Костные цементы на основе кальций-магний фосфатов с антибактериальным эффектом для реконструктивно-восстановительной хирургии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Крохичева Полина Алексеевна

• Крохичева Полина Алексеевна
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Крохичева Полина Алексеевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Особенности костной ткани

1.2 Керамические биоматериалы на основе фосфатов кальция

1.3 Процесс резорбции биоматериала

1.4 О роли магния в организме

1.5 Керамические биоматериалы на основе фосфатов магния

1.6 Костные цементные материалы

1.6.1 Акриловые цементные материалы

1.6.2 Цементные материалы на основе фосфатов кальция

1.6.3 Цементные материалы на основе фосфатов магния

1.6.4 Цементные материалы на основе кальций-магний фосфатов

1.7 Цементные материалы с антибактериальными свойствами

1.7.1 Цементные материалы как носители лекарственных средств

1.7.2 Цементные материалы, функционализированные нтибактериальными катионами

1.7.3 Механизм антибактериальной активности серебра

1.8 Компьютерная томография

Выводы по литературному обзору

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

_2.1 Химические реагенты

2.2 Получение цементных порошков

2.3 Получение КМФЦ материалов

2.4 Методы исследования

2.4.1 Химический анализ

2.4.2 Рентгенографические исследования

2.4.3 Инфракрасная спектроскопия

2.4.4 Рентгено-фотоэлектронная спектроскопия

2.4.5 Дисперсность цементных порошков

2.4.6 Определение времени, температуры твердения и значения pH

2.4.8 Исследование механических свойств

2.4.10 Исследование антибактериальных свойств

2.4.11 Исследования острой цитотоксичности и цитосовместимости in vitro

2.4.12 Исследования оценки биосовместимости in vivo

2.4.13 Исследования остеокондуктивных потенций in vivo

2.4.14 Рентгеновская компьютерная микротомография

ГЛАВА 3 ЦЕМЕНТНЫЕ ПОРОШКИ С СООТНОШЕНИЕМ (Ca+Mg)/P=2

3.1 Порошки с содержанием Mg в количестве 0, 20, 40 и 60 %

3.1.1 РФА исследования

3.1.2 ИК-спектроскопия

3.1.3 Влияние времени и среды помола на фазовое состояние, дисперсность и морфологию порошков

3.2 Порошки с содержанием 40 % Mg с добавлением антибактериальных катионов Ag или Zn в количестве 0,5 и 1,0 масс. %

3.2.1 РФА исследования

3.2.2 ИК-спектроскопия

3.2.3 РФЭ-спектроскопия

3.2.4 Дисперсность и морфология

ГЛАВА 4 ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА КМФЦ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Формирование структуры и фазового состава

4.1.1 РФА исследования

4.1.2 ИК-спектроскопия

4.1.3 РФЭ-спектроскопия

1.2 Эксплуатационные свойства и микроструктура

4.2.1 Механическая прочность и пористость

4.2.2 Время и температура схватывания КМФЦ

4.2.3 РЭМ

4.3 Изучение растворимости в модельной жидкости

ГЛАВА 5 БИОИСПЫТАНИЯ КМФЦ МАТЕРИАЛОВ

5.1 Антибактериальные свойства

5.2 Цитотоксичность и цитосовместимость in vitro

5.3 Биосовместимость in vivo

5.3 Оценка остеокондуктивных потенций in vivo

5.3.1 Гистологические исследования

5.3.2 Рентгеновская компьютерная микротомография

ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Список используемых сокращений

М^-Р-ТКФ - Р-трикальциево-магниевый фосфат;

а-ТКФ - а-трикальцийфосфат;

Р-ТКФ - Р-трикальцийфосфат;

АКЦ - акриловые костные цементы;

АФК - аморфный фосфат кальция;

БЭТ - определение площади удельной поверхности с помощью низкотемпературной адсорбции азота методом Брунауэра, Эммета и Теллера;

ГА - гидроксиапатит;

ДКФ - дикальцийфосфат;

ДКФД - дикальцийфосфат дигидрат, брушит;

ИК-Фурье спектроскопия - инфракрасная спектроскопия поглощения с Фурье-трансформацией;

ИТ - индекс токсичности;

КМФЦ - кальций-магний фосфатные цементные материалы;

КТ - компьютерная томография;

КФЦ - кальцийфосфатные цементы;

КЧ - координационное число;

ЛП - лекарственный препарат;

МикроКТ - микро-компьютерная томография;

МТТ - метод прямого контакта;

МФЦ - магнийфосфатные цементы;

НЛС - носитель лекарственных средств;

ОКФ - октакальциевый фосфат;

ОП - оптическая плотность раствора;

ПВП - поливинилпирролидон;

ПЖК - популяция жизнеспособных клеток;

ПММА - полиметилметакрилат;

ПРС - полная ростовая среда;

РФА - рентгенофазовый анализ;

РФЭС - рентгено-фотоэлектронные спектры;

РЭМ - растровая электронная микроскопия;

СБФ - модельный раствора аналога межтканевой жидкости человека (Simulated Body Fluid, SBF);

СТ - станфилдит;

ТеТКФ - тетракальциевый фосфат; ТКФ - трикальцийфосфат; ФК - фосфаты кальция; ФМ - фосфаты магния.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Костные цементы на основе кальций-магний фосфатов с антибактериальным эффектом для реконструктивно-восстановительной хирургии»

ВВЕДЕНИЕ

Восстановление костных дефектов, возникающих в результате травм, воспалительных процессов, после оперативных вмешательств и удалений новообразований, остается актуальной задачей. Это связано как с высоким уровнем травматизма во всех возрастных группах, так и с увеличением общей продолжительности жизни, и, как следствие, нарастанием доли населения с дегенеративными процессами и злокачественными новообразованиями в костной ткани. Кроме того, именно заболеваниями опорно-двигательного аппарата обусловлено наибольшее число случаев хронической боли. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения заболевания опорно-двигательного аппарата являются вторым по величине источником инвалидизации во всем мире. Поэтому количество операций, проводимых с использованием костных имплантатов, постоянно увеличивается, вызывая высокий спрос на современные материалы и технологии. Особую значимость представляют разработки функциональных биосовместимых материалов, которые позволяют уменьшить риски последствий хирургического вмешательства и ускорить процесс восстановления, тем самым улучшить качество жизни пациентов.

При реконструктивно-восстановительных операциях для восполнения объема утраченной костной ткани применяют алло- и аутографты (фрагменты кости донора или собственной кости пациента, соответственно), считающиеся «золотым стандартом». Однако недостатки такой технологии хорошо известны. Так, получение аутоматериала связано с дополнительными хирургическими вмешательствами для пациента и применимо лишь при небольших объемах дефекта; имплантация аллогенной костной ткани не исключает переноса неидентифицированных инфекционных агентов от донора к реципиенту, аллергических реакций; есть и проблемы этического характера при использовании трупного материала. Замещение крупных

(превышающие критические размеры) дефектов, а также костных дефектов сложной конфигурации является медицинской проблемой.

Одним из рациональных путей решения описанных проблем могло бы стать использование синтетических биосовместимых материалов с оптимизированными в плане остеозамещения свойствами. Наиболее перспективны материалы на основе фосфатов кальция (ФК), близкие по составу к минеральной составляющей костной ткани, и, в частности, кальцийфосфатные цементы (КФЦ). Они представляют собой вяжущие системы, состоящие из порошка и жидкости, при смешении которых происходит химическое взаимодействие, сопровождающееся схватыванием и последующим твердением. К несомненным достоинствам этих материалов можно отнести, во-первых, их способность заполнять дефекты самой сложной конфигурации и объема, что обеспечивает персонализированный подход. Во-вторых, малую инвазивность вмешательств, то есть возможность введения данных материалов в инъекционной форме непосредственно в зону дефекта под контролем УЗИ или рентгена, т.е. без обширных оперативных вмешательств, и наконец, возможность трехмерной фиксации реципиентной костной ткани пациента с последующей консолидацией в ней.

Значительные успехи в разработке КФЦ для замещения и восстановления костной ткани были достигнуты отечественными научными группами Московского государственного университета имени им. М.В. Ломоносова (МГУ им. М.В. Ломоносова), Московского научно-исследовательского онкологического института имени П.А. Герцена (МНИОИ им. П.А. Герцена), Национального медицинского исследовательского центра травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова (НМИЦ ТО им. Н.Н. Приорова)и др.

В последние годы значительно возрос интерес к полностью

биорезорбируемым костным материалам на основе магния. Магний (М^),

является одним из четырех наиболее распространенных элементов в

организме человека и играет решающую роль в метаболизме костей и их

структурном развитии. Значительные усилия были направлены на изучение

8

фосфатов магния (ФМ), таких как ортофосфат магния Mg3(PO4)2, и, в частности магнийфосфатные цементные материалы (МФЦ) на основе фаз магний-аммоний-фосфат-гексагидрат со структурой типа струвит (MgNH4PO4x6H2O) или гидроортофосфата-магния со структурой типа ньюбериит (MgHPO4x3H2O), которые наряду с ФК, стали рассматриваться как потенциальный материал для замещения костных дефектов. Преимуществами МФЦ материалов являются высокие механические свойства, высокая растворимость и биорезорбция, однако может возникать экзотермическая реакция (до 60 °С) в процессе образования цементного материала, которая может приводить к некрозу окружающих тканей.

Разработка кальций-магний фосфатных цементных материалов (КМФЦ), на основе фаз, таких как станфилдит (СТ, (СаМ£)3(Р04)4) или магний замещённого трикальцийфосфата М^-Р-ТКФ (СаМ^)з(Р04)2 позволит совместить преимущества, как Са, так и М§. КМФЦ материалы могут демонстрировать ряд преимуществ перед КФЦ и МФЦ. Во-первых, такие костные цементы могут обладать более высокими механическими свойствами. Во-вторых, отсутствие экзотермической реакции во время твердения цементного материала исключает риски некроза окружающих тканей. В-третьих, КМФЦ могут демонстрировать высокую растворимость, что будет способствовать ускорению процессов остеогенеза.

Введение в КМФЦ материалы катионов металлов с антибактериальными

свойствами (Ag, 7п, Си, Fe и т.д.) может обеспечить локальную терапию с

пролонгированным эффектом в отношении основных патогенных организмов.

Особый интерес представляет работка новых материалов на основе кальций-

магний фосфатов с соотношением (Ca+Mg)/P=2 ввиду перспективности

использования таких составов в цементной технологии. В широком диапазоне

составов в этой системе ключевым моментом является выбор оптимального

состава с возможностью дальнейшей функционализацией с целью получения

на его основе цементного материала, обладающего наилучшими свойствами.

Функционализация обеспечивается за счёт введения антибактериальных

9

катионов Ag или Zn в равном (по массе) количестве для сравнения антибактериальных свойств. Такие КМФЦ могут стать перспективными материалами для замещения и восстановления костной ткани.

Сказанное выше определяет актуальность постановки цели настоящих исследований.

Цель работы заключается в разработке новых цементных материалов на основе кальций-магний фосфатов, с высокими механическими свойствами, ускоренной растворимостью и биорезорбцией, обладающих антибактериальными свойствами и остеокондуктивностью.

Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

1. Получение цементных порошков с мольным соотношением (Ca+Mg)/P=2, где доля Mg/(Ca+Mg) составляет 20, 40, 60 %. Исследование фазового состава, морфологии и дисперсности цементных порошков. Определение технологических параметров и оптимального состава порошка.

2. Получение цементных порошков с мольным соотношением (Ca+Mg)/P=2, где доля Mg/(Ca+Mg) составляет 40 % и их функционализация антибактериальными катионами Ag или Zn в количестве 0,5 и 1,0 масс. %. Установление влияния введения антибактериального катиона на фазовый состав, морфологию и дисперсность цементных порошков.

3. Разработка КМФЦ материалов, изучение времени и температуры их схватывания, микроструктуры, механических свойств, пористости, а также исследование растворимости в модельной жидкости.

4. Оценка антибактериальной активности разработанных составов КМФЦ материалов в отношении грамм-положительных S. aureus и грамм-отрицательных бактерий E. coli.

5. Исследование биологический свойств разработанных составов КМФЦ материалов in vitro - оценка цитотоксичности и цитосовместимости, - а также оценка остеокондуктивных потенций и биорезорбции in vivo.

Научная новизна

1. С использованием комплексного физико-химического анализа определена зависимость фазового состава, морфологии и дисперсности цементных порошков на основе кальций-магний фосфатов при мольном соотношении (Ca+Mg)/P=2 от доли содержания Mg/(Ca+Mg) равной 20, 40, и 60 %, и антибактериальных катионов Ag или Zn в количестве 0,5 и 1,0 масс.%. В ряду указанных составов, выявлены закономерности изменения параметров элементарной ячейки фаз ß-ТКФ (Ca3(PO4)2), Mg-ß-ТКФ (Ca2.589Mg0.4ii(PO4)2) и станфилдит (Ca3Mg3(PO4)4), установлено химическое состояние и посчитаны химические сдвиги элементов.

2. Определен механизм фазообразования кальций-магний фосфатных цементных материалов, заключающийся в растворении исходных фаз цементного порошка, а именно Mg-ß-ТКФ, станфилдит, MgO в процессе химического взаимодействия с цементной жидкостью на основе 3,5 М водного раствора гидрофосфата аммония (NH4)2HPO4 и 1,5 М раствора гидрофосфата магния MgHPO4 с последующим схватыванием и твердением, в результате которого формируются новые цементные фазы струвит (MgNH4PO4*6H2O) и ньюбериит (MgHPO4*3H2O), формирование которых приводит к увеличению механических свойств и растворимости, а благодаря содержанию катионов Ag или Zn происходит увеличение антибактериальных свойств в отношении грамположительных S. aureus и грамотрицательных E. coli штаммов бактерий.

3. Установлена взаимосвязь между данными, полученными в экспериментах in vitro и in vivo, подтверждающая гипотезу об ускоренной биорезорбции, за счёт формирования фазы ньюбериит (MgHPO4*3H2O), и улучшенных биологических свойствах благодаря присутствию катионов Mg и Ag в структуре КМФЦ материалов.

Практическая значимость

1. Разработан биосовместимый кальций-магний фосфатный цементный материал для применения в реконструктивно-восстановительной хирургии для заполнения костного дефекта, обладающий прочностью не менее 20 МПа, временем схватывания 8-10 мин и высокими антибактериальными свойствами.

2. Получено 2 патента: RU 2832343 С1 "Биосовместимый инжектируемый костный цемент на основе кальций-магний фосфатных фаз с добавлением карбоксиметилцеллюлозы для заполнения костных дефектов", заявка: 2023129999, 20.11.2023; RU 2760096 С1 "Способ получения низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования для применения в качестве имплантата при остеосинтезе", заявка: 2021101233, 21.01.2021.

3. Разработан лабораторный регламент изготовления кальций-магний фосфатных материалов, содержащих антибактериальные катионы Ag, обладающих антибактериальной активностью, являющихся биосовместимыми.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная технология кальций-магний фосфатных цементных порошков с мольным соотношением (Ca+Mg)/P=2 и долей Mg/(Ca+Mg) равной 40 % обеспечивает получение многокомпонентного цементного порошка, содержащего фазы Mg-P-ТКФ (Са2.589М§0.411(Р04)2), станфилдит (Са3М§3(Р04)4) и MgO в оптимальных количествах для дальнейшего получения кальций-магний фосфатных цементных материалов с улучшенными составом и свойствами.

2. Высокие механические свойства, ускоренная растворимость,

оптимальное время схватывания и отсутствие экзотермической реакции

12

полученных кальций-магний фосфатных цементных материалов происходит в результате формирования фаз струвит MgNH4PO4x6H2O и ньюбериит MgHPO4*3H2O, образующихся при взаимодействии исходного цементного порошка с разработанной цементной жидкостью в процессе химического взаимодействия.

3. Высокие антибактериальные свойства в отношении грамположительных S. aureus и грамотрицательных E. coli штаммов бактерий достигаются за счёт функционализации антибактериальными катионами Ag или Zn в количестве 1,0 масс. % кальций-магний фосфатных цементных порошков с мольным соотношением (Ca+Mg)/P=2 и долей Mg/(Ca+Mg) равной 40 %.

4. Улучшенные биологические свойства КМФЦ материалов в физиологических условиях, а именно остеокондуктивность и биорезорбируемость, достигаются за счет присутствия катионов Mg и Ag в структуре цементного материала, согласно результатам in vivo, закрытие костного дефекта наблюдается к 24 неделе и после имплантации.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы изложены в 20 статьях в рецензируемых научных журналах, из них 9 — в журналах, рекомендованных ВАК. Результаты, входящие в работу, были представлены на российских и международных конференциях и форумах: Курчатовская молодежная научная школа (2025, г. Москва); VI Национальный Конгресс по Регенеративной Медицине (2024, г. Санкт-Петербург); XXII Менделеевский съезд по общей и неорганической химии (2024, г. Сочи); Российские ежегодные конференции молодых научных сотрудников и аспирантов XIII-XIX «Физико-химия и технология неорганических материалов» (2019-2024, г. Москва); 7th International Conference on Physical Chemistry & Functional Materials (PCFM24) (2024, Малатия, Турция); VIII-XIII Конференции молодых ученых по общей и неорганической химии (2020-2023, г. Москва); V Национальный

13

Конгресс по Регенеративной Медицине (2022, г. Москва); Курчатовская молодежная научная школа (2023, г. Москва); Междисциплинарный научный форум с международным участием «Новые материалы и перспективные технологии» (2020, г. Москва); III—IV Международные научные конференции «Наука Будущего» (2019, г. Сочи; 2020, г. Москва); IV—V Всероссийские форумы «Наука будущего - наука молодых» (2019, г. Сочи; 2020, г. Москва); XV Международный Российско-Китайский симпозиум «Новые материалы и технологии» (2019, г. Сочи); Межрегиональные научно-технические конференции «Научно-практические проблемы в области химии и химических технологий» (2019—2022, г. Апатиты); Юбилейные Ломоносовские чтения (2019, г. Москва); Международный молодежный научный форум «Л0М0Н0С0В-2020» (2020, г. Москва); 4th International Conference on Physical Chemistry and Functional Materials (PCFM21) (2021, Элазиг, Турция); Ежегодный Саммит молодых ученых и инженеров «Большие вызовы для общества, государства и науки» (2019, г. Сочи).

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием взаимодополняющих методов физико-химического анализа и воспроизводимостью экспериментальных данных, а также их согласованностью с литературными данными.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 143 наименований. Материал изложен на 119 страницах машинописного текста и содержит 12 таблиц, 25 рисунков.

Благодарность автора

Автор диссертации выражает признательность и огромную благодарность своему научному руководителю член-корр. РАН, д.т.н. Комлеву Владимиру Сергеевичу за неоценимую помощь, поддержку, получение ценных рекомендаций и навыков в области микрокомпьютерной томографии.

Автор выражает особую благодарность к.т.н. Гольдберг Маргарите Александровне за идейное вдохновение, личный вклад и помощь в проведении исследований и обсуждении результатов. Отдельную благодарность к.т.н. Петраковой Наталье Валерьевне за помощь в обсуждении результатов и подготовке автореферата, а также автор благодарит коллектив лаборатории керамических композиционных материалов ИМЕТ РАН №20 и лично:

член-корр. РАН, д.т.н. Баринова Сергея Мироновича, к.т.н. Фомина

Александра Сергеевича, к.т.н. Хайрутдинову Динару Рустамовну, Антонову Ольгу Станиславовну, к.х.н. Фадееву Инну Вилоровну, к.т.н. Федотова Александра Юрьевича, к.т.н. Оболкину Татьяну Олеговну, к.т.н. Смирнова Сергея Валерьевича, Донскую Надежду Олеговну, Смирнова Игоря Валерьевича, Тютькову Юлию Борисовну, за всестороннюю поддержку, ценные советы, и помощь в проведении исследований. Отдельная благодарность секретарю Диссертационного совета ИМЕТ РАН 24.1.078.04 (Д 002.060.04) к.г.-м.н. Ивичевой Светлане Николаевне за профессиональную помощь в подготовке диссертационной работы к защите.

Отдельная благодарность коллективу МНИОИ им. П.А. Герцена - филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России проф., д.б.н. Сергеевой Наталье Сергеевне, к.б.н. Свиридовой Ирине Константиновне, к.б.н. Кирсановой Валентине Александровне, к.б.н. Ахмедовой Сурае Абдуллаевне за содействие в проведении экспериментов, консультации на этапе подготовки диссертации и получение ценных рекомендаций.

Автор выражает благодарность семье, родственникам и близким людям за оказанную поддержку и терпение.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В настоящее время интенсивные исследования посвящены разработке новых биоматериалов и медицинских изделий для замещения костной ткани в реконструктивной хирургии с целью повышения их безопасности, терапевтической и экономической эффективности. Человеческая кость представляет собой высокодинамичную живую ткань с внутренней способностью к самовосстановлению после травмы [1] Однако, регенеративная способность костной ткани человека может быть ограничена в связи с обширным дефектом. В таких случаях часто требуется применение специальных материалов для заполнения костного дефекта и полного восстановления костной ткани. Идеальной целью регенеративной медицины является создание биоматериала с теми же иммунологическими, функциональными, структурными и механическими характеристиками, что и костная ткань [2]. Таким образом, специалисты выделяют следующие требования для костнозамещающих материалов, они должны быть: биосовместимыми, биорезорбируемыми, остеокондуктивными и остеоиндуктивными, в конечном итоге материал должен замещаться новообразованной костной тканью [3]. Кроме того, они должны быть простыми в использовании, безопасными и экономически эффективными [4]. Для того чтобы соответствовать этим критериям, было протестировано большое количество биоматериалов для регенерации костной ткани in vivo [5]. Однако, ни один из доступных в настоящее время биоматериалов не обладает всеми желаемыми характеристиками, которыми должен обладать материал для замещения и восстановления костной ткани. Поэтому в лабораторных условиях развиваются и создаются новые подходы к получению «идеального» биоматериала.

1.1 Особенности костной ткани

Костная ткань представляет собой натуральный трехмерный органо-неорганический композит, состоящий из коллагеновых фибрилл и низкокристаллических частиц неорганических материалов [6]. Основной неорганический компонент минерализованной костной ткани представляет собой фазу гидроксиапатита (ГА) с дефицитом кальция (Са10-х(НР04)х(Р04)6-х(0Н)2-х), частично обогащенного замещающими ионами (С03)2-, (Mg)2+, ^г)2+, F-, (НР04)2-. Прочность кортикального слоя костной ткани составляет 1,9-7,0 МПа, а прочность трабекулярной части 86,0-164,0 МПа [7]. Хотя естественная кость обладает значительной способностью к самовосстановлению, существуют заболевания и состояния, такие как остеопороз, опухоли, травмы и другие факторы, которые могут вызывать дефекты костей, превышающие естественную способность организма к восстановлению [8]. Например, биоматериалы со структурным и химическим составом, сходным с нативной костной тканью, могут быть перспективными для восстановления, замены, поддержки или обогащения функций твердых тканей [9]. В настоящее время представлен широкий спектр биоматериалов: порошки, гранулы, плотные или пористые каркасы, а также биоактивные покрытия на металлических или полимерных имплантатах. Известно, что биоматериалы на основе фосфатов кальция (ФК) являются биосовместимыми, обладают способностью растворяться в организме человека -биодеградируемостью, проявляют биоактивность и остеокондуктивность. За последние 30 лет были достигнуты определенные успехи в этой области [10]

1.2 Керамические биоматериалы на основе фосфатов кальция

Среди различных форм ФК наиболее востребованными в медицине являются ортофосфаты. Эти вещества отличаются по химическому и фазовому составу, уровню рН, скорости растворения и резорбции, как показано в таблице 1. Основные ФК кристаллизуются в бинарной системе Са0-Р205 (Са-

P). Соотношение Ca/P в составе ФК демонстрирует взаимосвязь между составом, структурой и свойствами.

Таблица 1. Основные ФК их растворимость и резорбция

Название Формула Ca/P Растворимость при 25 °С (г/л) Оценка резорбции

ГА Caio(PO4)6(OH)2 1,67 ~0,0003 —

а-ТКФ а-Саз(Р04)2 1,5 ~0,0025 +

ß-ТКФ ß- Саз(Р04)2 1,5 ~0,0005 -

АФК CaxHy(PO4)zxnH2O, n=3-4,5, 15-20% H2O 1,22,0

Октакальциевый фосфат (ОКФ) Ca8(HPO4)2(PO4)4x 5H2O 1,33 ~0,0081 ++

ДКФ CaHPO4 1,0 ~0,048 ++

Дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД) CaHPO4^2H2O 1,0 ~0,088 + +

Тетракальциевый фосфат (ТеТКФ) Ca4(PO4)2 2,0 ~0,0007 +

Примечание. ГА: гидроксиапатит, а-ТКФ: а-трикальцийфосфат, Р-ТКФ: Р-трикальцийфосфат, АФК: аморфный фосфат кальция. Невозможно точно определить степень растворимости АФК при 25 °С. Однако сравнительная растворимость в кислом буфере составляет АФК >> а-ТКФ >> в-ТКФ >> ГА. Оценка резорбции: "—" - очень слабая (время резорбции менее полугода), "-" - невысокая (время резорбции порядка полугода), "+" - высокая, "++" - очень высокая (время резорбции порядка 3 месяцев) [11].

ГА (Са10(РО4)6(ОН)2) имеет гексагональную кристаллическую структуру с пространственной группой Р63/т. Ранее он считался лучшим синтетическим аналогом костной ткани, однако его недостаточные механические свойства и низкая резорбция ограничили его применение для восстановления костных дефектов. Некоторые недавние исследования показали, что фаза типа витлокита может быть альтернативой [12]. Витлокит имеет ромбоэдрическую кристаллическую структуру, с пространственной группой Я3С щелочных и щелочноземельных металлов, которые существуют в природе в виде минералов: в-трикальцийфосфата (в-ТКФ, Са3(Р04)2), в-трикальциево-магниевого фосфата (М^-Р-ТКФ, Ca2.86Mg0.14 (Р04)2) станфилдита (Са,

18

Mg)3(PO4)2[13], мерриллита (Ca9MgNa (PO4)7)[14] и костного витлокита (Ca18Mg2H2(PO4)14/Ca9Mg(HPO4)(PO4)6) [15]. В нашем институте разработаны и широко применяются керамические гранулы для заполнения костных дефектов на основе фаз ФК, таких как, ТКФ - TriCaFor®, октакальциевого фосфата (ОКФ) - OctaFor® и Гистографт®. Однако данный вид материалов применяется в области стоматологии и случаях, когда не реализуется нагрузка на поврежденный участок кости. Помимо паст, гранул или монолитов, биокерамика используется для покрытия биоинертных имплантатов для предотвращения фиброзной инкапсуляции и улучшения их способности к костному сцеплению [16]. Тем не менее, по сравнению с аутотрансплантатами, используемые в настоящее время биоактивные материалы характеризуются недостаточной скоростью резорбцией в условиях in vivo, ограничивая регенеративный эффект [17], остатки материала могут приводить к переломам новообразованной кости и повышать риск воспалительного процесса. Для преодоления этих ограничений разрабатываются новые костнозамещающие материалы с учетом их потенциала для полной замены естественной костной ткани. Основополагающим требованием для этого является растворимость биоматериала с кинетикой деградации, соответствующей скорости остеогенеза [18] .

1.3 Процесс резорбции биоматериала

Биорезорбция включает как химическое растворение, так и клеточную резорбцию материала, и в целом считается важным требованием к идеальному биоматериалу [19]. В то время как растворимость является химическим свойством, присущим материалу, и зависит от условий окружающей среды, таких как рН, ионный состав и температура, клеточная резорбция может осуществляться макрофагами и остеокластами [20]. Макрофаги, являясь частью иммунного ответа хозяина, обычно удаляют чужеродный материал путем фагоцитоза [21]. Эти клетки особенно активны в ранней фазе (1-7-й день) остеогенеза кости и в основном отвечают за деградацию

19

быстрорастворимых фаз. Остеокласты, напротив, по своей природе специализируются на резорбции материалов, соответствующих компонентам нативной кости, в частности аморфных фаз ФК и белков [22]. Это позволяет остеокластам создавать костные полости со скоростью миграции 50-100 мкм/сутки. Для растворения неорганических и органических компонентов биоматериала они выделяют соляную кислоту и протеолитические ферменты, такие как катепсин К [23]. Опосредованная остеокластами резорбция - очень медленный процесс и происходит на поздней стадии остеогенеза костной ткани [24].

Помимо резорбции кости остеокласты играют ключевую роль в ремоделировании кости, благодаря трансцеллюлярному высвобождению ионов кальция и их взаимодействию с остеобластами в основной многоклеточной единице [25]. Следовательно, даже в том случае, если остеокласты не участвуют в резорбции биоматериала, их адгезия, активация или ингибирование влияют на процесс регенерации кости. Известными материалами, которые не резорбируются остеокластами, являются дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД, брушит) [26], биостекла и различные синтетические полимеры [27]. Поскольку химические (например, состав, растворимость) свойства биоматериала влияют на адгезию и резорбтивную активность остеокластов, то структурные свойства (кристалличность и пористость) влияют на совместимость остеокластов с материалом, а наличие пористой структуры необходимо для оценки эффективности восстановления костной ткани.

1.4 О роли магния в организме

Магний (М^) - является полностью нетоксичным и биорезорбируемым

металлом, который так же, как и кальций способствует образованию здоровых

костей и приводит к уменьшению риска остеопороза [28]. Магний является

одним из существенных элементов для всех живых организмов, примерно -65

% общего количества Mg в организме человека находится в зубах и костях, а

оставшиеся 35-40% находятся в мягких тканях, органах и в крови. М§

20

стимулирует мышечную активность сердечной мышцы, тем самым помогает сохранять стабильный сердечный ритм. В последние годы значительно возрос интерес к полностью биорезорбируемым костным материалам на основе магния. Это касается как магниевых сплавов [29], так и керамики на основе фаз фосфата магния (ФМ) [30].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Крохичева Полина Алексеевна, 2026 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Zhu G. и др. Bone physiological microenvironment and healing mechanism: Basis for future bone-tissue engineering scaffolds // Bioactive Materials. 2021. Т. 6, № 11.

2. Edgar L. и др. Regenerative medicine, organ bioengineering and transplantation // British Journal of Surgery. 2020. Т. 107, № 7.

3. Kondi S., Gowda S .R. Principles of bone healing // Surgery (United Kingdom). 2023. Т. 41, № 10.

4. Chandra G., Pandey A. Design approaches and challenges for biodegradable bone implants: a review // Expert Review of Medical Devices. 2021. Т. 18, № 7.

5. Chandra G., Pandey A. Biodegradable bone implants in orthopedic applications: a review // Biocybernetics and Biomedical Engineering. 2020. Т. 40, № 2.

6. Курдюков Е.Е. и др. Механизм заживления травм костной ткани и переломов // ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ. 2022. Т. 92, № 13.

7. Mosekilde L., Mosekilde L. Normal vertebral body size and compressive strength: Relations to age and to vertebral and iliac trabecular bone compressive strength // Bone. 1986. Т. 7, № 3.

8. Zhang H. и др. Demineralized Bone Matrix Carriers and their Clinical Applications: An Overview // Orthopaedic Surgery. 2019. Т. 11, № 5.

9. Belluomo R., Khodaei A., Amin Yavari S. Additively manufactured Bi-functionalized bioceramics for reconstruction of bone tumor defects // Acta Biomaterialia. 2023. Т. 156.

10. Barinov S.M. Calcium phosphate-based ceramic and composite materials for medicine // Russian Chemical Reviews. 2010. Т. 79, № 1.

11. Сафронова Т.В. Неорганические материалы для регенеративной медицины // Неорганические материалы. 2021. Т. 57, № 5.

12. Batool S. и др. Bone whitlockite: synthesis, applications, and future prospects // Journal of the Korean Ceramic Society. 2021. Т. 58, № 5.

13. Britvin S.N. и др. Crystal chemistry of stanfieldite, Ca7 M2 Mg9 (PO4)12 (M = Ca, Mg, Fe2+), a structural base of Ca3 Mg3 (Po4)4 phosphors // Crystals (Basel). 2020. Т. 10, № 6.

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

Miura Y., Matsumoto Y. Merillite, a whitlockite-group mineral in Yamato-75 chondrites. // Memoirs, National Institute of Polar Research, Tokyo, Special Issue,. 1982. T. 25.

Liu Q.Z. h gp. Bioactive magnesium-based whitlockite ceramic as bone cement additives for enhancing osseointegration and bone regeneration // Mater Des. 2023. T. 229.

Su Y. h gp. Biofunctionalization of metallic implants by calcium phosphate coatings // Bioactive Materials. 2019. T. 4.

Filip D.G. h gp. Current Development in Biomaterials—Hydroxyapatite and Bioglass for Applications in Biomedical Field: A Review // Journal of Functional Biomaterials. 2022. T. 13, № 4.

Li Y. h gp. Overview of methods for enhancing bone regeneration in distraction osteogenesis: Potential roles of biometals // Journal of Orthopaedic Translation. 2021. T. 27.

LeGeros R.Z. Biodegradation and bioresorption of calcium phosphate ceramics // Clinical Materials. 1993. T. 14, № 1.

Romero-Lopez M. h gp. Macrophage effects on mesenchymal stem cell osteogenesis in a three-dimensional in vitro bone model // Tissue Eng Part A. 2020. T. 26, № 19-20.

Wang H. h gp. Hippo-YAP/TAZ signaling in osteogenesis and macrophage polarization: Therapeutic implications in bone defect repair // Genes and Diseases. 2023. T. 10, № 6.

Luo Z. h gp. Notch Signaling in Osteogenesis, Osteoclastogenesis, and Angiogenesis // American Journal of Pathology. 2019. T. 189, № 8.

Chen F. h gp. Effects of hydroxyapatite surface nano/micro-structure on osteoclast formation and activity // J Mater Chem B. 2019. T. 7, № 47.

Armiento A.R. h gp. Functional Biomaterials for Bone Regeneration: A Lesson in Complex Biology // Advanced Functional Materials. 2020. T. 30, № 44.

Charles J.F., Aliprantis A.O. Osteoclasts: More than «bone eaters» // Trends in Molecular Medicine. 2014. T. 20, № 8.

Theiss F. h gp. Biocompatibility and resorption of a brushite calcium phosphate cement // Biomaterials. 2005. T. 26, № 21.

Steffi C. h gp. Modulation of osteoclast interactions with orthopaedic biomaterials // Journal of Functional Biomaterials. 2018. T. 9, № 1.

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

Zoroddu M.A. h gp. The essential metals for humans: a brief overview // Journal of Inorganic Biochemistry. 2019. T. 195.

Yang Y. h gp. Mg bone implant: Features, developments and perspectives // Materials and Design. 2020. T. 185.

Gu X. h gp. Biodegradable magnesium phosphates in biomedical applications // Journal of Materials Chemistry B. Royal Society of Chemistry, 2022. T. 10, № 13. C. 2097-2112.

Brar H.S. h gp. Magnesium as a biodegradable and bioabsorbable material for medical implants // JOM. 2009. T. 61, № 9.

Heimann R.B. Magnesium alloys for biomedical application: Advanced corrosion control through surface coating // Surf Coat Technol. 2021. T. 405.

Kowalewicz K. h gp. In-vivo degradation behavior and osseointegration of 3d powder-printed calcium magnesium phosphate cement scaffolds // Materials. 2021. T. 14, № 4.

Bavya Devi K. h gp. Magnesium Phosphate Bioceramics for Bone Tissue Engineering // Chemical Record. 2022. T. 22, № 11.

Wang H., Shi Z. In vitro biodegradation behavior of magnesium and magnesium alloy // J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2011. T. 98 B, № 2.

Chen Y. h gp. Biodegradation and biocompatibility of calcium phosphate-coated magnesium in eye environment, in vitro and in vivo // Journal of Magnesium and Alloys. 2023.

Wang C. h gp. The effect of pore size on the mechanical properties, biodegradation and osteogenic effects of additively manufactured magnesium scaffolds after high temperature oxidation: An in vitro and in vivo study // Bioact Mater. 2023. T. 28.

Carreras-Sempere M. h gp. Effect of Fertigation with Struvite and Ammonium Nitrate on Substrate Microbiota and N2O Emissions in a Tomato Crop on Soilless Culture System // Agronomy. 2024. T. 14, № 1.

Nabiyouni M. h gp. Magnesium-based bioceramics in orthopedic applications // Acta Biomaterialia. 2018. T. 66.

Brueckner T. h gp. Biomechanical evaluation of promising different bone substitutes in a clinically relevant test set-up // Materials. 2019. T. 12, № 9.

Krokhicheva P.A. h gp. Bone Cements Based on Struvite: The Effect of Vancomycin Loading and Assessment of Biocompatibility and

Osteoconductive Potentials In Vivo // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021. T. 66, № 8.

42. Pang B. h gp. Effects of K-struvite on hydration behavior of magnesium potassium phosphate cement // Constr Build Mater. 2021. T. 275.

43. Ostrowski N., Roy A., Kumta P.N. Magnesium Phosphate Cement Systems for Hard Tissue Applications: A Review // ACS Biomater Sci Eng. 2016. T. 2, № 7. C. 1067-1083.

44. Kanter B. h gp. Bone regeneration capacity of magnesium phosphate cements in a large animal model // Acta Biomater. 2018. T. 69.

45. Haque M.A., Chen B. In vitro and in vivo research advancements on the magnesium phosphate cement biomaterials: A review // Materialia (Oxf). 2020. T. 13.

46. Williams T.D. h gp. Bone Cements Used in Vertebral Augmentation: A State-of-the-art Narrative Review // J Pain Res. Dove Press, 2024. T. 17. C. 10291040.

47. Wang M. h gp. Selections of Bone Cement Viscosity and Volume in Percutaneous Vertebroplasty: A Retrospective Cohort Study // World Neurosurg. Elsevier, 2021. T. 150. C. e218-e227.

48. Filippiadis D.K. h gp. Percutaneous Vertebroplasty and Kyphoplasty: Current Status, New Developments and Old Controversies // CardioVascular and Interventional Radiology. 2017. T. 40, № 12.

49. Ma Y. h gp. Effects of teriparatide versus percutaneous vertebroplasty on pain relief, quality of life and cost-effectiveness in postmenopausal females with acute osteoporotic vertebral compression fracture: A prospective cohort study // Bone. 2020. T. 131.

50. Imamudeen N. h gp. Management of Osteoporosis and Spinal Fractures: Contemporary Guidelines and Evolving Paradigms // Clinical Medicine and Research. 2022. T. 20, № 2.

51. Fevang B.T.S. h gp. Results after 562 total elbow replacements: A report from the Norwegian Arthroplasty Register // J Shoulder Elbow Surg. 2009. T. 18, № 3.

52. Johnstone B.R. h gp. Cemented Versus Uncemented Surface Replacement Arthroplasty of the Proximal Interphalangeal Joint With a Mean 5-Year Follow-Up // Journal of Hand Surgery. 2008. T. 33, № 5.

53. Lewis G. Injectable bone cements for use in vertebroplasty and kyphoplasty: State-of-the-art review // Journal of Biomedical Materials Research - Part B Applied Biomaterials. 2006. T. 76, № 2.

54. Saleh K.J. h gp. Acrylic bone cement in total joint arthroplasty: A review // Journal of Orthopaedic Research. 2016. T. 34, № 5.

55. Patil N.A., Kandasubramanian B. Biological and mechanical enhancement of zirconium dioxide for medical applications // Ceramics International. 2020. T. 46, № 4.

56. Li C., Mason J., Yakimicki D. Thermal characterization of PMMA-based bone cement curing // J Mater Sci Mater Med. 2004. T. 15, № 1.

57. Thomas P. h gp. [Allergy to bone cement components]. // Orthopade. 2008. T. 37, № 2.

58. McLaughlin R.E., Barkalow J.A., Allen M.S. Pulmonary toxicity of methyl methacrylate vapors: An environmental study // Arch Environ Health. 1979. T. 34, № 5.

59. Fernández E. h gp. Kinetic study of the setting reaction of a calcium phosphate bone cement // J Biomed Mater Res. John Wiley & Sons Inc, 1996. T. 32, № 3. C. 367-374.

60. Xu H.H.K. h gp. Calcium phosphate cements for bone engineering and their biological properties // Bone Research. 2017. T. 5.

61. Gong Y., Zhang B., Yan L. A Preliminary Review of Modified Polymethyl Methacrylate and Calcium-Based Bone Cement for Improving Properties in Osteoporotic Vertebral Compression Fractures // Front Mater. Frontiers Media S.A., 2022. T. 9. C. 912713.

62. Lukina Y. h gp. Calcium Phosphate Cements as Carriers of Functional Substances for the Treatment of Bone Tissue // Materials 2023, Vol. 16, Page 4017. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2023. T. 16, № 11. C. 4017.

63. Wang X.H. h gp. Advances in the modification of injectable calcium-phosphate-based bone cements for clinical application // Chin Med J (Engl). Lippincott Williams and Wilkins, 2020. T. 133, № 21. C. 2610-2612.

64. Yousefi A.M. A review of calcium phosphate cements and acrylic bone cements as injectable materials for bone repair and implant fixation // J Appl Biomater Funct Mater. SAGE Publications Ltd, 2019. T. 17, № 4.

65. Dorozhkin S. V. Calcium orthophosphates in nature, biology and medicine // Materials. 2009. T. 2, № 2.

66. Zhong Y., Li S. New Progress in Improving the Delivery Methods of Bisphosphonates in the Treatment of Bone Tumors // Drug Design, Development and Therapy. 2021. T. 15.

67. Larsson S., Hannink G. Injectable bone-graft substitutes: Current products, their characteristics and indications, and new developments // Injury. 2011. T. 42, № SUPPL. 2.

68. Von Gonten A.S., Kelly J.R., Antonucci J.M. Load-bearing behavior of a simulated craniofacial structure fabricated from a hydroxyapatite cement and bioresorbable fiber-mesh // J Mater Sci Mater Med. 2000. T. 11, № 2.

69. Ribeiro N. h gp. Improvement of a commercial calcium phosphate bone cement by means of drug delivery and increased injectability // Ceram Int. 2022. T. 48, № 22.

70. Kent N.W. h gp. In vitro and in vivo study of commercial calcium phosphate cement HydroSet™ // J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2018. T. 106, № 1.

71. Hidaka N. h gp. Calcium phosphate bone cement for treatment of distal radius fractures: A preliminary report // Journal of Orthopaedic Science. 2002. T. 7, № 2.

72. Gelli R., Ridi F. An Overview of Magnesium-Phosphate-Based Cements as Bone Repair Materials // Journal of Functional Biomaterials. 2023. T. 14, № 8.

73. Driessens F.C.M. h gp. Formulation and setting times of some calcium orthophosphate cements: a pilot study // J Mater Sci Mater Med. 1993. T. 4, № 5.

74. Kanter B. h gp. Bone regeneration capacity of magnesium phosphate cements in a large animal model // Acta Biomater. Acta Materialia Inc, 2018. T. 69. C. 352-361.

75. Magister S. h gp. Clinical parameters and radiographic resorption of a novel magnesium based bone void filler // Injury. Elsevier, 2022. T. 53, № 3. C. 947952.

76. Gelli R., Ridi F. An Overview of Magnesium-Phosphate-Based Cements as Bone Repair Materials. 2023.

77. Roller B.L. h gp. Use of a Novel Magnesium-Based Resorbable Bone Cement for Augmenting Anchor and Tendon Fixation // Am J Orthop (Belle Mead NJ). 2018. T. 47, № 2.

78. Gu X. h gp. Biodegradable magnesium phosphates in biomedical applications // J Mater Chem B. The Royal Society of Chemistry, 2022. T. 10, № 13. C. 2097-2112.

79. Tian Y. h gp. Research progress on the application of magnesium phosphate bone cement in bone defect repair: A review // Biomed Mater Eng. IOS Press BV, 2024. T. 35, № 3. C. 265-278.

80. Ostrowski N., Roy A., Kumta P.N. Magnesium Phosphate Cement Systems for Hard Tissue Applications: A Review // ACS Biomaterials Science and Engineering. American Chemical Society, 2016. T. 2, № 7. C. 1067-1083.

81. Tan S. h gp. Inj ectable bone cement with magnesium-containing microspheres enhances osteogenesis via anti-inflammatory immunoregulation // Bioact Mater. 2021. T. 6, № 10.

82. Zheng Y. h gp. Effect of raw materials and proportion on mechanical properties of magnesium phosphate cement // Journal of Road Engineering. 2022. T. 2, № 3.

83. Meng X. h gp. Research progress on the setting time and solidification mechanism of magnesium phosphate cement: A review // Construction and Building Materials. 2023. T. 408.

84. Yu L. h gp. Carboxymethyl chitosan-alginate enhances bone repair effects of magnesium phosphate bone cement by activating the FAK-Wnt pathway // Bioact Mater. 2023. T. 20.

85. Yan M. h gp. Modified calcium magnesium phosphate bone cement with improved microenvironment // Ceram Int. 2022. T. 48, № 22.

86. Chen F., Song Z., Liu C. Fast setting and anti-washout injectable calcium-magnesium phosphate cement for minimally invasive treatment of bone defects // J Mater Chem B. 2015. T. 3, № 47.

87. Olkowski R. h gp. Cytocompatibility of the selected calcium phosphate based bone cements: Comparative study in human cell culture // J Mater Sci Mater Med. 2015. T. 26, № 12.

88. He H. h gp. Developing a novel magnesium calcium phosphate/sodium alginate composite cement with high strength and proper self-setting time for bone repair // J Biomater Appl. 2021. T. 36, № 2.

89. Liu W. h gp. High-strength calcium silicate-incorporated magnesium phosphate bone cement with osteogenic potential for orthopedic application // Compos B Eng. 2022. T. 247.

90. Goldberg M.A. и др. Insitu magnesium calcium phosphate cements formation: From one pot powders precursors synthesis to in vitro investigations // Bioact Mater. KeAi Communications Co., 2020. Т. 5, № 3. С. 644-658.

91. Heilig P. и др. Augmentation of suture anchors with magnesium phosphate cement - Simple technique with striking effect // J Mech Behav Biomed Mater.

2022. Т. 128.

92. С.А. Божкова А.А.Н.В.А.К. Современные возможности локальной антибиотикотерапии перипротезной инфекции и остеомиелита (обзор литературы) // Травматология и ортопедия России. 2015. Т. 3.

93. Zilberman M., Eisner J.J. Antibiotic-eluting medical devices for various applications // Journal of Controlled Release. 2008. Т. 130, № 3.

94. Stravinskas M. и др. Antibiotic Containing Bone Substitute in Major Hip Surgery: A Long Term Gentamicin Elution Study // J Bone Jt Infect. 2018. Т.

3, № 2.

95. Alegrete N. и др. Local Antibiotic Delivery Ceramic Bone Substitutes for the Treatment of Infected Bone Cavities and Bone Regeneration: A Systematic Review on What We Have Learned from Animal Models // Materials. 2023. Т. 16, № 6.

96. Kyllonen L. и др. Local drug delivery for enhancing fracture healing in osteoporotic bone // Acta Biomater. 2015. Т. 11, № 1.

97. Zou P. и др. Spinal epidural hematoma after percutaneous kyphoplasty: Case report and literature review // J Pain Res. 2020. Т. 13.

98. Lu Q. и др. Biomechanical evaluation of calcium phosphate-based nanocomposite versus polymethylmethacrylate cement for percutaneous kyphoplasty // Spine Journal. 2019. Т. 19, № 11.

99. Hess U. и др. Co-delivery of cisplatin and doxorubicin from calcium phosphate beads/matrix scaffolds for osteosarcoma therapy // Materials Science and Engineering C. 2017. Т. 77.

100. Pylostomou A., Demir O., Loca D. Calcium phosphate bone cements as local drug delivery systems for bone cancer treatment // Biomaterials Advances.

2023. Т. 148.

101. Loca D. и др. Calcium phosphate bone cements for local vancomycin delivery // Materials Science and Engineering C. 2015. Т. 49, № 1.

102. Ferguson J., Diefenbeck M., Mcnally M. Ceramic Biocomposites as Biodegradable Antibiotic Carriers in the Treatment of Bone Infections // Journal of Bone and Joint Infection. 2017. Т. 2, № 1.

103. Fosca M., Rau J. V., Uskokovic V. Factors influencing the drug release from calcium phosphate cements // Bioactive Materials. 2022. T. 7.

104. Sasaki T. h gp. In vitro elution of vancomycin from calcium phosphate cement // Journal of Arthroplasty. 2005. T. 20, № 8.

105. Ikeda S. h gp. Double-layered antibiotic-loaded cement spacer as a novel alternative for managing periprosthetic joint infection: An in vitro study // J Orthop Surg Res. 2018. T. 13, № 1.

106. Van Lieshout E.M.M. h gp. Microstructure and biomechanical characteristics of bone substitutes for trauma and orthopaedic surgery // BMC Musculoskelet Disord. 2011. T. 12.

107. Sugo K. h gp. Antibiotic elution profile and physical properties of a novel calcium phosphate cement material // Journal of the Ceramic Society of Japan. 2016. T. 124, № 9.

108. Gelli R. h gp. Tuning the properties of magnesium phosphate-based bone cements: Effect of powder to liquid ratio and aqueous solution concentration // Materials Science and Engineering C. 2019. T. 95.

109. Parent M. h gp. Design of calcium phosphate ceramics for drug delivery applications in bone diseases: A review of the parameters affecting the loading and release of the therapeutic substance // Journal of Controlled Release. 2017. T. 252.

110. Fan S., Chen B. Experimental study of phosphate salts influencing properties of magnesium phosphate cement // Constr Build Mater. 2014. T. 65.

111. Zhang J. h gp. Concentration-dependent osteogenic and angiogenic biological performances of calcium phosphate cement modified with copper ions // Materials Science and Engineering C. 2019. T. 99.

112. Mestres G. h gp. Antimicrobial properties and dentin bonding strength of magnesium phosphate cements // Acta Biomater. 2013. T. 9, № 9.

113. Graziani V. h gp. Zinc-releasing calcium phosphate cements for bone substitute materials // Ceram Int. 2016. T. 42, № 15.

114. Eltohamy M. h gp. Anti-bacterial zinc-doped calcium silicate cements: Bone filler // Ceram Int. 2018. T. 44, № 11.

115. Li G. h gp. Fe-doped brushite bone cements with antibacterial property // Mater Lett. 2018. T. 215.

116. Mestres G., Ginebra M.P. Novel magnesium phosphate cements with high early strength and antibacterial properties // Acta Biomater. 2011. T. 7, № 4.

117. Anees Ahmad S. h gp. Bactericidal activity of silver nanoparticles: A mechanistic review // Materials Science for Energy Technologies. 2020. T. 3.

118. Yin I.X. h gp. The antibacterial mechanism of silver nanoparticles and its application in dentistry // International Journal of Nanomedicine. 2020. T. 15.

119. Liao S. h gp. Antibacterial activity and mechanism of silver nanoparticles against multidrug-resistant pseudomonas aeruginosa // Int J Nanomedicine. 2019. T. 14.

120. Feng Q.L. h gp. A mechanistic study of the antibacterial effect of silver ions on Escherichia coli and Staphylococcus aureus // J Biomed Mater Res. 2000. T. 52, № 4.

121. K^dziora A. h gp. Similarities and differences between silver ions and silver in nanoforms as antibacterial agents // International Journal of Molecular Sciences. 2018. T. 19, № 2.

122. Withers P.J. h gp. X-ray computed tomography // Nature Reviews Methods Primers 2021 1:1. Nature Publishing Group, 2021. T. 1, № 1. C. 1-21.

123. Keklikoglou K. h gp. Micro-CT for Biological and Biomedical Studies: A Comparison of Imaging Techniques // Journal of Imaging 2021, Vol. 7, Page 172. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2021. T. 7, № 9. C. 172.

124. Komlev V.S. h gp. X-ray synchrotron radiation pseudo-holotomography as a new imaging technique to investigate angio-and microvasculogenesis with no usage of contrast agents // Tissue Eng Part C Methods. 2009. T. 15, № 3.

125. Komlev V. h gp. Biodegradation of porous calcium phosphate scaffolds in an ectopic bone formation model studied by X-ray computed microtomograph // Eur Cell Mater. 2010. T. 19.

126. Mazonakis M., Damilakis J. Computed tomography: What and how does it measure? // Eur J Radiol. Elsevier, 2016. T. 85, № 8. C. 1499-1504.

127. Stoppie N., Wevers M., Naert I. Feasibility of detecting trabecular bone around percutaneous titanium implants in rabbits by in vivo microfocus computed tomography // J Microsc. Blackwell Publishing Ltd, 2007. T. 228, № 1. C. 5561.

128. Krokhicheva P.A. h gp. Zn-Doped Calcium Magnesium Phosphate Bone Cement Based on Struvite and Its Antibacterial Properties // Materials. 2023. T. 16, № 13.

129. Ressler A. h gp. Multiphase zinc and magnesium mono-substituted calcium phosphates derived from cuttlefish bone: A multifunctional biomaterials // Ceram Int. 2023. T. 49, № 7.

130. Araûjo J.C. h gp. Maximum substitution of magnesium for calcium sites in Mg-P-TCP structure determined by X-ray powder diffraction with the Rietveld refinement // Mater Chem Phys. 2009. T. 118, № 2-3.

131. Marchi J. h gp. Influence of Mg-substitution on the physicochemical properties of calcium phosphate powders // Mater Res Bull. 2007. T. 42, № 6.

132. Dickens B., Schroeder L.W., Brown W.E. Crystallographic studies of the role of Mg as a stabilizing impurity in P-Ca3(PO4)2. The crystal structure of pure P-Ca3(PO4)2 // J Solid State Chem. 1974. T. 10, № 3.

133. Pitzer K.S. The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: An Introduction to Modern Structural Chemistry. // J Am Chem Soc. 1960. T. 82, № 15.

134. Goldschmidt V.M. Die Gesetze der Krystallochemie // Naturwissenschaften. 1926. T. 14, № 21.

135. Zhang X. h gp. Temperature dependence of the luminescence of calcium-magnesium phosphate Ca3Mg3(PO4)4:Eu2+, a blue-emitting material for white light-emitting diodes // Mater Res Bull. 2014. T. 51.

136. Dickens B., Brown W.E. The crystal structure of Ca7Mg9(Ca,Mg)2(PO4)12 // TMPM Tschermaks Mineralogische und Petrographische Mitteilungen. 1971. T. 16, № 1-2.

137. Capitelli F. h gp. Neutron and xrd single-crystal diffraction study and vibrational properties of whitlockite, the natural counterpart of synthetic tricalcium phosphate // Crystals (Basel). 2021. T. 11, № 3.

138. Ewald A. h gp. Development and bone regeneration capacity of premixed magnesium phosphate cement pastes // Materials. 2019. T. 12, № 13.

139. BabiC-Ivancic V., Kontrec J., Brecevic L. Formation and transformation of struvite and newberyite in aqueous solutions under conditions similar to physiological // Urol Res. 2004. T. 32, № 5.

140. Kaiser F. h gp. Accelerated bone regeneration through rational design of magnesium phosphate cements // Acta Biomater. 2022. T. 145.

141. Keaveny T.M. h gp. Differences between the tensile and compressive strengths of bovine tibial trabecular bone depend on modulus // J Biomech. 1994. T. 27, № 9.

142. Goldberg M.A. h gp. Magnesium-substituted calcium phosphate bone cements containing MgO as a separate phase: synthesis and in vitro behavior // Mendeleev Communications. Elsevier Srl, 2018. T. 28, № 3. C. 329-331.

143. Mestres G., Ginebra M.P. Novel magnesium phosphate cements with high early strength and antibacterial properties // Acta Biomater. 2011. T. 7, № 4.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ТУ

ГОСТ 3.1105-84 Форма 5

2

ТУ 9398-001-89868501-2012

Перечень разделов регламента: 1 Основные положения 1. ¡Назначение

I,20бласть применения

1 .ЗНорматнвные ссылки

2 Характеристика получаемой лабораторной продукции 2.1 Наименование

2.2Основное назначение

2.3Внешний вид и основные свойства

2.4 Требования к упаковке и маркировке

2.5 Требования к хранению и срокам годности

3 Характеристика исходного сырья и материалов

4 Хранение поступающего сырья и материалов

5 Перечень и спецификация оборудована

6 Технолопгческая схема

7 Описание технологических процессов

7.1 Получение цементных порошков на основе фосфатов кальция и магнпя

7.2Получение кальций-магний фосфатных цементных материалов

8 Переработка и обезвреживание отходов технологического процесса

9 Техника безопасности

10 Перечень инструкций

11 Основные параметры получаемой продукции

1 ]. 1 Цементный порошок на основе кальций-магний фосфатов, содержащий антибактериальные катионы серебра

II.2 Методы контроля параметров

ТУ

ГОСТ 3.1105-84 Форма 5

3

ТУ 9398-001-89868501-2012

1 Основные положения

1.1. Назначенце

Настоящий ЛТР - нормативный документ лаборатории №20 ИМЕТ РАН, устанавливающий методы, условия и порядок проведения технологического процесса изготовления медицинских изделий, а именно, реакционнотвердеющих цементных материалов, предназначенных для восстановлена костных дефектов сложной формы, полученных в результате хирургического лечения дегенеративных заболеваний костной ткани. Обеспечивает достижение оптимальных технико-экономических показателей производства цементного материала на основе фосфатов кальция и магния.

1.2. Область применения

Настоящий ЛТР предназначен для применения в лабораторном производстве материалов изделий биомедицинского назначеши на базе ИМЕТ РАН.

1.3. Нормативные ссылки

Обозначение документа Наименование документа

ГОСТ 2.101-68 Единая система конструкторской документации. Виды изделий

ОК 012-93 Классификатор ЕСКД. Введение

ГОСТ 2.201-80 Единая система конструкторской документации. Обозначение изделий и конструкторских документов

ГостР 57502-2017 Изделия медицинские. Промышленный регламент производства

ГОСТ 15.013-2016 Система разработки и постановки продукции на производство. Медицинские изделия

ТУ

ГОСТ 3.1105-84 Форма 5

4

ТУ 9398-001-89868501-2012

Обозначение документа Наименование документа, на который дана ссылка

ГОСТ 4142-77 Реактивы. Кальций азотистый 4-водиый. Технические условия.

ГОСТ 11088-64 Реактивы. Магний азотистый 6 -водный. Технические условия.

ГОСТ 1277-75 Реактивы .¡Серебро азотнокислое. Технические условия.

ГОСТ 3772-74 Реактивы. Аммоний фосфорнокислый двузамещенные, Технические условия.

ГОСТ 3760-79 Реактивы. Аммиак водный. Технические условия.

ГОСТ 5962-2013 Спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья. Технические условия

та

ГОСТ 3.1105-84 Форма 5

5

ТУ 9398-001-89868501-2012

2 Характеристика получаемой лабораторной продукции 2.1 Наименование

Цементный порошок на основе кальций-магний фосфатов, содержащий антибактериальные катионы серебра, использующийся для получеши цементного материала, применяющегося для восстаноатенпя костной ткани. 2.2 Основное назначение Изделия для ортопедии, травматологии, онкологии, стоматологии. Цементный материал для заполнения костного дефекта и восстановления костной ткани. Проявляет антибактериальную активность в отношении грамположительных Staphylococcus aureus (S. aureus) и грамотрицательных Escherichia coli (E. coli) штаммов бактерий. Ускоряет процесс биорезорбции, способствуя замещению новой костной тканью, снижает количество послеоперационных осложнений, связанных с развитием воспалительного инфекционного процесса, тем самым ускоряет реабилитацию пациентов. 2.3 Внешний вид и основные свойства Изделие представляет собой смесь исходного цементного порошка со специальной цементной жидкостью, в ходе химического взаимодействия происходит формирование цементной пасты с последующим затвердеванием и формированием цементного камня однородного белого или розовато-белого цвета. Материал изделия растворяется в физиологических условиях. Не токсичен. Устойчивы к колебаниям температуры до 100°С. 2.4 Требование к упаковке и маркировке Хранение изделий в следующей комплектности: первичная упаковка (герметичная пластиковая или стеклянная) и вторичная (картонная); упакованные комплекты хранят в специализированных помещениях без доступа света и влаги, без нагрузки. Рекомендуется использовать маркировку с указанием химического и фазового состава, массы вещества, условий хранения, вида продукции, обозначения партии и даты производства. 2.5 Требования к хранению и срокам годности Хранить в герметичной таре в сухом темном месте при температуре не выше 10°С. Срок годности - 20 лет

та

ГОСТ 3.1105-84 Форма 5

6

ТН 25300-001-2022

3. Характеристика исходного сырья и материалов

Группа Наименование Краткое название Требования соответствия Внешний вид, характеристики

А:основное сырье

А1 Нитрат кальция 4-водный Марка «хч» ГОСТ 414277 Кристаллическ ий порошок, цвет белый

А2 Нитрат магния 6-водный Марка «хч» ГОСТ 1108875 Кристаллическ ий порошок, цвет бело-желтый

АЗ Нитрат серебра Марка «ЧДА» ГОСТ 1277-75 Кристаллическ ий порошок, цвет белый

А4 Гндрофосфат аммония Марка «чда» ГОСТ 377274 Кристаллическ ий порошок, цвет белый

А5 Раствор аммиака 25 %-ныл Марка «чда» ГОСТ 376079 Жидкость, бесцветная

Аб Дистиллирова иная вода рН=7,0-7,6 Жидкость, бесцветная

А7 сшфт этиловый ректификован ный из пищевого сырья ГОСТ 59622013 Жидкость, бесцветная

та

ГОСТ 3.1105-84 Форма 5

7

ТИ 25300-001-2022

4. Хранение поступающего сырья и материалов Поступающее сырье и материалы регистрируются в журнале, указывается дата поступления, номер партии, сертификат или паспорт (формуляр) с указанием наименования сырья или материала и его номер, объем партии, пастовщик. Поступающее сырье и материалы должны храниться в хорошо оборудованном крытом складе, раздельно по видам, сортам, партиям прибытия. Каждый отсек должен быть снабжен биркой - указанием наименования и сорта хранящегося материала. Материалы, поступающие в упаковке, должны храниться в сухих закрытых помещениях. На складе сырья поддерживает запас основных видов сырья не менее чем на 2-3 месяца. От каждой партии прибытия сырья в момент разгрузки отбирается средняя проба для проведения проверочных испытаний. До проведения проверочных испытаний без разрешения лаборатории использование сырья по целевому назначению запрещается. Сырье, загрязненное вредными примесями, или не соответствующее требованиям ГОСТ и ТУ. в производстве не используется. Для проведения входного контроля сырья и материалов разработан перечень сырья и материалов, подлежащих входному контролю, содержащий: наименование и марку сырья, обозначение НТД, основное назначение (применение), вид контроля (сплошной или выборочный), параметры, подлежащие контролю, объем выборки или пробы методы и средства проведения контроля.

та

ГОСТ 3.1105-84 Форма 5

ТУ 9398-001-89868501-2012

6 Технологическая схема

6.1 Технологическая схема получения цементного порошка

Склад сырья

Нитрат кальция Са(1\Г03)2 х 4Н20 Нитрат магния: М§(ко3); х 6Н,0 Нитрат серебра Гидрофосфат аммоння Вода Раствор ^N0! (ын4)2нро4 н,о хн4он

1 1 1

Приготовление 1,6 М водного раствора Са(ТГО3)2 Пр иготов ление 1,2 М водного раствора Пр иго го в ле ние 0,5М водного раствора Приготовление 1.0М водного раствора (мн4)2ш<и4

1 1 1 1

Смешение растворов (рН=6,8-7,0), (Са-М»)Т>_2: 4(1-х)Са(ЫОэ)2 - 4хМ§(ТМ03), + 4(ГШ4)2НР04 +1]\]Н4ОН^ Са<^.Мо4/)(Р04Ь -16 МН4КО, - 6 НЮ. гцех=0,2; 0,4; 0,6.

Выпаривание |

Сушка (90 'С)

I -

Термообработка (600 'с)

Просеивание ( 300 мкм)

Одноосное прессование (8x8x5 см)

Высокотемпературная обработка (1150 °С)

Измельчение |

Просеивание ( Ви< 300 мкм)

-1-

Помол, механсактивация (1.5 ч)

Контроль свойств Стерилизация Склад готовой продукции

Ш__

ГОСТ 3.1105-84 Форма 5

ТИ 25300-001-2022

7 Описание технологических процессов

Получение цементного порошка, на основе кальций-магний фосфатных фаз, с введением антибактериальных катионов серебра.

7.1 Основной используемый метод технологического полученЕШ цементного порошка является осажденне из водных растворов компонентов npEi поддержании нейтрального значения рН согласно указанной реакции:

4(l-x)Ca(N03)2 -4xMg(N03)2 -4(NH4)2HP04 - SNI^OH^ CaC44x) Mg4x0(P04)2 -16 NH4NO3 - 6 H20, где x=0,2; 0,4; 0,6.

Выход полупродукта с учетом технологических потерь составляет 70 гр порошка за технологический цикл при использовании 0,3 мл р-ра шггратов компонентов и 0.5 мл р-ра гидрофосфата аммония.

7.1.1 Готовят 1,6 М раствор нитрата кальция. Для этого в мерную колбу помещают навеску нитрата кэльцеея в количестве 82 г на 150 мл получаемого раствора и доводят до полного растворения соли путем постоянного перемешпвашы.

7.1.2 Готовят 1,2 М раствор нитрата магния. Для этого в мерную колбу помещают навеску НЕ1трата кальщм в колЕгчестве 59 г на 150 мл получаемого раствора ее доводят до полного рэстворения соли путем постоянного перемешивания.

7.1.3 Готовят 0,5 М раствор нитрата серебра. Дтя этого в мерную колбу помещают навеску нитрата кальция в количестве 0,7 г на 10 мл на получаемого раствора и доводят до полного растворения соли путем постоянного перемешивашЕЯ.

7.1.4 Готовят 1,0 М раствор ортофосфата аммония. Для этого в мерную колбу помещают навеску нитрата кэльцеея в количестве 38 г на 300 мл получаемого раствора и доводят до полного растворения соли путем постоянного перемешЕЕванЕЕЯ

7.1.5 В тару 2 л влЕЕвают раствор ортофосфата аммония после чего раствор перемешивают с помощью лопастной мешалки в течении 1 ч.

7.1.6 К раствору фосфатов покапельно добавляют растворы никтратов кэльцеея , магния и серебра в течение 1 ч

7.1.7 В полученную смесь пр постоянном перемешивании лопастной мешалкой добавляют 10-20 мл раствора аммиака, для поддержанЕЕЯ необходимого значенЕЕЯ рН СЕЕСтемы

7.1.8 После завершенЕЕЯ синтеза методом осаждения еез водного раствора солей для протеканЕЕЯ полного фазообразовашЕЯ раствор оставляют при постоянном перемешивании в течение 1 ч.

7.1.9 После синтеза, осажденные порошки выпаривают при температуре 100 °С и сушат в термостате при температуре 80 °С в теченЕЕе 24 ч.

7.1.10 Далее полученные порошки подвергалЕ! одноосному прессованию и термообработке в муфельной печи при 300°С в течешге 6,0 ч для удалешш NH4NO3 с дальнейшей высокотемпературной обработкой при температуре 1150°С на воздухе в течение 2,0 ч.

7.1.11 Полученные спеченные блоки подвергали механоактивации в планетарной шаровоЕ! мельнице прЕЕ 200 об/сек в течение 1,5 ч в среде гексана.

7.1.12 Полученный цементный порошок на основе кальций-магний фосфатов с добавлением катионов Ag отправляют на контроль свойств, стерилизацию, а затем на склад готовой продукции.

8 Переработка и обезвреживание отходов технологического проиесса

Основным побочным продуктом получения цементного порошка является нитрат аммония, который может быть использован для нужд сельского хозяйства: выделение газообразного аммиака в небольших количествах, не превышающих предельно допустимые значения.

9 Техника безопасности

При изготовлении цементного порошка по указанной выше схеме требуется соблюдение стандартных правил безопасности в химической лаборатории. Целевой продукт безопасен для здоровья человека и окружающей среды. Методика изготовления исключает выброс опасных веществ в окружающую среду.

10 Перечень инструкций

Рекомендуется следующий список инструкций на рабочем месте:

1) Инструкция по технике безопасности при работе в химической лаборатории

2) Инструкция по пожарной безопасности

3) Инструкция по эксплуатации оборудования и средств измерений

11 Основные параметры получаемой продукции

11.1 Кальции-магнии фосфатный цементный порошок, содержащий антибактериальные катиноны Ag

Средний размер частиц - 50-60 мкм;

Фазовый состав после термической обработки и механоактивации в течение 1,5 я в среде гексана характеризуется многокомпонентным составом, а именно фазой магнийзамещенные фазы витлокита (Ca2,ss9Mgo.4n(P04)2: ICDD 000-87-1582) в количестве 30-40 масс. %, фазой станфилдит (Mg3Ca3(P04)4: ICDD 000-73-1182) в количестве 20-30 масс. % и фазой оксида магния (MgO: ICDD 000-77-2364) в количестве не более 30 масс. %, (№ JCPDF 09-0432); допустимые примеси -трикальципфосфат (№ JCPDF 09-01 69 и/или № JCPDF 09-0169). оксид кальция (№ JCPDF 48-1467): суммарно до 5 мас.%. Уровень рН при вымачивании в дистиллированной воде с соотношением 20 г /1 л - 7,2-7,8. Содержание серебра после термической обработки при 1300 °С - до 1,0 масс. %.

11.2 Методы контроля параметров

Контроль химического состава исследовали методом атомно-эмпссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП) (Vista Pro, США). Гранулометрический состав порошков исследовали на лазерном анализаторе частиц Analysis 22 (FRITSCH, Франция).

Морфологию частиц порошков исследовали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) (Tescan Vega П, Чехия).

Контроль фазового состава материалов определяли методом рентгенофазового анализа (РФА) (Shimadzu XRD-6000, Япония) с использованием СиКа-излучения в