Наноструктурированные стеклокерамические покрытия для ортопедических применений. Часть 1

Наноструктурированные стеклокерамические покрытия для ортопедических применений

Guocheng Wang1, Zufu Lu 1 , Xuanyong Liu 2 , Xiaming Zhou 2 ,

Chuanxian Ding 2 и Hala Zreiqat 1 , *

1 Отдел биоматериалов и тканевой инженерии, Школа AMME,

Университет Сиднея, Сидней 2006, Австралия

2 Шанхайский институт керамики, Китайская академия наук, Шанхай 200050,

Китайская Народная Республика


Стеклокерамика привлекла большое внимание в области биомедицины, поскольку она предоставляет большие возможности для манипулирования своими свойствами после обработки, включая прочность, скорость разложения и коэффициент теплового расширения. В данной работе стеклокерамические покрытия на основе хардистонита (HT; Ca2ZnSi2O7) и сфена (SP; CaTiSiO5) с наноструктурами были получены методом плазменного напыления с использованием обычных порошков. Прочность склеивания и твердость по Виккерсу для покрытий HT и SP выше, чем заявленные значения для покрытий гидроксиапатита с плазменным напылением. Оба типа покрытий выделяют биоактивные ионы кальция (Са) и кремния (Si) в окружающую среду. Тест минерализации в бесклеточной культуральной среде показал, что многие грибоподобные соединения Са и фосфора образовались на покрытиях ГТ через 5 часов, что свидетельствует о его высокой способности к клеточной минерализации. Первичные человеческие остеобласты хорошо прикрепляются, распространяются и пролиферируют на обоих типах покрытий. Более высокая скорость пролиферации наблюдалась на покрытиях HT по сравнению с покрытиями SP и непокрытым сплавом Ti-6Al-4V, вероятно, из-за ионов цинка, выделяющихся из покрытий HT. Более высокие уровни экспрессии Runx2, остеопонтина и коллагена типа I наблюдались на обоих типах покрытий по сравнению со сплавом Ti-6Al-4V, возможно, из-за Ca и Si, выделяющихся из покрытий. Результаты этого исследования указывают на потенциальное использование покрытий HT и SP для ортопедических применений.

Ключевые слова: плазменный спрей; ортопедическое; титановый сплав ; наноструктура; остеогенные гены; стеклокерамика


  1. ВСТУПЛЕНИЕ

Титановый сплав (Ti-6Al-4V) широко используется в ортопедических применениях, включая искусственные тазобедренные суставы, костные пластины и зубные имплантаты, благодаря своим превосходным механическим свойствам [1]. Однако основным недостатком имплантатов Ti-6Al-4V является образование плотной волокнистой ткани на границе раздела имплантат-кость из-за ее биоинертности [2], которая ставит под угрозу стабильность протезов, что приводит к преждевременному выходу из строя устройств. Покрытие имплантатов Ti-6Al-4V биоактивным покрытием является эффективным способом решения этой проблемы, поскольку покрытие может ускорять образование новой кости на границе раздела между костью и имплантатом, что приводит к прочному закреплению материала устройства в окружающей костной ткани и, таким образом, продление срока службы имплантатов. Были использованы различные методы модификации поверхности, включая золь-гель, плазменное напыление, биомиметическое осаждение, импульсное лазерное осаждение и методы ионного пучка [3]. Плазменный спрей на сегодняшний день является наиболее устоявшейся коммерческой техникой благодаря высокой скорости осаждения, толстому отложению, малым капитальным затратам и эксплуатационным затратам [4], а также тому факту, что шероховатые поверхности плазменно-напыленных покрытий благоприятны для фиксации кости [ 5]. Покрытые плазмой гидроксиапатитовые (HAp) покрытия были коммерциализированы и широко использовались для замены тазобедренного сустава вследствие химического сходства HAp с неорганическим компонентом костей человека. Однако основной проблемой покрытия HAp является его низкая прочность сцепления с нижележащим Ti-6Al-4V в результате несоответствия их коэффициентов теплового расширения, что повысит риск расслаивания покрытий. Как только происходит расслаивание, фрагменты покрытий будут способствовать воспалению и, как следствие, остеолизу, что ставит под угрозу долговременную стабильность имплантатов Ti-6Al-4V [6].

Альтернативным методом является нанесение на имплантаты биостекла на основе CaO – SiO2, биоактивность которого была хорошо документирована in vitro [7–11] и in vivo [12,13]. Однако большинство плазменных напыленных покрытий из стекловолокна разрушаются из-за их слабой межфазной связи со сплавом Ti-6Al-4V, обусловленной более высоким коэффициентом теплового расширения (14–15 × 10 -6 К -1 [14]) по сравнению с этим сплавом ( 8,4–8,8 × 10 -6 К -1 [15]) [16]. Высокая степень деградации является еще одним препятствием для использования биостекла в качестве покрытий для имплантатов . Однако известно, что высвобождение ионов кальция (Ca) и кремния (Si) усиливает прикрепление, пролиферацию и дифференцировку остеобластов [17–20] и способствует формированию кости [11,21]. Следовательно, проектирование покрытий на основе CaO – SiO2 с ограниченным выделением ионов Ca и Si, которое не нарушит долговременную стабильность покрытий, приведет к получению покрытий с повышенной биологической активностью. В нашей предыдущей работе мы сообщали, что хардистонит (HT) или сфен

(SP) керамика, полученная добавлением ZnO [22] или TiO2 [23] соответственно в систему CaO – SiO2, обладает лучшей химической стабильностью по сравнению с керамикой CaSiO3. Кроме того, их коэффициенты теплового расширения (11,2 × 10 -6 К -1 для ГТ [24]; 6 × 10 -6 К -1 для СП [25]) ближе к коэффициентам сплавов Ti-6Al-4V , что означает, что более высокие прочность соединения должна быть получена. Таким образом, можно предположить, что HT и SP были бы подходящими покрытиями-кандидатами для ортопедических применений.


******продолжение следует******