Akademia Górnicz-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakwie Wydział Inżynierii Materiałwej i Ceramiki Katedra Technlgii Ceramiki i Materiałów Ognitrwałych ANETA ZIMA R O Z P R A W A D O K T O R S K A Wpływ ddatków mdyfikujących na właściwści hydrksyapatytwych wielfunkcyjnych twrzyw implantacyjnych przeznacznych na nśniki leków Prf. dr hab. inż. ANNA KRAKÓW, 2007 Prmtr: ŚLÓSARCZYK
SPIS TREŚCI SPIS TREŚCI WPROWADZENIE... 5 WPROWADZENIE...5 I. PRZEGLĄD LITERATURY... 7 LITERATURY...7 1 Biceramika parta fsfrany wapnia...7 1.1 Fsfrany wapnia układ CaO-P2O5 raz CaO-P2O5-H2O...8 1.2 Hydrksyapatyt - Ca10(PO4)6(OH)2...10 1.2.1 Struktura hydrksyapatytu...12 1.2.2 Pdstawwe właściwści hydrksyapatytu...13 1.2.3 Mdyfikatry biceramiki hydrksyapatytwej...17 1.3 Ortfsfran (V) wapnia (TCP) - Ca3(PO4)2...20 1.3.1 Struktura TCP...21 1.3.2 Pdstawwe właściwści TCP...22 1.4 Zastswanie biceramiki HAp i TCP w medycynie...23 2 Prwate implanty hydrksypatytwe...28 2.1 Wpływ prwatści i rzmiaru prów na stegenezę w warunkach in vitr i in viv...29 2.2 Wpływ prwatści i rzmiaru prów na wytrzymałść mechaniczną implantów hydrksyapatytwych...31 2.3 Metdy trzymywania prwatych implantów ceramicznych...33 3 Kstne cementy fsfranw-wapniwe (cementy CaP)...36 3.1 Wymagania stawiane cementm kstnym...37 3.2 Zastswanie cementów fsfranw-wapniwych...40 4 Nśniki leków...43 4.1 Plimerwe nśniki leków...46 4.2 Pmpy jak nśniki leków...48 4.3 Ceramiczne nśniki leków...50 II. CEL I ZAKRES PRACY... 56 PRACY...56 III.... 58 DOŚWIADCZALNA...58 5 Opis metd pmiarwych...58 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 Badania rentgengraficzne...58 Pmiary pwierzchni właściwej (BET)...59 Badania stpnia zagęszczenia twrzyw...59 Badania przymetryczne...61 Badania wytrzymałści mechanicznej twrzyw...61 Badania mikrskpwe...63 Badania czasu wiązania cementów kstnych...63 Badania trwałści chemicznej twrzyw...64 Ocena bilgiczna twrzyw...64
SPIS TREŚCI 5.10 Badania kinetyki uwalniania leków z układów hm i hetergenicznych nśników w warunkach in vitr...66 ETAP I - Mikrprwate spieki mdyfikwanej biceramiki hydrksyapatytwej... 67 hydrksyapatytwej...67 6 Charakterystyka surwców wyjściwych...67 6.1 Otrzymywanie prszku hydrksyapatytweg...67 6.2 Charakterystyka wyjściweg prszku HAp...67 6.3 Ddatki mdyfikujące ceramikę HAp...70 7 Przygtwanie próbek d badań...71 7.1 Przygtwanie próbek d badań bilgicznych w warunkach in vitr...72 7.2 Przygtwanie próbek d badań uwalniania leków w warunkach in vitr...72 8 Wyniki I etapu badań i ich mówienie...73 8.1 Wpływ ddatków mdyfikatrów na gęstść wyprasek w stanie surwym...73 8.2 Wyniki badań stpnia zagęszczenia spieków...74 8.3 Wyniki badań przymetrycznych...78 8.4 Wyniki badań wytrzymałści mechanicznej twrzyw...81 8.5 Wyniki badań składu fazweg...84 8.6 Wyniki badań mikrstruktury...90 8.7 Wyniki ceny bilgicznej spieków...98 8.8 Wyniki badań kinetyki uwalniania leków z układu hetergeniczneg w warunkach in vitr...104 ETAP II - Cementy fsfranw-wapniwe (CaP)... 110 (CaP)...110 9 Charakterystyka surwców wyjściwych...110 9.1 Ortfsfran (V) wapnia Ca3(PO4)2 - αtcp...110 9.2 Hydrksyapatyt Ca10(PO4)6(OH)2 - HAp...114 9.3 Płyn wiążący...114 10 Przygtwanie badań 115 próbek cementów CaP d 10.1 Przygtwanie próbek d badań uwalniania leku w warunkach in vitr...115 11 Wyniki II etapu badań i ich mówienie...117 11.1 11.2 11.3 11.4 Wyniki pmiarów czasu wiązania...117 Wyniki badań składu fazweg...118 Wyniki badań mikrstruktury...124 Wyniki badań wytrzymałści mechanicznej cementów kstnych...125 11.5 Wyniki badań trwałści chemicznej pracwanych cementów kstnych...127
SPIS TREŚCI 11.6 Wyniki badań kinetyki uwalniania PTX z układu hmgeniczneg w warunkach in vitr...129 12 Pdsumwanie...132 13 Wniski...134 Literatura:... 136 Literatura:...136
WPROWADZENIE WPROWADZENIE Twrzywa ceramiczne z grupy materiałów zaawanswanych budzą zaintereswanie i znajdują craz szersze zastswanie w różnych dziedzinach nauki, techniki, a także życia cdzienneg. Niewątpliwie d tej grupy należy zaliczyć ceramikę partą fsfrany wapnia (CaP). Znane są unikatwe właściwści bilgiczne twrzyw takich jak hydrksyapatyt (HAp) i rtfsfran (V) wapnia (TCP), które umżliwiły ich wykrzystanie w medycynie implantacyjnej w substytucji kści. Długtrwały kres stswania syntetyczneg hydrksyapatytu jak wypełniacza ubytków kstnych ptwierdził bardz dbrą bizgdnść raz biaktywnść teg twrzywa. Jeg krzystne właściwści stekndukcyjne wpływają na szybszy zrst kstny raz stanwią wytwrzeniu silneg płączenia z kścią. Złącze bilgiczne w przypadku prwatej biceramiki HAp jest wspmagane, dzięki biaktywnści teg materiału, wytwrzeniem się wiązania chemiczneg na granicy implant/kść. Ze względu na niską wytrzymałść mechaniczną wyknane z nieg implanty mają niestety graniczny zakres zastswań. Obecnie ceramikę HAp w aplikacjach medycznych stsuje się jedynie w miejscach nie przenszących znacznych bciążeń mechanicznych raz jak pkrycia na implantach metalicznych. W związku z tym jeden nurt prwadznych szerk w świecie badań zmierza w kierunku wykrzystania fsfranów wapnia jak składników kmpzytów, znacznie lepszych w stsunku d snwy właściwściach wytrzymałściwych. Drugi - ma na celu pracwanie spsbów takiej mdyfikacji twrzywa HAp, która pszerzyłaby zakres jeg dtychczaswych zastswań. Oba kierunki zakładają utrzymanie wyskiej bizgdnści i biaktywnści uzyskanych materiałów implantacyjnych nwej generacji. Jednym z celów tych badań jest zastswanie hydrksyapatytu d wytwarzania implantów wielfunkcyjnych. Implanty takie p wszczepieniu d żyweg rganizmu mgą pełnić równcześnie funkcję wypełniacza ubytku kstneg stanwiąceg rusztwanie, na którym dbudwuje się kść raz dstarczać miejscw substancje lecznicze w dpwiedniej dawce i przy kreślnej szybkści ich uwalniania się d tczenia. W przypadku tkanki kstnej, która jest słab ukrwina, leczenie knwencjnalne takich chrób jak chrniczne stany zapalne kści, rak kści, zapalenie szpiku kstneg czy steprza nie zawsze gwarantuje pmyślny efekt terapeutyczny. Stswanie dużych dawek leków, głównie antybityków i leków przeciwnwtwrwych,
WPROWADZENIE przez dłuższy czas mże prwadzić d niedwracalnych zmian w rganizmie żywym, częst skutkując słabieniem układu immunlgiczneg raz uszkdzeniem rganów wewnętrznych, w tym zwłaszcza wątrby. Dlateg też w przypadku tkanki kstnej dcelwe pdanie leku stanwi częst skutecznści jej leczenia. Dużym prblemem są również zakażenia kści pwstałe w trakcie zabiegów chirurgicznych na skutek słabienia immunlgiczneg perwaneg miejsca lub wywłane niskim stpniem sterylnści. Wprwadzenie implantów kstnych wraz z antybitykami pzwala graniczyć twrzenie się stanów zapalnych wywłanych najczęściej przez bakterie, a także znacznie bniżyć kszty późniejszeg ewentualneg leczenia np. pprzez pdanie dsystemwe. Nwy kierunek badań nad bimateriałami będącymi nśnikami różneg rdzaju substancji leczniczych pciąga za sbą rzwój badań w kierunku leków nwej generacji. Materiałm przeznacznym na nśniki leków stawiane są ściśle kreślne wymagania w zakresie prwatści twartej, całkwitej, wielkści i kształtu prów raz dpwiedniej wytrzymałści mechanicznej. Wymagany jest system prów twartych, który pzwala na pwlne uwalnianie d taczających tkanek zainkrprwanej w nśniku substancji. Szybkść uwalniania i ilść uwlnineg leku zależą głównie d technlgii prdukcji i wynikających stąd fizycznych właściwści bimateriału, spsbu umiejscwienia leku w implancie (układ hm- lub hetergeniczny), a także d rdzaju umieszcznej w nim substancji leczniczej i jej właściwści fizykchemicznych. Biceramiczne materiały implantacyjne dpwiedni zaprjektwanej mikrstrukturze mgą również znaleźć zastswanie w inżynierii tkankwej jak pdłża d hdwli kmórek i tkanek, bądź stanwić pdłża dla substancji czynnych takich jak np. czynniki wzrstu. Prwadzenie badań nad wielfunkcyjnymi materiałami implantacyjnymi wydaje się być zasadne ze względu na mżliwść pszerzenia funkcji jaką mgą spełniać bimateriały wykrzystywane w substytucji kści. Efekty tych badań, pprzez zapewnienie dstępnści craz t lepszych materiałów, mgą wpłynąć na pdniesienie skutecznści terapii raz kmfrtu leczenia i życia pacjentów. Zaprjektwanie i trzymanie ceramiki fsfranw-wapniwej załżnej mikrstrukturze, zwłaszcza kreślnej wielkści i kształcie prów raz dpwiedniej wytrzymałści mechanicznej, z przeznaczeniem na implanty wielfunkcyjne mgące służyć jak ptencjalne nśniki leków, stanwi główny cel tej pracy.
PRZEGLĄD LITERATURY I. PRZEGLĄD LITERATURY 1 Biceramika parta fsfrany wapnia Biceramika hydrksyapatytwa HAp Ca10(PO4)6(OH)2 raz whitlckitwa βtcp βca3(po4)2 d wielu już lat zajmują pzycję dminującą wśród nwczesnych materiałów implantacyjnych przeznacznych d substytucji kści. Materiały te kreślane w skrócie CaP wykazują największą bitlerancję ze wszystkich rdzajów twrzyw służących d wytwarzania implantów raz są bilgicznie aktywne[1,2]. Hydrksyapatyt jest głównym składnikiem substancji nierganicznej z której zbudwane jest szkliw zębwe, zębina raz kści kręgwców. Również szkielety niektórych mrskich bezkręgwców p dpwiedniej bróbce hydrtermalnej pdlegają transfrmacji w hydrksyapatyt (Rys.1). Apatyt kstny (bne apatite) stanwi kł 60-70% masy kści, a jeg zawartść zmienia się w zależnści d rdzaju kści, a także wieku, spsbu dżywiania i aktywnści fizycznej człwieka. W rganizmie żywym HAp ulega ciągłym prcesm rzpuszczania, rekrystalizacji, hydrlizy. W sieci teg związku stwierdza się becnść licznych pdstawień izmrficznych. a b c Rys.1 Rys.1 Mikrstruktura naturalnych preparatów hydrksyapatytwych[3,4]: a) hydrksyapatyt uzyskany z mrskich bezkręgwców, b) kść ludzka, c) Bi-Oss - naturalny hydrksyapatyt kstny (na bazie kści zwierzęcych). Wielletnie badania nad twrzywami CaP ptwierdziły ich krzystne ddziaływanie z tkanką kstną. Dzięki wyskiej biaktywnści mżliwe jest ich łączenie z naturalną kścią bezpśredni, bez pwstania miękkiej tczki
PRZEGLĄD LITERATURY kłimplantwej jak warstwy pśredniej. Zesplenie t ma charakter wiązania chemiczneg krzystnie wpływająceg na trwałść płączenia na granicy implant-kść[5]. Twrzenie się wiązania pmiędzy wszczepem a kścią przebiega pprzez częściwe rzpuszczanie pwierzchni biceramiki (rzpuszczanie chemiczne i bilgiczne pd wpływem hrmnów, enzymów i kmórek kścigubnych - steklastów), a następnie wytrącanie na granicy implant-kść apatytu węglanweg[6]. Czas ptrzebny na całkwite płączenie implantów HAp z kścią zależy d ich wielkści i wynsi d 0,5 d 1 rku[7,8]. P zakńczeniu prcesu wgajania nie jest mżliwe ddzielenie materiału implantacyjneg d kści bez uszkdzenia naturalnej tkanki kstnej. Ważnym czynnikiem ułatwiającym dbre płączenie i stabilizację wszczepu jest jeg prwatść twarta, umżliwiająca penetrację tkanki kstnej d wnętrza implantu. Biaktywne wszczepy nie ulegają łatwemu bluzwaniu i nie wymagają specjalnych stabilizacyjnych zamcwań, ani też stswania cementów kstnych. Isttny wpływ na wiązanie biceramiki partej fsfrany wapnia z kścią ma stsunek mlwy Ca/P. Od nieg zależy rzpuszczalnść, resrpcja, a więc i jakść płączenia implantów z tkanką kstną. W przypadku twrzyw stsunku Ca/P pniżej wartści 1,3 p implantacji nie bserwuje się w żadnym miejscu kntaktu z kścią. Przy Ca/P=1,3 występuje tzw. kntakt punktwy (ale nie pwierzchniwy), zaś kntakt z kścią zaczyna się dpier pjawiać przy stsunku mlwym Ca/P=1,4 i wzrasta wraz z tym stsunkiem. Gdy Ca/P mieści się w zakresie 1,67 d 2,0 bserwwany jest ścisły kntakt z nwpwstałą kścią na 3/4 d 7/8 pwierzchni implantów[9]. Równie ważną zaletą biceramiki, w prównaniu z innymi materiałami implantacyjnymi, jest jej duża i długtrwała stabilnść w tkance żywej, brak działania cyttksyczneg, raktwórczeg, drażniąceg czy alergizujaceg. Pnadt wyska czystść chemiczna, niezmiennść w czasie sterylizacji, jak również mżliwść uzyskania implantów w różnych frmach (gęste, prwate, granule), stanwią szerkim zastswaniu ceramiki hydrksyapatytwej i whitlckitwej w wielu dziedzinach medycyny, a zwłaszcza w: rtpedii, chirurgii twarz-czaszki, traumatlgii, stmatlgii. 1.1Fsfrany wapnia układ CaO-P2O5 raz CaO-P2O5-H2O Ortfsfrany wapnia są slami trójzasadweg kwasu rtfsfrweg H3PO4, w większści słab rzpuszczalnymi w wdzie (niektóre są praktycznie nierzpuszczalne), natmiast wszystkie rzpuszczają się w kwasach. Stanwią
PRZEGLĄD LITERATURY związki, w których becne są jny: PO43 i HPO42 (występujące w minerałach budujących kści i zęby raz tkankach patlgicznie zwapniałych) raz H2PO4 (pwstające wyłącznie w śrdwisku kwaśnym). Niektóre rtfsfrany wapnia są uwdnine i twrzą rdzinę zasadwych fsfranów wapnia zawierających jny OH. W Tab.1 przedstawine zstały cztery syntetyczne fsfrany wapnia z układu fazweg CaO-P2O5, spśród nich najczęściej wykrzystywanym jest TCP. W układzie CaO-P2O5-H2O istnieje wiele fsfranów wapnia, będących częst metastabilnymi fazami, które przez dpwiednią bróbkę cieplną mgą występwać w danym materiale przez wiele lat na skutek zahamwania kinetyczneg przemiany fazy metastabilnej w trwałą[10]. W śrdwisku wdnym, przy ph pwyżej 6,3 jedyną stabilną termdynamicznie fazą pzstaje hydrksyapatyt[11]. W Tab.2 wymienin wszystkie, interesujące z punktu widzenia medycyny, związki występujące w tym układzie. Tylk hydrksyapatyt i TCP w becnej chwili są szerk stswane jak materiały implantacyjne, pzstałe zaś są w fazie badań bądź też służą jak surwce d prdukcji hydrksyapatytu lub TCP[12]. 12] Tab.1. Tab.1 Fsfrany wapnia w układzie CaO-P2O5[12] Oznaczenie skrótwe CP C2P Nazwa związku metafsfran (V) wapnia (calcium metaphsphate) pirfsfran (V) wapnia (dicalcium phsphate) Nazwa mineralgiczna Wzór chemiczny Stsunek mlwy Ca/P - Ca(PO3)2 0,5 - Ca2P2O7 1,0 Ca3(PO4)2 1,5 Ca4(PO4)2O 2,0 C3P rtfsfran (V) wapnia whitlckit TCP (tricalcium phsphate) (dmiana β) C4P dziewięcitlenek dwufsfru (V) i TetraCP czterwapnia TTCP (tetracalcium phsphate) hilgenstckit
PRZEGLĄD LITERATURY 12] Tab.2. Tab.2 Fsfrany wapnia w układzie CaO-P2O5-H2O[12] Oznaczenie skrótwe Nazwa związku Nazwa mineralgiczna Wzór chemiczny Stsunek mlwy Ca/P MCPA dwuwdrfsfran (V) wapnia (mncalcium phsphate anhydrus) - Ca(H2PO4)2 0,5 MCPM 1-hydrat dwuwdrfsfranu (V) wapnia (mncalcium phsphate mnhydrate) - Ca(H2PO4)2 H2O 0,5 DCPD 2-hydrat jednfsfranu (V) wapnia (dicalcium phsphate dihydrate) bruszyt CaHPO4 2H2O 1,0 DCPA jednwdrfsfran (V) wapnia (dicalcium phsphate anhydrus) mnetyt CaHPO4 1,0 OCP 5-hydrat sześcirtfsfranu (V) śmiwapnia i dwuwdrku (ctcalcium phsphate) - Ca8H2(PO4)6 5H2O 1,333 HAp, OHAp, HA sześcirtfsfran (V) dwuwdrtlenek dziesięciwapnia hydrksyapatyt (hydrxyapatite, hydrxylapatite) apatyt hydrksylwy Ca10(PO4)6 (OH)2 1,667 1.2Hydrksyapatyt - Ca10(PO4)6(OH)2 Rzróżnia się HAp mineralgiczny, bilgiczny raz syntetyczny. HAp mineralgiczny Z punktu widzenia mineralgiczneg hydrksyapatyt należy d grupy minerałów apatytwych. Nazwa apatyt pchdzi z języka greckieg i znacza szustw, trik. Nadana zstała w 1790 rku przez Wernera z pwdu trudnści jakie te minerały przysparzały ówczesnym badaczm. Najczęściej były ne identyfikwane z turmalinem, berylem bądź liwinem[13]. Apatyty występują w przyrdzie jak składniki skał metamrficznych i sadwych, częst zwłaszcza w skałach pchdzenia wulkaniczneg[14]. HAp bilgiczny Apatyty bilgiczne występują głównie w kściach, zębach i tkankach patlgicznie zwapniałych takich jak: kamienie nerkwe, pęcherzwe, mczwdwe, żółciwe, migdałkwe[15]. Występują również w kamieniach
PRZEGLĄD LITERATURY śliniankwych i mózgwych. Apatyty bilgiczne zbudwane są z hydrksyapatytu zawierająceg małe ilści fluru, magnezu i sdu raz jnów węglanwych i cytrynianwych. HAp syntetyczny Hydrksyapatyt jest rtfsfranem wapnia stsunku mlwym Ca/P równym 1,667 zawierającym grupy wdrtlenwe (OH ). Ze względu na złżnść chemii hydrksyapatytu, na skutek występwania w jeg strukturze różnrdnych pdstawień izmrficznych, s-hap stechimetryczneg wyróżnia bk się hydrksyapatytu także hydrksyapatyt niestechimetryczny ns-hap. s-hap - pjęcie t znacza związek składzie chemicznym dpwiadającym idealnie stechimetrii związku Ca10(PO4)6(OH)2. ns-hap kreślenie t dnsi się d grupy związków nie zawierających CO32, których analiza chemiczna wykazuje dejście d składu stechimetryczneg. Związki te mgą zawierać wdę sieciwą, jny HPO42, Ca2+ i/lub 2OH zastąpine przez O2. Jeżeli stsunek mlwy Ca/P jest zawarty w zakresie 1,50-1,66 mamy d czynienia z tzw. hydrksyapatytem z niedbrem wapnia Ca-def. HAp (calcium-deficient apatites). Analgicznie apatyty stsunku mlwym Ca/P pwyżej 1,667 nazywane są apatytami z nadmiarem wapnia (calcium-rich apatites)[16]. Istnieje również pjęcie apatytu węglanweg (CO3Ap lub CHAp), które dnsi się d każdeg apatytu zawierająceg w swym składzie jny CO 32. Jeżeli jny CO32 zastępują grupy OH t jest t tzw. apatyt węglanwy typu A (A-CO3Ap), natmiast gdy pdstawiają jny PO42 - t jest t apatyt węglanwy typu B (B-CO3Ap). Ten statni występuje w układach bilgicznych[17]. Hydrksyapatytwe materiały implantacyjne Mżna wyróżnić następujące rdzaje wszczepów przeznacznych d wypełnienia ubytków kści[18]: 1. Wszczepy autgenne tkanka kstna pacjenta pbierana najczęściej z talerza bidrweg, kści udwej i piszczelwej. 2. Wszczepy allgenne: a) hmgenne - tkanki pbierane ze zwłk lub pzyskiwane d dawców (np. sterylizwana kść gąbczasta i szpik).
PRZEGLĄD LITERATURY b) ksengenne (dzwierzęce) wszczepy będące dpwiedni przygtwaną bydlęcą tkanką kstną (np. kść lifilizwana). 3. Wszczepy allplastyczne hydrksyapatyt syntetyczny, kral naturalny, βtcp, materiały akrylanwe, włókniste materiały węglanwe, biszkła. Bimateriały hydrksyapatytwe mgą być syntetyczne lub wywdzić się ze źródeł naturalnych (pchdząca z banków kści kść ludzka, lifilizwana lub termicznie bądź chemicznie spreparwana kść zwierzęca - głównie włwa, hydrksyapatyt uzyskiwany z mrskich bezkręgwców). Z uwagi na niebezpieczeństw przenszenia pewnych chrób takich jak: AIDS, chrba Creutzfeldta-Jacba, żółtaczka, znaczenie materiałów zastępujących kść pchdzenia naturalneg (pza wszczepami autgennymi) w statnich latach znacząc zmalał. 1.2.1Struktura hydrksyapatytu Hydrksyapatyt stechimetryczny krystalizuje w układzie jednskśnym. Symetria jeg sieci krystalicznej pisana jest grupą przestrzenną P21b. Stałe sieciwe wynszą: a = 0,94214(8) nm, b = 2a, c = 0,68814(7) nm, γ = 120º. Jednskśny hydrksyapatyt jest rzadkścią, bwiem już niewielkie dstępstwa d stechimetrii pwdują pwstanie struktury heksagnalnej, z którą sptykamy się w praktyce[19]. Hydrksyapatyt bilgiczny, syntetyczny, krystalizuje w pdbnie układzie jak i mineralgiczny heksagnalnym w grupie raz P63/m. Parametry kmórki elementarnej wg różnych źródeł wynszą dpwiedni: a = 0,9423 nm, c = 0,6875 nm [2] a = 0,9421 nm, c = 0,6880 nm [11] a = 0,9418 nm, c = 0,6881 nm [16] a = 0,9438 nm, c = 0,6881 nm [20] Kmórka elementarna hydrksyapatytu przedstawina na Rys.2 składa się z atmów Ca, P, O i H. Fsfr twrzy z tlenem grupy PO 43, zaś wdór grupy hydrksylwe OH. Spśród 14 atmów wapnia, w zależnści d najbliższeg tczenia, sześć zajmuje pzycje Ca(II) twrząc dwa trójkątne ugrupwania w pzycjach z=0,25 i z=0,75, które usytuwane są prstpadle d si c i
PRZEGLĄD LITERATURY wzajemnie względem siebie przesunięte 60º. Ugrupwania te przynależne są wyłącznie d danej kmórki. Pzstałe siem atmów wapnia jest dzielnych pmiędzy kmórki tak, że tylk cztery należą d pjedynczej kmórki i zajmują pzycje kreślane jak Ca(I), p dwa są umiejscwine w płżeniach z = 0,00 raz z = 0,50. W strukturze hydrksyapatytu grupy OH nie są płżne w płaszczyźnie trójkątów utwrznych przez wapń, ale są przesunięte pwyżej lub pniżej płaszczyzny tych trójkątów. Atmy fsfru wraz z taczającymi je czterema atmami tlenu, twrzą niemalże regularne, nieznacznie tylk skręcne tetraedry PO43 [21]. 22] Rys.2. Rys.2 Kmórka elementarna hydrksyapatytu[22] Apatyt węglanwy wykazuje symetrię pseudheksagnalną. W zależnści d typu pdstawień A lub B zmieniają się parametry sieciwe a i c jeg kmórki elementarnej. Apatyty węglanwe typu A psiadają większą w stsunku d OH grupę CO32, przez c charakteryzują się większymi wartściami a i mniejszymi c. Odwrtnie jest w przypadku apatytu węglanweg typu B, gdzie mniejsza grupa CO32 pdstawia większy tetraedr PO43. Z uwagi na rzmiary jnów pdstawienia teg typu wywłują skurcz w kierunku si a raz wzrst wymiarów w kierunku si c[23,24]. 1.2.2Pdstawwe właściwści hydrksyapatytu Skład chemiczny hydrksyapatytu w przeliczeniu na tlenki przedstawia się następując: CaO - 55,8% mas. P2O5-42,4% mas. H2O - 1,8% mas.
PRZEGLĄD LITERATURY Gęstść rentgengraficzna hydrksyapatytu wynsi 3,156 g/cm3, przy czym bezpśredni p bróbce cieplnej siąga wartść 3,12 g/cm 3, na skutek utraty pdczas spiekania 2/3 ilści wdy wchdzącej w skład jeg struktury. Współczynniki załamania światła hydrksyapatytu wynszą: nω=1,651, nε=1,644. Odpwiada mu twardść 5 w skali Mhsa. Struktura hydrksypatytu wykazuje dużą zdlnść d pdstawień izmrficznych, zarówn w pdsieci katinwej jak i aninwej, których becnść wpływa na stechimetrię, krystalicznść raz stabilnść termiczną, chemiczną i bilgiczną związku. Mżliwe są następujące pdstawienia: Ca2+ H+, Na+, K+, L+, Mg2+, Pb2+, Ba2+,Hg2+, Cd2+, Sr2+, Al3+, Cr3+, Fe3+, Mn2+, Sn2+, PO42 CO32 (typ B CHAp), SO32, AsO43, VO43, P2O74, HPO42, jn cytrynianwy, OH F-, Cl-, CO32- (typ A CHAp). Niebezpieczne dla zdrwia są pdstawienia jnów metali ciężkich takich jak łów, kadm, strnt czy bar. Mgą ne prwadzić d patlgicznych zmian w układzie kstnym, a w knsekwencji d ciężkich chrób. Rzpuszczalnść hydrksyapatytu zależy d ph, rdzaju rzpuszczalnika, temperatury, stsunku mlweg Ca/P, becnści w rztwrze innych substancji (np. enzymów, aminkwasów, prtein) raz pdstawień w sieci krystalicznej. HAp źle rzpuszcza się w wdzie, a uzyskany rztwór wykazuje dczyn słab alkaliczny ph 8. Wartść pks dla stechimetryczneg hydrksyapatytu w temperaturze 25ºC wynsi 57,5. Maksymalną rzpuszczalnść wykazuje HAp w temperaturze 16ºC. Pwyżej tej temperatury jeg rzpuszczalnść maleje. W śrdwisku żyweg rganizmu HAp jest uważany za bimateriał praktycznie nierzpuszczalny. Średni współczynnik rzszerzalnści cieplnej hydrksyapatytu wynsi 11,6 10-6K-1. Jest dielektrykiem, tteż wyknane z nieg implanty nie zaburzają w rganizmie transprtu sygnałów elektrycznych raz nie nagrzewają się w trakcie zabiegów fizykterapeutycznych. Psiada silne właściwści srpcyjne w stsunku d kwasów tłuszczwych, śliny, lipidów i szeregu innych substancji. Mże być wykrzystany d rzdzielania substancji rganicznych np. w prcesach czyszczania lei, alkhli i innych śrdków spżywczych.
PRZEGLĄD LITERATURY Rzkład termiczny hydrksyapatytu zależy d frmuły chemicznej związku, becnści niewielkich ddatków innych substancji raz ciśnienia cząstkweg pary wdnej. Stechimetryczny HAp w czasie grzewania wykazuje stabilnść termiczną d temperatury 1430ºC, pwyżej której rzkłada się d α TCP i TTCP (Ca4P2O9). W przypadku hydrksyapatytu niestechimetryczneg rzkład zachdzi w temperaturach pniżej 1000ºC, a prdukty teg rzkładu są różne, w zależnści d stsunku mlweg Ca/P wyjściweg prszku. W Tab.3 przedstawin rdzaj faz krystalicznych pwstających przy grzewaniu sadów fsfranów wapnia różnym stsunku mlwym Ca/P. Tab.3 Tab.3 Fazy krystaliczne pwstałe w wyniku grzewania fsfranów wapnia 25,26, 26,27, 27,28] 28] różnym stsunku mlwym Ca/P[25,. Stsunek mlwy Ca/P Fazy krystaliczne 1,0 DCP >1,0 - <1,5 DCP + TCP 1,5 TCP >1,5 - <1,67 TCP + HAp 1,67 HAp HAp + TTCP gdy T > 1340ºC >1,67 - <2,0 HAp + CaO gdy T < 1340ºC 2,0 TTCP gdzie: DCP-Ca2P2O7, TCP-Ca3(PO4)2, TTCP-Ca4P2O9, HAp-Ca10(PO4)6(OH)2, T-temperatura. Prces dehydrksyalacji knstytucyjnej z hydrksyapatytu zachwaniem struktury plega związku. na Wraz utracie ze wdy wzrstem temperatury HAp traci w spsób dwracalny grupy hydrksylwe OH i przechdzi stpniw w ksyapatyt Ca10(PO4)6O (OAp). Dehydrksylacja ta nie zachdzi w spsób nagły, ale dbywa się w szerkim zakresie temperatur i zależy przede wszystkim d ciśnienia parcjalneg pary wdnej. Pdczas grzewania w strumieniu pary wdnej struktura materiału pzstaje nienaruszna d 1100ºC, a przy grzewaniu w próżni hydrksyapatyt traci wdę już w temperaturze 850ºC[29]. Prces dehydrksylacji hydrksyapatytu przebiega intensywnie w zakresie temperatur 1000-1360ºC[30]. Jeg dwuetapwy przebieg mżna w tym przedziale temperaturwym prześledzić w parciu następujące reakcje:
PRZEGLĄD LITERATURY ETAP I Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx ם x + xh2o Hydrksyapatyt (0) Oksyhydrksyapatyt gdzie: ם - znacza wakancję ETAP II Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx ם x Ca10(PO4)6O + (1-x)H2O Oksyhydrksyapatyt (0) Oksyapatyt Przy dalszym grzewaniu d 1400-1430ºC ksyapatyt ulega rzkładwi d TCP i TTCP zgdnie z reakcją dpwiadającą etapwi III: ETAP III Ca10(PO4)6O 2Ca3(PO4)2 + Ca4(PO4)2O Oksyapatyt TCP (0) TTCP Twrzyw hydrksyapatytwe jest klasycznym kruchym materiałem ceramicznym niskich wartściach mdułu Weibulla (5-18) raz niskiej wartści współczynnika KIC (0,6-1,2 MPa m1/2)[31,32]. Energia pękania spieków hydrksyapatytwych wynsi 3-7 J/m2, c stanwi kł 1/100 energii pękania kści zbitej. Bimateriały mające zastąpić tkankę kstną pwinny mieć trzykrtnie większą wytrzymałść na ściskanie, kł 2-3 razy większą wytrzymałść na zginanie w stsunku d kści zbitej raz mduł Yunga zbliżny d naturalnej kści. O ile wytrzymałść na ściskanie gęsteg twrzywa hydrksyapatytweg jest właściwa, t pzstałe wymgi dnśnie parametrów wytrzymałściwych w przypadku ceramiki HAp są niewystarczające. Zbyt wyski mduł Yunga, dchdzący nawet d 120 GPa, wraz ze skłnnścią d rzwju pęknięć w warunkach wilgtnych sugerują niską niezawdnść implantów HAp. Negatywnym skutkiem niedpaswania właściwści sprężystych jest niszczenie tkanki kstnej bądź pękanie implantu w bszarze międzyfazwym kść-implant[33]. Z teg właśnie względu biceramika hydrksyapatytwa, pmim swej wyskiej bizgdnści i biaktywnści, ma graniczne mżliwści stswania jak materiał implantacyjny. Obecnie wykrzystywana jest w substytucji kści w miejscach, w których ewentualne jej zniszczenie nie pciąga za sbą bezpśrednieg zagrżenia dla zdrwia pacjenta. W miejscach bciążnych stsuje się ją jedynie jak pkrycia na implantach metalicznych lub węglwych, w celu
PRZEGLĄD LITERATURY pprawy ich bizgdnści[34,35]. W Tab.4 zestawin ważniejsze właściwści mechaniczne twrzywa hydrksyapatytweg gęsteg i prwateg, kści, zębiny raz szkliwa zębweg. Tab.4 Tab.4 Właściwści mechaniczne twrzywa hydrksyapatytweg w prównaniu 12,25, 25,31, 31,32, 32,36] 36] z kścią, zębiną i szkliwem zębwym[12,. TWORZYWO WŁAŚCIWOŚCI Wytrzymałść na zginanie [MPa] Wytrzymałść na ściskanie [MPa] Wytrzymałść na rzciąganie [MPa] Mduł Yunga [GPa] Gęste twrzyw HAp 40-300 38-250 113-196 200-1000 300-900 120-900 308-509 Prwate twrzyw HAp Kść zbita Kść gąbczasta Zębina Szkliw zębwe 2-11 160 160-180 15,8 245-268 76 2-100 170-193(r) 133 (p) 1,9-7,0 300-380 250-350 295 50-60 21-53 51,7 15-20 12 18,2 250-550 95-370 384 10-70 10 10,3 10-90 131 82,4 40-300 38-300 3 80-120 35-120 34,5-112 - Krytyczna wartść 0,6-1,0 współczynnika 0,8-1,2 intensywnści 0,69-1,1 naprężeń KIC [MPa m1/2] Twardść 3,0-7,0 Vickersa 5,2-6,5 [GPa] mnkryształy HAp (r) kierunek równległy d si kści (p) kierunek prstpadły d si kści 60-160 124-174(r) 49(p) 3-30 17-19 15,8-0,18-0,33 2-12 - - - - - - - 1.2.3Mdyfikatry biceramiki hydrksyapatytwej Ddatki mdyfikujące wprwadzane d twrzywa HAp nie pwinny zmniejszać jeg biaktywnści, bizgdnści raz pwdwać rzkładu termiczneg, w wyniku któreg mgłyby się pjawić niepżądane fazy. Wprwadzane d biceramiki hydrksyapatytwej służą jak: - mdyfikatry struktury (pdstawienia w pdsieci katinwej i aninwej raz jak jny międzywęzłwe), - ddatki ułatwiające spiekanie, - ddatki prtwórcze,
PRZEGLĄD LITERATURY - ddatki przybliżające HAp syntetyczny d naturalneg. Częst są ne dbierane pd kątem becnści twrzących je pierwiastków w tkankach twardych tzn. kściach i zębach, bądź uwzględniając ich niską temperaturę tpnienia - są źródłem fazy ciekłej pdczas spiekania. Faza nierganiczna becna w tkankach twardych zawiera głównie wapń i fsfr raz pewne ilści Mg2+, Na+, K+, CO32, F, Cl, wdy raz śladwe ilści innych pierwiastków. Wszystkie te jny, jeśli becne są w implantach w dpwiednich ilściach, pwinny być dbrze tlerwane przez taczające tkanki[19]. Pdstawienia w sieci HAp wpływają na zmianę parametrów sieciwych, krystalicznść, stechimetrię związku, stabilnść termiczną, a także chemiczną (zwłaszcza na rzpuszczalnść w kwasach) raz bilgiczną. Mechanizm przebiegu i zakres pdstawień zależą d rdzaju i ilści wprwadznych ddatków raz warunków, w których zachdzi ten prces. Wbudwywanie się np. jnów Mg2+ w strukturę syntetyczneg HAp przejawia się skróceniem parametrów a i c jeg kmórki elementarnej (prmień jnwy Mg2+ [0,69Å] jest mniejszy d prmienia jnweg Ca2+ [0,99 Å]). Wraz ze wzrstem zawartści magnezu, już przy niewielkiej ilści wbudwanych jnów Mg2+, kryształy apatytu gwałtwnie tracą swą krystalicznść i stają się amrficzne, c wpływa w dużym stpniu na rzpuszczalnść teg związku[37,38,39]. Wprwadzenie d struktury jnów Ti4+ czy Zn2+ prwadzi d stabilizacji kmórki elementarnej hydrksyapatytu i również wpływa na zwiększenie jeg rzpuszczalnści[40,41]. Mdyfikatry ułatwiające spiekanie ceramiki HAp umżliwiają przeprwadzenie bróbki cieplnej twrzyw partych fsfrany wapnia w niższych temperaturach, dzięki czemu graniczny zstaje rzrst ziaren i tym samym wytrzymałść mechaniczna spieków ulega pprawie. Obniżenie temperatury bróbki cieplnej chrni też hydrksyapatyt przed ewentualnym rzkładem termicznym. Przeprwadzna przez Suchanka jeg [42,43] analiza diagramów fazwych CaO-P2O5-ddatek raz badania właściwści fizykchemicznych wspmagających mdyfikatrów spiekanie pzwliły hydrksyapatytu. na kreślenie Spśród związków przebadanych ddatków takich jak flurki: K, Na, Li, Mg, Ca; fsfrany: K, Li, Na; tlenki Na, Mg, Al., Si, Li: renian sdu; węglan sdu; chlrki Ca, K; Na; Na2Si2O5 (prócz CaCl2, KCl, KH2PO4, H3BO3, Na2Si2O5 i Al2F3) wszystkie pzstałe ułatwiają zagęszczenie twrzywa hydrksyapatytweg pprzez ułatwienie spiekania z udziałem fazy ciekłej hydrksyapatycie. i/lub Szczególnie pdwyższenie spiekalnść współczynnika ceramiki dyfuzji w hydrksyapatytwej pprawiają ddatki K2CO3, Na2CO3, KF raz fsfranu sdu. Niekiedy jednak
PRZEGLĄD LITERATURY na skutek nierównmierneg rzprwadzenia raz większeg rzmiaru cząstek ddatków, w stsunku d rzmiaru cząstek spiekaneg materiału, mżna nie zabserwwać ich pzytywneg wpływu na zagęszczanie twrzywa. Niska spiekalnść mże również być spwdwana niską zwilżalnścią HAp przez pwstałą fazę ciekłą. Niestety większść z przebadanych związków pwduje przynajmniej częściwy rzkład hydrksyapatytu i twrzenie się dużych ilści niepżądanych faz krystalicznych, które mają wpływ na bizgdnść raz szybkść i stpień resrpcji biceramiki. Stwierdzn, że: CaO - w związku z naprężeniami pwstającymi na skutek zmian bjętściwych przy twrzeniu Ca(OH)2 mże pwdwać dekhezję materiału. Obecnść CaO w hydrksyapatycie silnie mdyfikuje szybkść i stpień jeg bidegradacji, Ca2P2O7 nie wykazuje wprawdzie cyttksycznści, mże jednak zmniejszać wytrzymałść mechaniczną materiału, jak również zmieniać jeg zachwanie się w warunkach in viv, Flurapatyt (mże pwstać pdczas spiekania HAp z KF) zmniejsza rzpuszczalnść twrzywa. Tylk ddatki MgF2 i CaF2 nie pwdwały pdczas spiekania żadneg rzkładu HAp. W przypadku fsfranu sdu mżliwe jest uniknięcie pwstawania CaO pprzez kntrlę ilści i składu chemiczneg mdyfikatra. W materiałach HAp dtwanych 5%mas. ddatkiem fsfranu sdu, przy stsunku mlwym (Ca+Na)/P równym 1.67, nie bserwwan twrzenia się fazy CaO. Rezultat ten ma duże znaczenie dla prdukcji kmpzytów z snwą hydrksyapatytwą. Interesujące wyniki badań mdyfikacji twrzywa hydrksyapatytweg zawierająceg d 0 d 50% mas. biszkła trzymał Tancred[44]. Niższe wartści ddatków szkła składzie w % ml.: 52,6 SiO2; 25,8 Na2O; 13,1 CaO; 4,7 P2O5; 0,5 Al2O3; 3,3 B2O3 prwadziły d pwstawania kmpzytów HAp-βTCP lub HAp-αTCP w zależnści d temperatury wypalania. Przy 25% mas. wprwadzneg biszkła zabserwwan pnad dwukrtnie większą wytrzymałść na kruche pękanie takich twrzyw w stsunku d czystej fazw biceramiki hydrksyapatytwej. W zakresie 25-50% mas. ddatku mdyfikatra d HAp stwierdzn, że twardść i gęstść twrzyw bniżała się wraz ze wzrstem prcentwej zawartści biszkła. Pprawę wytrzymałści na zginanie raz KIC uzyskan również pprzez wprwadzenie d twrzywa hydrksyapatytweg 2,4-5% mas. ddatków szkieł fsfranwych składach bliskich hydrksyapatytwi raz biaktywneg szkła krzeminkweg[45].
PRZEGLĄD LITERATURY Klejną grupę mdyfikatrów biceramiki hydrksyapatytwej stanwią ddatki prtwórcze. Najczęściej wykrzystuje się: skrbię, włókna węglwe, wsk syntetyczny, parafinę, styrpian raz ligninę. Wprwadzenie d twrzywa HAp dpwiedniej ilści takich ddatków raz ustalenie właściwych warunków bróbki cieplnej, prwadzi d trzymania twrzywa kreślnej prwatści. 1.3Ortfsfran (V) wapnia (TCP) - Ca3(PO4)2 Odpwiednikiem mineralgicznym najbliższym syntetycznemu βtcp jest whitlckit, który zawiera w swjej strukturze niewielkie ilści Fe, Mn, Mg i H. Obecnie rtfsfran (V) wapnia t drugi pd względem znaczenia dla medycyny fsfran wapnia. Biceramika whitlckitwa zaliczana jest d materiałów bizgdnych, biaktywnych i resrbwalnych. Pd względem bizgdnści drównuje na ceramice hydrksyapatytwej. Charakteryzuje się jednak duż wyższą rzpuszczalnścią raz wyskim stpniem resrpcji w prównaniu d hydrksyapatytu. Przez wiele lat becnść teg związku jak fazy wtórnej w ceramice HAp uznawana była za niekrzystną i niepżądaną. Na skutek zmian bjętściwych twarzyszących przemianie plimrficznej βtcp αtcp, różnic pmiędzy wartściami współczynników rzszerzalnści cieplnej współwystępujących faz raz skłnnści d pęcznienia TCP pzstająceg w kntakcie z wdą lub cieczami ustrjwymi bawian się, że biceramika hydrksyapatytw-whitlckitwa jak materiał implantacyjny będzie łatw pdlegała destrukcji i szybk pstępującym prcesm starzenia. Badania przeprwadzne nad dwufazwą ceramiką HAp-TCP ptwierdziły jednak mżliwść pracwania twrzyw lepszej wytrzymałści mechanicznej d mnfazwej biceramiki HAp. Z czasem wyską skłnnść d resrpcji α i β TCP zaczęt traktwać jak zaletę tych twrzyw, b dzięki nim mżliwa jest szybsza regeneracja naturalnej kści w miejscu wszczepienia[46]. Kn i inni[47] wykazali, że ceramika dwufazwa zawierająca HAp i wysktemperaturwy αtcp wykazuje jeszcze wyższą skłnnść d resrpcji niż βtcp i w pstaci tzw. materiałów gradientwych, szybciej wiąże się z kścią aniżeli mnfazwe twrzyw hydrksyapatytwe. Wyski stpień steintegracji jest spwdwany większą, w stsunku d HAp, rzpuszczalnścią αtcp, który dstarcza jnów wapniwych i fsfranwych, umżliwiając tym samym szybkie wytwrzenie płączenia z naturalną kścią. W praktyce klinicznej bk hydrksyapatytu stswane są również preparaty implantacyjne parte na βtcp. Przy prjektwaniu ceramiki whitlckitwej należy jednak pamiętać
PRZEGLĄD LITERATURY zachwaniu pełnej równwagi pmiędzy szybkścią resrpcji a szybkścią dtwarzania się nwej kści. Na przebieg resrpcji i bidegradacji biceramiki CaP, c szczególnie dtyczy TCP, bardz duży wpływ wywiera udział bjętściwy prów (makr i mikrprów). Jeśli resrpcja będzie zachdziła szybciej niż przebiega twrzenie się nwej kści, t na skutek degradacji materiału, wytrzymałść i stabilnść płączenia implant-kść mże ulec bniżeniu[25]. 1.3.1Struktura TCP TCP występuje w dwóch dmianach plimrficznych: - nisktemperaturwej dmianie β trwałej d temperatury 1125ºC, - wysktemperaturwej dmianie α (raz jej frmie α trwałej pwyżej temperatury 1430ºC). Nisktemperaturwa heksagnalnym. Symetria dmiana jeg sieci βtcp krystalizuje krystalicznej jest w układzie pisana grupą przestrzenną R3c, natmiast stałe sieciwe wynszą: a = 1,0350(5) nm, c = 3,7085(11) nm a = 1,032 nm, c = 3,69 nm a = 1,0439(1) nm, c = 3,7375(6) nm [48] [19] [16] W strukturze krystalicznej βtcp rzróżnić mżna trzy różne płżenia czwrścianów PO43 (P1, P2, P3), które są symetrycznie niezależne i rzróżnialne. Struktury krystaliczne syntetyczneg βtcp i mineralneg whitlckitu różnią się d siebie jedynie w frmwaniu łańcucha A. W przypadku βtcp klumna A ma pstać PO4-Ca(4)-Ca(5), pdczas gdy w whitlckicie frmuje się w łańcuch PO4-M-PO4 (gdzie M=Mg lub Fe). Schemat struktury krystalicznej βtcp przedstawiny zstał na Rys.3. Wysktemperaturwa dmiana Ca3(PO4)2 αtcp wykazuje strukturę jednskśną, pisaną grupą przestrzenną P21/a. Parametry sieciwe teg związku wynszą[12]: a = 1,289 nm, b = 2,728 nm, c = 1,522 nm, β = 126,60º.
PRZEGLĄD LITERATURY a b [49]] Rys.3 Rys.3 Struktura krystaliczna βtcp 49 : a) prjekcja wzdłuż si c, b) schemat budwy łańcuchów A i B. 1.3.2Pdstawwe właściwści TCP Skład chemiczny TCP jest bardz bliski hydrksyapatytwi przeliczeniu na tlenki przedstawia się następując: CaO - 54,3% mas. P2O5-45,7% mas. Stsunek mlwy Ca/P wynsi 1,5. Schemat przemian termicznych TCP przedstawia się następując: 1125ºC βtcp 1430ºC (1470ºC) αtcp 1777ºC (1756ºC) α TCP stp i w
PRZEGLĄD LITERATURY Dkładna wartść temperatury przemiany β αtcp uzależnina jest d zawartści zanieczyszczeń, głównie Mg i Fe raz d szybkści wygrzewania (mże być wyższa i mieścić się w zakresie 1150ºC-1200ºC). Przemianie plimrficznej βtcp αtcp twarzyszy zmiana bjętści 7,3%. Na skutek znacznych zmian bjętściwych, pwstające pdczas studzenia naprężenia mgą dprwadzić d pwstania spękań, a zatem d słabienia implantów. Dtyczy t zwłaszcza twrzyw dużej gęstści, bardz silnie spiecznych. Współczynniki rzszerzalnści cieplnej w zakresie d temperatury pkjwej d temperatury przemiany plimrficznej - dla βtcp raz d temperatury przemiany plimrficznej d 1400ºC - dla αtcp wynszą: βtcp - 13,1 10-6K-1 αtcp - 60,0 10-6K-1 Gęstść rentgengraficzna dla dmiany nisktemperaturwej βtcp raz wysktemperaturwej αtcp wynsi dpwiedni: 3,07 g/cm3 raz 2,86 g/cm3. βtcp wykazuje znacznie wyższą rzpuszczalnść niż hydrksyapatyt. Wartść pks dla βtcp wynsi 28,7. Ustaln, że w mediach kwaśnych βtcp rzpuszcza się 12,3 razy, a w alkalicznych 22,3 razy intensywniej niż HAp. W śrdwisku płynów symulujących płyny ustrjwe (SBF, rztwór Ringera), pwierzchnia mnfazwej ceramiki βtcp zstaje pkryta stabilną w tych warunkach ph warstwą hydrksyapatytwą. Prces twrzenia się na pwierzchni trwałeg termdynamicznie hydrksyapatytu mże zachdzić dwiema drgami: - pprzez rzpuszczanie βca3(po4)2, a następnie pnwne wytrącanie becnych w rztwrze jnów wapniwych i fsfranwych w pstaci HAp, - na drdze hydrlizy βtcp. Lepszą rzpuszczalnść i zarazem kł pięcikrtnie większą skłnnść d resrpcji w stsunku d βtcp wykazuje αtcp[5,12,50]. 1.4Zastswanie biceramiki HAp i TCP w medycynie Biceramika hydrksyapatytwa jak również whitlckitwa mają pdbny zakres zastswań. Pmim słabych parametrów wytrzymałściwych wyska bizgdnść i biaktywnść implantów hydrksyapatytwych i βtcp pzwala
PRZEGLĄD LITERATURY na ich stswanie, i t z dużym pwdzeniem, w substytucji kści w miejscach niezbyt bciążnych mechanicznie. Syntetyczny hydrksyapatyt wykrzystuje się w wielu dziedzinach medycyny związanych z leczeniem schrzeń tkanki kstnej. W stmatlgii stswany jest w frmie prszku: d leczenia nadwrażliwści zębiny w klicach bnażnych szyjek zębwych, d leczenia bilgiczneg miazgi zębwej, w leczeniu ubytków hipplastycznych szkliwa, jak ddatek d cementów dentystycznych raz d wytwarzania pmcniczych śrdków d czyszczenia zębów[51,52,53]. W frmie granul wykrzystywany jest w leczeniu głębkich kiesznek kstnych, d uzupełniania ubytków kści p zabiegach hemisekcji, radektmii, amputacji krzenia zęba lub peracji cyst krzeniwych, a także w chirurgii szczękw-twarzwej d wypełnienia ubytków p usuniętych trbielach i guzach. D wypełniania pekstrakcyjnych zębdłów, d wypełnień ubytków kstnych w rtpedii, jak pdłża d hdwli kmórek raz jak nśniki leków najczęściej wykrzystuje się hydrksyapatyt w frmie kształtek prwatych. Gęstą ceramikę HAp stsuje się między innymi jak implanty kstne dna czdłu, jak implanty PD stanwiące element zestawu d dializy metdą trzewnwą, w tlarynglgii jak implanty ucha śrdkweg raz w inżynierii tkankwej jak pdłża d hdwli tkanek. Dla zwiększenia zdlnści dbudwującej i przyspieszającej gjenie tkanki kstnej hydrkyspatyt mże być używany w płączeniu z krwią pacjenta, szpikiem kstnym, klagenem, mrfgenetycznymi białkami krwi BMP (ang. lifilizwaną Bne Mrphgenetic chrząstką niedwapniną. bądź Prwadzne też są fibryną, Prteins)), Prteins lifilizwaną badania w kścią kścią kierunku gąbczastą, dwapniną lub impregnwania materiałów hydrksyapatytwych różnymi kmórkami, czynnikami wzrstu (TGF-β, FGF, PDGF)[54,55], a także lekami[56,57,58,59]. Pszerza się również zakres zastswań dwufazwej ceramiki HAp-TCP. Biceramika BCP (Biphasic Calcium Phsphates), prócz zastswań stmatlgicznych, używana jest w chirurgii twarz-czaszki raz w leczeniu schrzeń kręgsłupa jak materiał uzupełniający trzny kręgów p urazach.
PRZEGLĄD LITERATURY Rys.4 Rys.4 Różne frmy hydrksyapatytweg materiału implantacyjneg firmy 22]. Pentax[22]. Rys.5 Rys.5 Biceramika HAp-TCP pracwana na WIMiC AGH w Krakwie.
PRZEGLĄD LITERATURY 22] Rys.6. Rys.6 Kliniczne zastswania ceramiki HAp i TCP w substytucji kści[22]
PRZEGLĄD LITERATURY W Tab.5 zamieszn szereg dstępnych na rynku preparatów handlwych partych hydrksyapatyt, TCP raz BCP. 13,25,60,60,,61] 61] Tab.5. Tab.5 Preparaty handlwe parte fsfrany wapnia[13, Materiał Pchdzenie Nazwa handlwa Syntetyczny CALCITITE, ALVEOGRAF, hydrksyapatyt DURAPATYT, PERIOGRAF, (gęsta ceramika) PERI-OSS, OSTEOGRAF CERAPATITE, OSPROVIT, Syntetyczny hydrksyapatyt Biceramika HAp (prwata ceramika) CEROS, NEOBONE, SYNATITE, APACERAM, REPLAM, FRIABONE, SUPERBONE, ORTHOMATRIX Naturalny hydrksyapatyt kstny Naturalny hydrksyapatyt kralwy ENDOBONE, BIO-OSS, PYROST, OSTEOGRAF-N INTERPORE 200, PRO OSTEON 500, BIOCORAL, IRVINE CERASORB, BIOSORB, CALCIRESORB, Biceramika TCP Syntetyczny βtcp SYNTOGRAF, CEROS 82, Ortfsfran (V) wapnia TCP BATTELLE, TCP HEYL, CHRONOS, AUGMEN, HIMED TCP BIOCER-BIOCEL 2, TRIOSITE, Biceramika BCP Syntetyczny materiał dwufazwy HAp/βTCP CALCIRESORB35CERAPATITE65, EUROCER 200, EUROCER 400, HIMED-BCP, OSTILIT
PRZEGLĄD LITERATURY 2 Prwate implanty hydrksypatytwe Idealny wszczep zastępujący chrą lub uszkdzną kść, prócz wyskiej bizgdnści i dpwiednich parametrów wytrzymałściwych, pwinien dznaczać się przede wszystkim dsknałym płączeniem z tkanką kstną pprzez wytwrzenie tzw. złącza bilgiczneg raz wiązania chemiczneg. Wytwrzenie bu rdzajów płączeń między kścią a materiałem implantacyjnym umżliwia stabilne zamcwanie implantu w ubytku raz zapbiega jeg ewentualnemu późniejszemu bluzwaniu. Według wielu badaczy minimalny rzmiar prów, umżliwiający infiltrację wszczepu przez tkankę kstną, wynsi kł 100 μm. Zespół Hulberta[62] prwadził badania dtyczące szybkści wrastania tkanki kstnej w materiały prwate z układu CaO-Al2O3. Badacze ci wykazali, że pry rzmiarach 15-40 μm pzwalają jedynie na słabą penetrację prwateg implantu przez tkankę włóknistą, pry rzmiarach 40-100 μm umżliwiają już prawie całkwitą infiltrację przez tkankę łączną raz pczątki wrastania kści d głębkści 100 μm, natmiast rzmiar prów średnicy c najmniej 200 μm jest zasadniczym warunkiem umżliwiającym dbre przerastanie implantu kścią. Inne dniesienia literaturwe[63,64,65] wskazują, że krzystne z punktu widzenia przenikania kści są pry dpwiadające wielkścią kanałm Haversa, a zatem mieszczące się w przedziale 250-300 μm. Należy jednak pamiętać, że nie tylk rzmiar prów decyduje ich penetracji przez tkankę kstną. Bardz ważnym kryterium umżliwiającym pwstawanie i decydującym jakści zamcwania bilgiczneg jest architektura prów, a mianwicie pry wzajemnie łączące się i twrzące sieć wlną d przewężeń. Czynniki te zaczynają dgrywać craz ważniejszą rlę przy prjektwaniu bimateriałów prwatych[66]. Opracwując prwate implanty kstne należy uwzględnić z jednej strny pzytywny wpływ dpwiedni ukształtwanej prwatści na łączenie się wszczepów z naturalną kścią, z drugiej zaś jej negatywne ddziaływanie na wytrzymałść tych materiałów. Prwata ceramika hydrksyapatytwa uważana jest za dbry materiał implantacyjny wykrzystywany w substytucji kści ze względu na bardz wyską bizgdnść, dbre właściwści stekndukcyjne raz mżliwść szybkieg wrastania tkanki kstnej w pry implantu[67]. W przypadku teg twrzywa szybk wytwarza się zamcwanie bilgiczne wspmagane ddatkw wiązaniem chemicznym, dzięki wykazywanej przez materiał biaktywnści.
PRZEGLĄD LITERATURY 2.1Wpływ prwatści i rzmiaru prów na stegenezę w warunkach in vitr i in viv Jednymi z czynników wpływających na stegenezę (prces twrzenia się kści na pdłżu łączntkankwym lub chrzęstnym) w warunkach in vitr i in viv są: prwatść raz rzmiar prów bimateriałów, zarówn w skali makr- jak i mikrskpwej. Zdecydwanie większa ilść dniesień mówi znaczącym wpływie rzmiaru prów na prcesy dbudwy kści. Wśród infrmacji na ten temat nie brak i pglądów przeciwstawnych. Jedn jest pewne, że prcesy kścitwrzenia przebiegają inaczej w warunkach in vitr niż in viv. Na namnażanie się i różnicwanie kmórek w warunkach in vitr nie wpływają czynniki systemwe becne in viv, w szczególnści nie występuje sieć naczyń krwinśnych raz nie zachdzi penetracja kmórek z tkanek taczających skierwana d pwierzchni i d wnętrza implantu. Takahashi[68] w badaniach nad wpływem średnicy włókien i prwatści włókniny PET (plitereftalan etylenu) na różnicwanie się kmórek macierzystych (prekursrów m. in. dla tkanki kstnej) wykazał, że w warunkach in vitr rzmiar prów nie wpływał znacząc na prces stegenezy. Zarazem im niższa była prwatść badanych implantów, tym wyższa była aktywnść fsfatazy alkalicznej (enzymu charakterystyczneg dla steblastów, chć niespecyficzneg). Pdbne wniski ptwierdziły badania Akay a[69] nad plimerwymi, mdyfikwanymi hydrksyapatytem, rusztwaniami dla kmórek różnej prwatści (70-97%) i rzmiarze prów (40 100μm), zasiedlnymi steblastami pchdzącymi d szczura. Pmim szybszej migracji kmórek w materiałach większych prach, nie dntwan wpływu rzmiaru prów na głębkść penetracji kmórek, czy stpień mineralizacji tkanki kstnej. Obserwacje w warunkach in vitr pczynine na kmpzytach apatytw-klagenwych rzmiarze prów w zakresie d 50 d 300μm również nie wykazały znaczących różnic w prliferacji steblastów MC3T3-E1[70]. Zatem mżna przypuszczać, że na prces stegenezy w warunkach in vitr nie wpływa znacząc rzmiar prów w implantach, ale ich prwatść[71]. Liczne przesłanki wskazują, że w warunkach in viv decydujacą rlę w prcesie dbudwy tkanki kstnej dgrywa nie tylk wartść prwatści, rzmiar prów, ale i - a mże przede wszystkim - wielkść i charakter płączeń między nimi. Badania Egglieg[72] nad implantami HAp różnej wielkści prów (50-100μm raz 200-500μm) wszczepinymi w kści królika wykazały, że płączenia pmiędzy mniejszymi prami w implantach mają
PRZEGLĄD LITERATURY większe średnice, c prwadzi d lepszeg przerastania tkanką kstną takich implantów. Pdbne badania prwatych blczków hydrksyapatytwych różnych rzmiarach prów (106-212, 212-300, 300-400, 400-500, 500600μm), wszczepinych w kści szczura, przeprwadził Tsuruga[73]. Aktywnść fsfatazy alkalicznej raz stekalcyny (nieklagenweg białka macierzy kstnej - specyficzneg markera djrzałych steblastów) była wyższa w przypadku implantów średnicy prów d k. 300-400 μm. Była t jedncześnie wartść krytyczna, pwyżej której nie bserwwan już rzwju naczyń włswatych. Interesujące wyniki wpływu rzmiaru i kształtu prów na prces dbudwy kści uzyskan badając prównawcz rusztwania hydrksyapatytwe kształcie plastrów midu wszczepine szczurm. Implanty wykrzystan jak nśniki BMP-2, czyli białek mrfgenetycznych uznanych jak mlekuły regulujące wzrst i różnicwanie wielu rdzajów kmórek. Białka te uwalniane zstają z macierzy kstnej pdczas resrpcji i mgą ddziaływać na kmórki mezenchymatyczne, ukierunkwując je na rzwój chndrblastów i steblastów. Białka BMP przyspieszają rzwój kstniny[74]. W implantach hydrksypatytwych z ddatkiem BMP-2, średnicy prów 90-120μm, zabserwwan pjawienie się prcesu chndrgenezy (dbudwa kści na pdłżu chrzęstnym bez naczyń krwinśnych) w przeciwieństwie d implantów dużej średnicy prów (350μm), w becnści których prces dbudwy kści zachdził wraz z pjawieniem się naczyń włswatych. Bardziej aktywny prces stegenezy zachdzący wówczas, gdy wszczepin implanty większych średnicach prów był wynikiem lepszeg dtlenienia kmórek kścitwórczych raz większej dstępnści pżywek[75]. Prwate implanty hydrksyapatytwe w kształcie blczków i granul prównywalnych średnicach prów jak w pprzednim eksperymencie (100-200μm), będące również nśnikami BMP-2, wszczepin pdskórnie szczurm. Zabserwwan właściwy prces dbudwy kści. Długie i zakrzywine pry w blkach hydrksyapatytwych przeszkadzały jednak w głębszej penetracji tkanki kstnej i naczyń włswatych, wpływając na frmwanie się nwej kści tylk na zewnętrznej pwierzchni materiału, w przeciwieństwie d granul, gdzie tkanka kstna była widczna znacznie głębiej[76]. Dwdzi t, że na prces stegenezy duży wpływ ma, prócz rzmiaru i średnicy prów, także ich kształt. Przy prjektwaniu bimateriałów prwatych należy zwrócić również uwagę na tzw. zagęszczenie płączeń (ang: intercnnetin density). Parametr ten, wskazujący na ilść płączeń pmiędzy prami implantu w jednstce jeg
PRZEGLĄD LITERATURY bjętści, współdecyduje szybkści twrzenia tkanki kstnej i jakści (siły) wiązania jej z wszczepem. 2.2Wpływ prwatści i rzmiaru prów na wytrzymałść mechaniczną implantów hydrksyapatytwych Prwatść, zarówn całkwita, zamknięta jak i twarta raz rzmiar prów, w znaczącym stpniu charakteryzują biceramikę, w tym również hydrksyapatytwą i mają duży wpływ na wytrzymałść wyknanych z niej wszczepów. K. de Grt[35] pdzielił pry w implantach hydrksyapatytwych na dwa rdzaje: mikr i makrpry. Mikrpry rzmiarami dpwiadają przestrzenim pmiędzy pszczególnymi cząstkami spiekaneg prszku i są rzędu kilku mikrmetrów (Vmicr), zaś makrpry - rzmiarach przekraczających 100 μm (Vmacr) - umżliwiają i są dpwiedzialne za przerastanie implantu tkanką żywą. Ogólnie przyjmuje się, że bimateriały prwate są t twrzywa, w których celw zstały wytwrzne pry rzmiarach pwyżej 100 μm, zaś bimateriały mikrprwate charakteryzują się becnścią prów pniżej 100 μm. Udział bjętściwy mikrprów w twrzywach jest uzależniny d warunków ich wytwarzania i na gół maleje wraz ze wzrstem czasu i temperatury wypalania. W zależnści d ilści makr- i mikrprów wyróżnia się następujące twrzywa hydrksyapatytwe: - twrzyw gęste jeśli Vmicr<0,05 a Vmacr=0, - twrzyw makrprwate jeśli Vmicr<0,05 a Vmacr>0, - twrzyw mikrprwate jeśli Vmicr>0,05 a Vmacr=0, - twrzyw mikr-makrprwate jeśli Vmicr>0,05 a Vmacr>0. W praktyce Vmicr mże siągać wartść 0,5 natmiast Vmacr dchdzi d 0,6. W sumie Vmicr + Vmacr mgą siągać wartść 0,7. Zarówn wytrzymałść mechaniczna na ściskanie jak i na rzciąganie ceramiki hydrksyapatytwej zależy wykładnicz d sumarycznej bjętści makr- i mikrprów. Zależnści te pisują następujące równania: σc(v) = 650 exp(-5v) [MPa] (0) σt(v) = 250 exp(-23v) 50 exp(-23v) [MPa] (0) gdzie: σc - wytrzymałść na ściskanie [MPa],