo-wapniowymi. Sieciowanie elu HPMC wp ywa na popraw jego zycznych w a ciwo ci. Ponadto HPMC jest efektywnym no nikiem leków. W wyniku uwodnienia HPMC powstaje elowa warstwa, przez któr w kontrolowany sposób przenikaj substancje lecznicze. Silanizowany hydro- el HPMC znajduje równie zastosowanie w in ynierii tkankowej; wytwarza si z niego pod o a do hodowli komórek oraz ró nicowania osteoblastów i chondrocytów [9, 10, 11]. W rekonstrukcji ko ci, po czenie bioceramiki z elem brynowym mo e prowadzi do synergii ich zycznych oraz mechanicznych w a ciwo ci. Zastosowanie kleju brynowego mo e tak e pozytywnie wp yn na parametry biologiczne kompozytów - w szczególno ci na angiogenez, przy czanie oraz proliferacj komórek. ele brynowe stosowane s w medycynie ze wzgl du na ich hemostatyczne, chemotaktyczne oraz mitogenne w a ciwo ci. W wyniku po czenia granul BCP z klejem brynowym otrzymuje si osteogenne materia y kompozytowe, które przyspieszaj tworzenie si nowej ko ci. Ponadto el ten korzystnie stabilizuje granule w miejscu implantacji [9, 12, 13]. Dotychczas w medycynie stosowano g ównie, jako materia y implantacyjne, same granule fosforanowo-wapniowe lub cementy CPCs. Celem niniejszych bada by o opracowanie, wytworzenie oraz ocena nowych materia ów kompozytowych stanowi cych po czenie niskoporowatych granul fosforanowo-wapniowych ze spoiwami typu cementowego na bazie siarczanu(vi) wapnia (CSH lub CSH+HA). Materia y kompozytowe zosta y poddane badaniom czasu wi zania, sk adu fazowego, porowato ci, mikrostruktury oraz wytrzyma o ci na ciskanie. W pracy zastosowano niskoporowate sferyczne granule fosforanowo wapniowe (HA, TCP, BCP), gdy zgodnie z doniesieniami literaturowymi maj one korzystny wp yw na formowanie ko ci [14]. 2. Materia y i metody bada Do wytworzenia niskoporowatych granul fosforanowowapniowych wykorzystano proszki HA oraz TCP otrzymane metod mokr w Laboratorium Bioceramicznym w Katedrze Technologii Ceramiki i Materia ów Ogniotrwa ych WI- MiC AGH [15]. Jako reagenty pos u y y CaO cz.d.a. (LOBA) oraz H 3 PO 4 cz.d.a. (CHEMPUR). Dwufazow ceramik BCP otrzymano z proszków HA i TCP zmieszanych w stosunku 3:2. Do formowania granul [16] u yto wodnego roztworu zawieraj cego 0,25% metylocelulozy i 0,3% Dolapixu. Granule wysuszono i wypalono w temperaturze 1250ºC, stosuj c post p temperatury 200 ºC/godz. i czas przetrzymywania w maksymalnej temperaturze równy 2 godziny, a nast pnie oddzielono frakcj ziarnow 0,3 0,5 mm, któr zastosowano do wytwarzania kompozytów. Do czenia granul zastosowano spoiwa oparte na siarczanie(vi) wapnia (CSH) i hydroksyapatycie. W badaniach wykorzystano proszek hydroksyapatytowy surowy (HA-1) oraz kalcynowany przez 2 godz. w temperaturze 800ºC (HA-2). Faz proszkow stanowi pó wodny siarczanu- (VI) wapnia lub mieszaniny proszku hydroksyapatytowego i CSH w stosunku 2:3. W badaniach wykorzystano pó wodny siarczan(vi) wapnia - Acros Organics. Do sporz dzania zaczynów wi cych zastosowano wod destylowan oraz 1% roztwór chitozanu (ALDRICH) w 0,3% roztworze kwasu octowego (POCH). Badaniami obj to 8 sk adów materia ów kompozytowych ró ni cych si mi dzy sob rodzajem zastosowanych granul (HA, TCP, BCP) oraz typem spoiwa cz cego granule (Tabela 1). Sk ad fazowy granul wyznaczono technik dyfrakcji rentgenowskiej przy pomocy dyfraktometru X Pert Pro (PANalytical) w zakresie k tów 2 od 20º do 80º. Ilo ciow analiz sk adu fazowego przeprowadzono stosuj c metod Rietvelda. Ocen w a ciwo ci wytworzonych materia ów kompozytowych dokonano w oparciu o badania pocz tkowego i ko cowego czasu wi zania (Aparat Gillmore a), pomiar porowato ci otwartej (porozymetr rt ciowy AutoPore IV 9500, Micromeritics), obserwacje mikroskopowe prze amów próbek wykonanych przy u yciu mikroskopu skaningowego (FEI Nova NanoSEM 200), zmierzenie wytrzyma o ci na ciskanie (Instron 3345) i obserwacje wizualne spójno- ci tych materia ów podczas inkubacji w wodzie destylowanej przez okres 4 tygodni. Tabela 1. Sk ady kompozytów na bazie niskoporowatych granul fosforanowo wapniowych i spoiw. Table 1. Composition of composite materials based on low-porous calcium phosphate granules and binders. Kompozyt Granule (G) Proszek (P) Faza ciek a (L) L/(P+G) [ml/g] T-1 HA-1/CSH Woda destylowana 0,29 T-2 HA-1/CSH Roztwór chitozanu 0,38 T-3 HA-2/CSH Woda destylowana 0,33 TCP T-4 HA-2/CSH Roztwór chitozanu 0,38 T-5 CSH Woda destylowana T-6 CSH Roztwór chitozanu H-1 HA CSH Roztwór chitozanu B-1 BCP CSH Roztwór chitozanu 3. Wyniki i dyskusja 0,31 Sk ad fazowy, porowato otwart oraz zakres wielko- ci porów granul fosforanowo-wapniowych zamieszczono w Tabeli 2. U yte do bada granule charakteryzuj si zbli- on porowato ci otwart (12% 15%) oraz wielko ci porów w zakresie od 0,02 m do 20 m. 356 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012)

3 MATERIA Y KOMPOZYTOWE NA BAZIE NISKOPOROWATYCH GRANUL FOSFORANOWO-WAPNIOWYCH DO ZASTOSOWA MEDYCZNYCH Tabela 2 Charakterystyka granul fosforanowo wapniowych. Table 2 Characteristics of calcium phosphate granules. Sk ad fazowy Granule (G) HA [% mas.] TCP [% mas.] TCP [% mas.] Porowato otwarta [%] HA 94,2 5,8 15 TCP 52,0 48,0 14 BCP 63,3 36,7 12 Zakres wielko ci porów [ m] 2,0 20,0 0,4 1,2 2,0 14,0 0,02 0,06 5,0 9,0 2,0 4,0 0,4 0,9 Tabela 3. W a ciwo ci kompozytów na bazie niskoporowatych granul fosforanowo wapniowych. Table 3. Properties of composites on the basis of low porous calcium phosphate granules. 1 Kompozyt Czas wi zania [min] Pocz tkowy Ko cowy Porowato otwarta [%] Zakres wielko ci porów [ m] 2 T ,4 0,8 0,01 0,03 T ,7 2,3 0,01 0,03 T ,3-0,5 T ,04-0,09 T a) 1 T ,5 1,7 H ,7 1,4 B ,4 1,3 Materia y kompozytowe wi za y w czasie od 2. minut (pocz tkowy czas wi zania) do 22. minut (ko cowy czas wi zania). Najkrótszym czasem wi zania, spo ród wszystkich przebadanych, charakteryzowa si kompozyt T-5; jego pocz tkowy czas wi zania wynosi t p = 2 minuty, a ko cowy t k = 3 minuty (Tabela 3). Tak krótki interwa wi zania jest niekorzystny w przypadku substytutu kostnego, gdy utrudnia jego prawid ow aplikacj do ubytku kostnego powoduj c nieszczelne wype nienie b d wykruszanie si przy próbie modelowania po implantacji. Zastosowanie roztworu chitozanu wyd u y o czas wi zania kompozytów, jednocze nie wp ywaj c korzystnie na konsystencj twardniej cych materia- ów (lepsza por czno chirurgiczna). Chitozan ze wzgl du na jego biozgodno, biodegradowalno, nietoksyczno, zjologiczn oboj tno oraz hemostatyczne i antybakteryjne w a ciwo ci korzystnie wp ywa na w a ciwo ci otrzymanych materia ów implantacyjnych [17]. Badania porozymetryczne wykaza y, e otrzymane materia y posiadaj porowato otwart od 33% do 45%, z jedno lub dwumodalnym rozmiarem porów z przedzia- u 0,01 2,3 m (Tabela 3). Brak du ych porów wskazuje na dobre pokrycie granul fosforanowo-wapniowych spoiwem. Obserwacje mikroskopowe potwierdzi y dobr przyczepno zastosowanego materia u wi cego do granul. Rys. 1. Zdj cie SEM (a) oraz EDS w punktach 1 i 2 ( prze amu próbki kompozytu na bazie granul TCP i CSH jako spoiwa przygotowanego z u yciem roztworu chitozanu (T-6). Fig. 1. SEM micrograph (a) and EDS analysis in points 1 and 2 ( of composite material based on TCP granules and CSH as binder prepared using chitosan solution (T-6). Na Rys. 1-3 przedstawiono obrazy SEM prze amów próbek T-6, H-1 oraz B-1 po zwi zaniu i stwardnieniu. Na zdj ciach SEM widoczne s granule fosforanowo-wapniowe, do których równomiernie i na ca ej powierzchni przylegaj dobrze wykszta cone kryszta y gipsu. Wytrzyma o na ciskanie wytworzonych kompozytów wynosi a od 6 MPa do 12 MPa, co stanowi warto porównywaln z wytrzyma o ci ko ci beleczkowej (2-12 MPa). Predysponuje to powy sze materia y do wype niania niewielkich ubytków ko ci [18]. Najwy sz wytrzyma o wykazywa- 2 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012) 357

4 A. ZIMA, Z. PASZKIEWICZ, D. SIEK, J. CZECHOWSKA, A. LÓSARCZYK biania. Wst pna kalcynacja proszku HA niekorzystnie oddzia ywa a na wytrzyma o nalnych zwi zanych i stwardnia ych materia ów oraz na ich spójno podczas 4-tygodniowej inkubacji w wodzie destylowanej. Próbki kompozytów wytworzonych na bazie granul TCP i spoiwa na opartego na siarczanie(vi) wapnia z dodatkiem hydroksyapatytu kalcynowanego przygotowanych z u yciem wody destylowanej ju po 2-tygodniowej inkubacji ulega y ca kowitej dezintegracji. Wprowadzenie do zarabiania zestawów typu cementowego roztworu chitozanu w miejsce wody destyloa) a) Rys. 2. Zdj cia SEM prze amów próbek kompozytu na bazie granul HA i CSH jako spoiwa przygotowanych z u yciem roztworu chitozanu (H-1): a) widok ogólny, szczegó y. Fig. 2. SEM micrographs of composite material based on HA granules and CSH as binder prepared using chitosan solution (H-1): a) general view, details. y preparaty, w których jako materia wi cy zastosowano siarczan(vi) wapnia zarabiany roztworem chitozanu (Rys. 4). Spójno badanych materia ów kompozytowych inkubowanych w wodzie destylowanej przez okres 4. tygodni oceniano na podstawie obserwacji wizualnej zmian powierzchni próbek. Najbardziej stabilne by y próbki kompozytów T-2, T-6, H-1 i B-1. Kalcynacja proszku hydroksyapatytowego mia a niekorzystny wp yw na spójno powsta ych kompozytów (T-3, T-4). Próbki, w których w spoiwie zastosowano proszki kalcynowane rozpada y si ju po 14. dniach przetrzymywania w wodzie destylowanej (Rys. 5). Rys. 3. Zdj cia SEM prze amów próbek kompozytu na bazie granul BCP i CSH jako spoiwa przygotowanych z u yciem roztworu chitozanu (B-1): a) widok ogólny, szczegó y. Fig. 3. SEM micrographs of composite material based on BCP granules and CSH as binder prepared using chitosan solution (B-1): a) general view, details. 4. Podsumowanie Rys. 4. Wytrzyma o na ciskanie badanych kompozytów. Fig. 4. Compressive strength of studied composites. Uzyskano nowy, kompozytowy, por czny chirurgicznie materia implantacyjny na bazie niskoporowatych granul fosforanowo-wapniowych, w którym jako materia wi - cy zastosowano siarczan(vi) wapnia, sam lub z dodatkiem proszku hydroksyapatytowego, zarabiany wod destylowan b d roztworem chitozanu. W wyniku przeprowadzonych bada stwierdzono, e na w a ciwo ci zyczne nowych substytutów kostnych (czas wi zania, mikrostruktura, wytrzyma o mechaniczna, podatno na dezintegracj w rodowisku wodnym) wp ywa y przede wszystkim: rodzaj zastosowanego spoiwa i odpowiedni dobór p ynu do zara- 358 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012)

5 MATERIA Y KOMPOZYTOWE NA BAZIE NISKOPOROWATYCH GRANUL FOSFORANOWO-WAPNIOWYCH DO ZASTOSOWA MEDYCZNYCH Literatura Rys. 5. Próbki kompozytów po 28. dniach inkubacji w wodzie destylowanej. Fig. 5. Composite samples after 28 days of incubation in distilled water. wanej okaza o si trafnym wyborem, gdy korzystnie wp ywa o na wytrzyma o opracowanych preparatów ko ciozast pczych, przy jednoczesnym zwi kszeniu ich por czno ci chirurgicznej. Wi ce in situ materia y z uwagi na korzystne czasy wi zania nadaj si do atwego i szczelnego wype niania ubytków kostnych, osi gaj c po stwardnieniu wytrzyma o na ciskanie do 12 MPa. Podzi kowanie Praca badawcza wspó nansowana ze rodków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Projekt nr:u- DA-POIG / [1] Ooms E.M., Wolke J.G.C., van der Waerden J.P.C.M., Jansen J.A.: J. Biomed. Mater. Res., 61, 1, (2002), 9. [2] Van Lieshout E.M.M, Van Kralingen G.H., El-Massoud Y., Weinans H., Patka P.: BMC Musculoskelet Disord., 12, 34, (2011), [3] Pietrzak W.S.: Humana Press, USA, (2008). [4] Mizuno M.: Advances in bioceramics and biocomposites II, John Wiley & Sons, New Jersey, (2007). [5] Detsch R., Mayr H., Ziegler G.: Acta Biomater., 4, 1, (2008), 139. [6] Ginebra M.P., Espanol M., Montufar E.B., Perez R.A., Mestres G.: Acta Biomater., 6, 8, (2010), [7] Santos C., Martins M.A., Franke R.P., Almeida M.M., Costa M.E.V.: Ceram. Int., 35, 4, (2009), [8] Belcarz A., Ginalska G., Zima A., Polkowska I., lósarczyk A., Szyszkowska A.: In ynieria Biomateria ów, 12, 88, (2009), 11. [9] Basu B., Katti D., Kumar A.: Advanced Biomaterials: Fundamentals, Processing and Applications, John Wiley & Sons, New Jersey, (2009). [10] Trojani C., Boukhechba F., Scimeca J.C., Vandenbos F., Michiels J.F., Daclusi G., Boileau P., Weiss P., Carle G.F., Rochet N.: Biomaterials, 27, 17, (2006), [11] Fahs A., Brogly M., Bistac S., Schmitt M.: Carbohyd. Polym., 80, 1, (2010), 105. [12] Le Nihouannen D., Le Guehennec L., Rouillon T., Pilet P., Bilban M., Layrolle P., Daclusi G.: Biomaterials, 27, 13, (2006), [13] Abiraman S., Varma H.K., Umashankar P.R., John A.: Biomaterials., 23, 14, (2002), [14] Ghanaati S., Barbeck M., Hilbig U., Hoffmann C., Unger R.E., Sader R.A., Peters F., Kirkpatrick C.J.: Acta Biomater.,13, (2011). [15] Patent nr P [16] Patent nr P [17] Kim I.Y., Seo S.J., Moon H.S., Yoo M.K., Park I.Y, Kim B.C., Cho C.S.: Biotechnology Advanced., 26, 1, (2008), 1. [18] Bartolo P.J.: Virtual and Rapid Manufacturing: Advanced Research in Virtual and Rapid, Taylor & Francis Group, London, (2007). Otrzymano 24 pa dziernika 2011, zaakceptowano 15 grudnia 2011 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012) 359