Теоретическое введение

Кости – самые крупные твердые части тела млекопитающих, и в том числе человека. Они обладают рядом особенностей и выполняют важнейшие физиологические функции: прежде всего – являются каркасом организма, обеспечивая его двигательную активность и тем самым осуществляя механическую функцию. Между костями и окружающими их тканями соблюдается динамическое равновесие, организован непрерывный обмен веществами.

На уровне внутренней структуры кость – это своеобразный «склад» минералов (преимущественно кальция, фосфора и магния), поскольку формирование и развитие костной ткани происходит на основе системы минералов и других химических соединений. В целом эта ткань представлена тремя главными составляющими: органический компонент – коллаген (20-25%), неорганический компонент – некоторые формы фосфатов кальция (60-65%), вода (~10%); также в костях содержится небольшой процент отдельных неорганических веществ (например, галогенидов).

В настоящее время известно достаточно много форм фосфатов кальция, отличающихся друг от друга составом, строением, свойствами. При практическом применении костной ткани в области инженерии наиболее перспективны ДКФД и ГА.

ДКФД (Дикальцийфосфат дигидрат), CaHPO₄·2H₂O

Тривиальное название ДКФД – брушит. Этот минерал представляет собой микрокристаллический порошок белого цвета – самый простой по технологии синтеза из всех кристаллических модификаций фосфатов кальция. Его можно получить в виде осадка при смешивании растворов, содержащих ионы Са²⁺ и НРО₄^2- (например, нитрата кальция и фосфорнокислого аммония при комнатной температуре и рН = 3-4,5).

ДКФД биосовместим с костной тканью и способствует процессам ее роста, однако у него есть недостаток: ДКФД очень быстро растворяется, в результате чего растущая костная ткань не успевает заполнять образующиеся в ней полости.

ОКФ (Октакальциевый фосфат), Са₈(НРO₄)₂(РO₄)₄·5Н₂O

Считается, что октакальциевый фосфат выступает в роли прекурсора при формировании костного апатита. ОКФ синтезируют в основном двумя способами: осаждением из водных растворов и гидролизом ортофосфатов ДКФД или α-ТКФ.

ОКФ имеет важное биологическое значение, поскольку является относительно стабильным компонентом зубных камней. ОКФ – метастабильный фосфат кальция, так как при гидролизе он превращается в ГА, а в щелочной среде – в ДКФД. ОКФ устойчив на воздухе, а при нагревании разлагается.

ГА (Гидроксиапатит), Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂

ГА – структурный аналог главной неорганической составляющей костной и зубной тканей организма. Это вещество имеет с ней одинаковый химический состав (следовательно, сходны и физические и механические свойства) и обладает биологической совместимостью с названными тканями. Более того, кристаллический ГА характеризуется важными активными свойствами: он стимулирует рост клеток опорных тканей и образовывает новую кость (митогенный эффект). Также он не оказывает токсического воздействия, в чем состоит большое преимущество ГА, потому что, например, другие вещества, используемые в качестве покрытия для имплантов (Al₂O₃, Ti и его сплавы, нержавеющая сталь и др.), по минеральному составу значительно отличаются от костной ткани и после длительного пребывания в организме коррозируют или оказывают на него вредное воздействие.

ГА входит в группу апатитов состава M₁₀(ZO₄)₆X₂. Вот элементы, способные занимать положение представленных букв:

M, Z, X = Ca, Sr, Ba, Pb;

Z = P, V, As, Si, S, Ge;

X = F, Cl, Br, OH, O.

Некоторые процессы, происходящие в организме:

На начальной стадии формирования костной ткани из ионов кальция и фосфата синтезируется именно ДКФД, то есть он является первой ступенью процесса образования КТ:

Ca²⁺ + HPO₄^2- + 2Н₂O → СаНРO₄·2Н₂O

Далее в жидкостях организма ДКФД постепенно производит ОКФ и после – ГА.

СаНРO₄·2Н₂O + Н₂O → Са₈(НРO₄)₂(РO₄)₄·5Н₂O + H₃PO₄

Са₈(НРO₄)₂(РO₄)₄·5Н₂O + Н₂O → Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + H₃PO₄

Существенный недостаток заключается в том, что в результате гидролиза в окружающие ткани выделяется ортофосфорная кислота, которая закисляет их. Это может привести к воспалительным процессам и послеоперационным осложнениям. В связи с подобной реакцией при применении материалов, содержащих ДКФД, возникает проблема нейтрализации ортофосфорной кислоты.