Роль кремния в силикатных имплантационных материалах

       Формирование связей “биоактивное  стекло-кость” осуществляется путём  реакции конденсации между ≡Si-ОН группировками   кислотного характера [17] и полярными группами  белковых адгезивных молекул; кроме ОН^- групп в белковых молекулах присутствуют сульфогидрильные SН^-, карбоксильные –СОО^-, аминогруппы Н₂N^- и др, что приводит к образованию химических связей ≡Si-O-C≡:

      ≡Si-ОН + HO[C_nH_m]                  ≡Si - O - [C_nH_m] + H₂O

     Кремний, по своему расположению в таблице химических элементов Д.И. Менделеева, является аналогом углерода – содержит четыре электрона на внешних sp-орбиталях, и, соответственно, способен образовывать четыре связи, но в отличие от углерода, у кремния имеется вакантная d-орбиталь, которая способна участвовать в образовании донорно-акцепторной связи, например  с аминогруппой, формируя связь   ≡Si-N=. Так же  возможно появление электростатических связей между молекулами белка и поверхностью материала. Прочность этих связей по сравнению с валентными незначительна, но в результате их многочисленности, а так же протеканию реакции конденсации, молекула белка достаточно прочно закрепляется на поверхности биоактивного стекла.

     После образования связи “биоактивное стекло-коллаген” остеобласты минерализуют образовавшийся остеоидный участок путём синтеза и секреции матричных пузырьков, содержащих высокие концентрации фосфата кальция и щелочной фосфотазы.  Микросреда внутри матричных пузырьков способствует отложению первых кристаллов трикальцийфосфата и гидроксиапатита.

     Связывание  силикатного геля и формирование на его поверхности кальций-фосфатных  слоёв протекает в два этапа. Силанольные группировки  в первую очередь связывается с фосфатом  по реакции нейтрализации:

           ≡Si-OН_(гель) + НРО₄^2-_(раств)                   ≡  Si-O-РО₃^2- _(гель) + Н₂О 

     Свободные     ≡Si-O-Р-О^-  цепочки сшиваются катионами кальция, которые стабилизируют силикатный гель и формируют трёхмерную структуру:

                                         O                         O

                ≡ Si_(гель) – O – P – O – Ca – O – P – O -  Si≡ _(гель)

                                       O                         O 

     Этот  механизм ведет к снижению атомного Ca/P отношения. Исследованиями in vivo подтверждено, что на начальных этапах формирования молодой кости атомное Ca/P отношение характеризуется низкими значениями. В дальнейшем на поверхности кальций-фосфатного слоя кристаллизуется  низкоструктурированный карбонатгидроксиапатит, в котором источником ионов СО₃^2- так же является костная ткань. Постепенно  Ca/P отношение повышается, и в дальнейшем на матрице кристаллизуются гидроксиапатит, карбонатгидроксиапатит и трёхкальциевый фосфат. В итоге, формируется прочная связь костной ткани с поверхностью имплантата и, в случае резорбции имплантированного материала, молодая костная ткань постепенно замещает имплантат. 

     К биодеградации склонны стёкла, содержащие оксида кремния до 55% (масс %) и значительные количества одновалентных оксидов модификаторов. Такие стёкла  являются биоактивными, костная ткань связывается с поверхностью таких материалов посредством ряда химических реакций, скорость протекания которых достаточно высока. В составах стёкол, содержащих более 55% (масс.) оксида кремния, скорость процессов связывания значительно снижается, материал соответствует изобиоактивному состоянию; реакция  костной ткани на подобные материалы сводится только к ограниченному связыванию с поверхностными слоями, в глубинных же слоях реакции не протекают, и материал не претерпевает никаких изменений со временем. При дальнейшем увеличении кремнёвой составляющей стекла более 60% (масс.) связывание  костной ткани с поверхностью материала минимальна, и материал характеризуется биоинертным типом поведения.

     Растворимость биоактивных и биодеградируемых стёкол системы Na₂O-CaO-SiO₂ обусловлена присутствием в составе стекла силикатов натрия и кальция, образующих  сплав оксидов Y•Na₂O • Z•CaO •X•SiO_2.. Стёкла состава Na₂O  • X•SiO₂ [18] являются жидкими стёклами, поэтому данный компонент в составе биодеградируемого стекла подвергается растворению в первую очередь.  Изучение свойств жидких стёкол позволяет понять природу процессов, протекающих в физиологической среде при имплантации биоактивных и биодеградируемых стёкол.

     Относительно  жидких стёкол известно, что они  способны переходить из твёрдой формы в жидкую во влажной воздушной атмосфере за счёт гидратации:

          Na₂O • X•SiO_2(тв) + CO_2(возд) + n H₂O                  Na₂CO_{3(раств)} + X•SiO₂ • n H₂O(ж)

     Стекловидные  щелочные силикаты могут растворяться без изменения своего состава только в воде. При реакциях жидкого стекла большое значение имеет гидролиз получаемых новообразований, их коллоидная природа, высокая адсорбционная способность. Жидкое стекло способно хорошо эмульгировать органические вяжущие вещества. Растворимые в воде органические соединения, такие как глюкоза, глицерин, декстрин вызывают коагуляцию жидкого стекла.

     Щелочные  силикаты являются солями очень слабой кремнёвой кислоты, поэтому из всех своих солей она должна вытесняться  всеми растворимыми минеральными и органическими кислотами. Разложение жидкого стекла всеми кислотами протекает по одной и той же схеме с образованием растворимой в воде щелочной соли, соответствующей кислоты и выпадением в конечном счёте осадка кремнегеля. Выделение SiO₂ может производиться растворимыми органическими кислотами лимонной, яблочной, уксусной, и, напротив, нерастворимые органические кислоты – стеариновая, олеиновая не вызывают коагуляции жидкого стекла. Оксиды и гидрооксиды щелочноземельных металлов  при взаимодействии с жидким стеклом образуют коллоидные осадки  силикатов щелочноземельных металлов:

          Na₂O • X•SiO_2(ж) + Ca(OH)₂                  2 NaOH + (n-1) SiO₂  + CaSiO₃

     Гель  кремнёвой кислоты, образующийся при  воздействии физиологических жидкостей, можно рассматривать как растворимую форму силикатов, аналогичную жидким стёклам. Именно кремнёвый гель вступает в реакцию с ионами кальция в условиях in vitro, образуя коллоидный гель силиката кальция. Образовавшийся силикат кальция в дальнейшем  взаимодействует с растворимыми фосфатами, способствуя формированию кальцийфосфатных слоёв, наблюдаемых на всех концентрационных профилях. Кремнёвый гель способен адсорбировать воду, и постепенно растворяться.  Благодаря  высокими адсорбционными свойствам, к его поверхности прикрепляются многочисленные белковые молекулы, осуществляя связь имплантат-кость.

     Экскреция кремнёвых соединений из организма

     Во  многих исследованиях показано, что  костная ткань способна связываться  с биоактивными стёклами, которые  обеспечивают рост кости, а так же вызывает неизвестный иммунный отклик. Авторами [2] была подробно рассмотрена экскреция кремния из организма подопытных животных после имплантации биоактивного стекла в Bioglass костную ткань.

     В исследовании гранулы биоактивного стекла Bioglass размером 300-335 мкм имплантировали в проксимальную часть бедра кроликов первой группы. В течение 28 недель оценивали скорость экскреции кремния из организма подопытных животных. Для этого проводили измерение содержания этого элемента в моче и крови, по истечении недели животное усыпляли и  изучали содержание кремния в почках, печени, лёгких, селезёнке, лимфатической системе, в месте имплантации – проксимальной части бедра, а так же в дистальной части бедра. Данные по скорости экскреции кремния у животных первой группы сравнивали с аналогично полученными результатами экскреции кремния из организма животных второй группы, не подвергнутых операции имплантирования биоактивного стекла. Установлено, что деградирующий материал остаётся в зоне подсадки не долгое время. Было показано, что скорость растворения кремнёвой составляющей биоактивного стекла ниже, чем скорость удаления кремния через почки и, соответственно, аккумуляции кремния в организме не происходит. Результаты показали, что у животных первой группы не происходило накопление кремния в организме,  общее содержание кремния в крови почках, печени, лёгких, лимфатической системе, селезёнке было на уровне такового у животных второй группы, но в дистальной части  бедра происходила незначительная аккумуляция кремния. Полный выход кремния из костной ткани происходил в течение 24 недель, в то время как полная резорбция биоактивного стекла из мышечной ткани происходила за 19 недель. [2]

     Заключение

     В заключении отметим, что кремний является жизненно необходимым элементом для роста развития организма человека и присутствует во всех органах и тканях с рождения. Значительную роль кремний играет на этапе формирования органического предшественника костной ткани как в эмбриогенезе, так и в процессе ремоделирования скелетных тканей. Введение растворимых форм кремния в культуру остеобластов в условиях in vitro приводит к повышению пролиферации, дифференциации, синтеза коллагеновых белков. Связывание костной ткани с поверхностью биоактивных стёкол протекает только в случае формирования на поверхности имплантата высокогидратированного кремнезёёмного слоя. Костная ткань не образует связи со стёклами матрица которых недостаточно гидрофильна. Это свидетельствует о важнейшем влиянии растворимых форм  кремния на протекание процесса  остеогенезиса, а так же о стимулирующем воздействии гидрофильных силикатных матриц биокомпозиционных материалов на регенеративные процессы в хрящевых и костных тканях, на процессы связывания костной ткани и коллагеновых волокон с биоактивными силикатными стёклами.

     В мировой практике и в России в связи с развитием золь-гель- и нано- технологий наметилась устойчивая тенденция к созданию имплантационных материалов, которые по своему химическому составу и дифференцированной структуре поверхностных слоёв наиболее полно соответствует характеру и последовательности биохимических реакций при контакте с живой костной тканью. Стимуляция процессов регенерации костных тканей возможна при активном воздействии на костные клетки. Рассмотренные данные указывают на целесообразность разработки и применения кремнийсодержащих имплантационных материалов на основе ТКФ, ГА, КГА и других фосфатов кальция.  
 

Список  литературы:

1. Воронков М.Г., Кузнецов  И.Г. Земная кремнёвая жизнь // Химия и жизнь, 1983; №12: 95-99.
2. Lai W., Garino J., Ducheyne P. Silicon excretion from bioactive glass implanted in rabbit bone // Biomaterials  2002; 23: 213–217.
3. Pietak A.M., Reid J.W., Stott M.J., Sayer M.  Silicon substitution in the calcium phosphate bioceramics  // Biomaterials 2007; 28: 4023–4032.
4. Carlisle  E. Si: an essential element for the chick // Science 1972; 178: 619-621.
5. Schwarz K., Milne D. Growth promoting effects of Si in rats. Nature 1972; 239:333–334.
6. Knabe C., Berger G., Gildenhaar R., Howlett C.R., Markovic B., Zreiqat H. The functional expression of human bone-derived cells grown on rapidly resorbable calcium phosphate ceramics // Biomaterials  2004; 25: 335–344.
7. Valerio P., Pereira M.M., Goes A.M., Leite M.F. The effect of ionic products from bioactive glass dissolution on osteoblast proliferation and collagen production // Biomaterials 2004; 25: 2941–2948.
8. Portera A.E., Patela N., Skepperb J.N., Besta S.M., Bonfielda W. Comparison of in vivo dissolution processes in hydroxyapatite and silicon-substituted hydroxyapatite bioceramics // Biomaterials 2003; 24: 4609–4620.
9. Mastrogiacomoa M., Papadimitropoulosb A., Cedolac A., Peyrind F., Giannonie  P. Engineering of bone using bone marrow stromal cells and a silicon-stabilized tricalcium phosphate bioceramic: Evidence for a coupling between bone formation and scaffold resorption // Biomaterials 2007;28: 1376–1384
10. Hench  L.L. Bioсeramics // J. Am. Ceram. Soc. 1998; 81 [7]: 1705-1728.
11. Andersson O.H., Karlsson K.H., Liu G., Niemi L., Miettinen J., Juhanoja J. In vivo behaviour of glass in the SiO₂-Na₂O-CaO-P₂O₅-Al₂O₃-B₂O₃ system // J. Mat. Science: Materials in Medicine 1990; 1: 219-227.
12. Andersson O.H., Karlsson K.H.  On the bioactivity of silicate glass // J. Non-Cristalline Solids 1991; 129: 145-151.
13. Banchet V., Michel J., Jallot E., Wortham L., Bouthors S., Laurent-Maquin D., Balossier G. Interfacial reactions of glasses for biomedical application by scanning transmission electron microscopy and microanalysis// Acta Biomaterialia 2006; 2:  349–359
14. Kokubo T. Novel bioactive materials derived from glass  // XIX Int. Congr. On Glass 1989.
15. Kokubo T, Kushitani H., Sakka S., Kitsugi T., Yamamuro T.  Solutions able to reproduce in vivo surface-structure changes in bioactive glass-ceramic A-W // J. Biomedical: Mat. Research 1990; 24:721-734.  
16. Быков В.Л. Цитология и общая гистология // Санкт-Петербург Изд-во “СОТИС”, 2002. – с. 344-402.
17. Белецкий Б.И., Шумский В.И., Никитин А.А., Власова Е. Б. Биокомпозиционные кальций-фосфатные материалы в костно-пластической хирургии // Стекло и керамика, 2000 № 9.
18. Бабушкина М. И. Жидкое стекло в строительстве// Изд-во “Картя Молдовеняскэ” Кишинёв, 1971,  220 стр.