Разработка пористого композиционного керамического материала ZrO2(MgO)-MgO для протезирования и восстановления костных дефектов

В работе изучены пористые керамические композиционные материалы ZrO2(MgО)-MgO в широком диапазоне концентраций. Поровая структура материалов идентична структуре неорганического костного матрикса. Исследованы зависимости тонкой кристаллической и микроструктуры и прочностных характеристик. Проведены биологические исследования. Полученный материал удовлетворяет требованиям биосовместимости и сопоставим по механическим и структурным параметрам с костным матриксом.

Получение композиционного материала ZrO2(MgO)-MgO с пористостью и структурой идентичной неорганическому костному матриксу. Исследование тонкой кристаллической и микроструктуры, установление закономерностей влияющих не механические параметры материала. проведение биологических исследований in vitro. Разработка подхода к индивидуальному прототипированию остеоимплантов на основе современных методов трехмерной компьютерной томографии и 3D печати.

Пористые материалы – особый класс материалов, эксплуатационные характеристики которых определяются объёмом порового пространства и геометрией пор. Среди большого перечня пористых материалов особое место занимают керамики, что обусловлено их высокой коррозионной, химической стойкостью, что делает возможным длительную эксплуатацию пористых керамических элементов в условиях воздействия химически-агрессивных сред без деградации свойств. Особое применение пористые керамические материалы нашли в медицине, в качестве материала, для эндопротезирвоания. Высокая биологическая совместимость керамики ZrO₂ и участие MgO в биологических процессах синтеза белка делают перспективными исследования композита на основе этих материалов.

В работе изучена керамика ZrO₂(MgO)-MgO, полученная путем холодного одноосного прессования механических смесей порошков диоксида циркония, стабилизированного 3 мол% оксидом магния (ZrO₂(MgO), и оксида магния (MgO) в различной концентрации при давлении 180 МПа и последующим спеканием при температуре 1600 ^оС и изотермической выдержкой в течение часа. Пористость керамик получена добавлением 50 % частиц сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) по объему в исходные порошковые составы и варьировалась от 43 до 49 % после спекания. В поцессе спекания СВМПЭ удален при изотермической выдержке при 300 ^оС в течение часа.

Рентгеноструктурный анализ изучаемых керамик проводился на дифрактометре ДРОН-3 при излучении Cu Kα. Съемку проводили в угловом диапазоне 2ϴ от 10^о до 115^о, с шагом 0.3^о и временем экспозиции 5с. Анализ рентгенограмм проводился в компьютерной программе Renex v. 1.51 с помощью аппроксимирующий функции Lorentzian M1.

Исследование поровой микроструктуры осуществлялось на растрового электронном микроскопе TescanVega 3. Механические характеристики изучены ну универсальной испытательной машине Devotrans GP.

Для оценки биосовместимости пористых керамических материалов были использованы мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки. Для определения способности ММСК к направленной остеогенной дифференцировке при их культивировании на поверхности исследуемых материалах проводили детекцию щелочной фосфатазы- маркер остеогенной дифференцировке.

При получении керамических материалов с пористостью 50 об. % достигается бимодальня структура со средними значениями размера пор порядка 103 мкм, образованных испарением частиц порообразователя – сверхвысокомолекулярного полиэатилена при спекании, и 23 мкм.

Средний размер областей когерентного рассеяния кубической фазы ZrO₂ увеличивается с ростом концентрации MgO от 500 до 3500 Å. Микроискажения кристаллической решетки ZrO₂ и средний размер ОКР и микроискажений кристаллической решетки MgO уменьшаются. На поверхности разрушения ОКР значительно больше, чем на полированной, что может свидетельствовать о том, что разрушение происходило по границам зерен, и области когерентного рассеяния приблизительно равны среднему размеру кристаллитов.

Зависимость между микро- и макронапряжениями в композите ZrO₂(MgO)-MgO нелинейна, однако видно, что макронапряжения и прочность материала в значительной мере зависит от микронапряжений и тонкой кристаллической структуры. Преел прочности при одноосном сжатии составляет 130 Мпа, что сопоставимо с прочностными характеристиками лучевых костей человека.

Исследования клеточного отклика ММСК при культивировании клеток на поверзности керамических образцов в течение 14 дней показали, что керамики не обладают цитотоксичностью- жизнеспособность клеток составляла 93 %, что сопоставимо с жизнеспособностью в первый день эксперимента. Развитая поровая структура способствует адгезии клеток с поверхностью и пролиферации внутрь образца. На 14 день эксперемента обнаружена щелочная фосфатаза- первичный маркер остеогенного направления деления клеток, из чего можно сделать вывод о том, что исследуемая керамика биосовместима и обладает остеокондуктивными свойствами.

Gutsol, N. A. Sokhonevich, K. A. Yurova, O. G. Khaziakhmatova, V. V. Shupletsova, and L. S. Litvinova. “Dose-dependent effects of dexamethasone on functional activity of T-lymphocytes with different grades of differentiation”, Molecular Biology 49(1), 130-137 (2015).
Dominici M., Le Blanc K., Mueller I. “Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells”, The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy 8(4), 315–317 (2006).
S. Kulkov and S. Buyakova. " Porosity and mechanical properties of zirconium ceramics." NEW OPERATIONAL TECHNOLOGIES (NEWOT’2015): Proceedings of the 5th International Scientific Conference «New Operational Technologies». Vol. 1688. AIP Publishing, 2015.

In this paper were studied crystalline- and microstructure of ceramic composite material ZrO2(MgO)-MgO with 50 % porosity. The main mechanical characteristics of the material were determined and it was found, that they are close to the characteristics of natural bone tissues. It has been shown that material structure has positive effect on the pre-osteoblast cells proliferation. In-vitro studies of pre-osteoblast cells, cultivation on material surface has shown a good cell adhesion, proliferation and differentiation of MMSC by osteogenic type.