Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция

Григорьянц Л.А.1, Гурин А.Н.1, Комлев В.С.2, Фадеева И.В.2, Смирнов В.В.2

1ФГУ «Центральный научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии Росмедтехнологий»
2Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН.

Сохранение функции зубов и восстановление структуры костной ткани — приоритетные задачи хирургического лечения больных с одонтогенными периапикальными деструктивными очагами.
Образовавшаяся после удаления периапикальных деструктивных изменений костная полость далеко не всегда заполняется созревшей новообразованной костной тканью. По данным литературы, в 5 % случаев костный дефект ничем не восполняется (Бояров Ю.С., 1977). Для стимуляции репаративного остеогенеза в настоящее время выделяется пять основных направлений костной пластики: аутотрансплантация, аллоимплантация, ксеноимплантация, аллопластическая имплантация, тканевая инженерия.

В настоящем исследовании рассматриваются структурные особенности аллопластических материалов на основе фосфатов кальция, применяемых для заполнения костных дефектов челюстных костей.

Материалы и методы. Материалом для исследования служили керамические гранулы, полученные в лаборатории керамических материалов ИМЕТ РАН гидроксиапатита (ГА), карбонат-замещенного гидроксиапатита 6 масс.% (КГА 6 масс.%), карбонат-замещенного гидроксиапатита 0,6 масс.% (КГА 0,6 масс.%). Для сравнения использовали гранулы СаСО3 и КГА животного происхождения «Bio-Oss» (Geistlich, Швейцария) с содержанием карбонат-ионов 7 масс.%. Изучение поверхности и сколов проводилось на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S4800.

Результаты исследования. Гранулы ГА (500-1000 мкм) с внешними микропорами размером менее 5 мкм имеют на поперечных срезах микропоры около 3–5 мкм и пронизывают всю толщу, формируя своеобразную дендридную структуру(рис. 1, А). Почти на всех поперечных срезах поры, переплетаясь, образуют микропористую сеть (рис. 1, Б). Исследуя поверхность гранул при низком напряжении (5kV), выявляются структурные зерна различных форм (от овальных до ромбовидных) и размеров (рис. 1, Д, Е). Между ними определяются микрополости размером около 1 мкм. Внутри выявляются большие макрополости размером около 300 мкм, которые встречаются почти во всех образцах (рис. 1, В, Г).

Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Рисунок 1. СЭМ гранул ГА. (А) ГА с мелкопористой дендридной поверхностью. (Б) Поперечный срез. Мелкие поры пронизывают всю толщу образца. (В) Поперечный срез. Видны большие полостные образования (стрелки). Ближе к поверхности полости уменьшаются в размере (сдвоенные стрелки). (Г) Поперечный срез. Плотная структура с наличием небольших микрополостей. (Д) Структура ГА при малом напряжении 5 kV без напыления представлена мелкозернистыми гранулами. (Е) Участок (Е) на рис. (Д) При бóльшем увеличении. Видны кубические и овальные кристаллы ГА.



Гранулы КГА 0,6 масс.% (500–1000 мкм) представлены образованиями с открытыми микропорами около 2-4 мкм с неоднородной поверхностью. На одних участках образуется игольчато-пластинчатая структура, на других — поверхность с кристаллами неоднородной формы. Игольчато-пластинчатая поверхность отражает раннюю стадию формирования КГА (рис. 2).
Исследование наружных и внутренних участков показало, что гранулы КГА состоят из небольших конгломератов (глобул), которые, соединяясь, образуют между собой одну общую гранулу. На поперечных срезах видны макрополости различных размеров (50–300 мкм) и мелкие микропоры около 3 мкм. Внутренние центральные участки содержат сформированные кристаллы гексагональной формы с четко выраженными гранями.

Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Рисунок 2. СЭМ синтетических гранул КГА 0,6 масс.%. (А) Слева показана целая гранула. На поперечном срезе видны овальные полостные образования (стрелки). (Б) При бóльшем увеличении поверхность выполнена мелкими гранулярными образованиями различных размеров (стрелки). (В) При бóльшем увеличении видны игольчатые мелкие кристаллы (стрелки). (Г) Внутренняя структура гранул состоит из мелких глобулярных образований, состоящих из гексагональных кристаллов.



Гранулы КГА 6 масс.% имеют примерно одинаковый размер 600–1000 мкм с открытыми порами 50–150 мкм (рис. 3). Поверхность представлена однородными тонкими вытянутыми кристаллами гексагональной формы. На поперечных срезах структуру пронизывают поры различных размеров (2–4 мкм).

Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция PIC_03_SEM_KGA_6_04.jpg
Рисунок 3. СЭМ синтетических гранул КГА 6 масс.%. (А) Видны макропоры (стрелки). Сдвоенные стрелки показывают скол, который обнажает внутренную полость. (Б) Поперечный срез. Внутренняя большая полость разделена перегородками на отдельные сегменты. (В) Поверхность гранулы с гексагональными кристаллами при бóльшем увеличении. (Г) Участок спекающей добавки на внешней поверхности гранулы (стрелка). Видны гексагональные кристаллы слева.



Как уже отмечалось, для всех гранул характерны макрополости. Внутреннее строение этих макрополостей также представлено короткими кристаллами гексагональной формы (размер граней около 2 мкм, длина кристаллов сильно варьирует) (рис. 3, В).
Внутреннее строение гранул представлено либо одной большой полостью, либо полостью, разделенной перегородками на мелкие сегменты. К поверхности эти полости уменьшаются в размере, выходя наружу в виде пористой структуры. Иногда на гранулах КГА мы находили остатки спекающей добавки (рис. 3, Г). С одной стороны она понижает температуру спекания гранул, сохраняя количество карбонат-иона без изменений, с другой — блокирует микропоры, препятствуя проникновения тканевого экссудата и клеточных элементов. Уменьшение количества спекающей добавки приводит к получению пористой керамики, состоящей из КГА размером 50–200 мкм без изменения основной технологии спекания (рис. 4). Поверхность также представлена гексагональными кристаллами. Этот оригинальный способ был разработан ст. науч. сотрудником ИМЕТ им.А.А. Байкова РАН Комлевым В. С. Данный способ получения сказался и на их свойствах — происходит увеличение адсорбции, а множественные коллатерали способствуют большей резорбции материала. Эти гранулы представляют собой новое поколение остеопластических материалов.

Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Рисунок 4. СЭМ керамической гранулы КГА 6 масс.%. (А) Гранула, состоящая из пористого мелкого гранулята. (Б) Поверхность представлена мелкими кристаллами гексагональной формы.



Гранулы «Bio-Oss» представлены образованиями неправильной формы размером около 200–1000 мкм (рис. 5). Образцы плотные, однородные, но непрочные, при легком надавливании рассыпаются в мелкую крошку. Поверхность покрыта очень мелким гранулятом, который, конденсируясь, вместе образует «глобулярные комочки». Наблюдаются мелкие поры размером около 4 мкм. Гранулы размером от 700 мкм имеют одно или два сквозных отверстия округлой или овальной формы размером около 50–80 мкм. Вокруг отверстий всегда имеются ровные пологие «склоны», состоящие из овальных пластин, разделенных щелевидными отверстиями.

Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Рисунок 5. СЭМ гранул «Bio-Oss». (А) Гранулы неправильной формы с мелкими порами на поверхности (стрелки). (Б) Участок поверхности при бóльшем увеличении с наличием небольших глобулярных образований. (В) Полые большие отверстия в материале «Bio-Oss» проходят сквозь всю структуру (стрелки). (Г) Участок поверхности около сквозного отверстия при бóльшем увеличении. Виден пологий щелевидный склон. (Д) Участок отверстия. Овальные пластины разделены щелевидными пространствами (стрелки). (Е) Поверхность меняется в зависимости от скола. Видна щелевидная (справа) и плотная структура материала (слева).



На сколах около сквозных отверстий видны участки с другой структурной организацией, напоминающие эмалевые призмы (рис. 6). При смещении угла скола меняется и поверхность. Можно наблюдать небольшие овальные отверстия правильной формы размером 20–40 мкм, вокруг которых формируются овальные концентрические пластины, постепенно переходящие в овальное отверстие.

PIC_06_SEM_Bio-Oss_07.jpg Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Рисунок 6. СЭМ гранул «Bio-Oss». (А) Поверхность гранулы. Овальное отверстие, окруженное кольцевыми пластинами (стрелки), которые постепенно переходят во внутреннюю часть вокруг микропоры. (Б) Вытянутое овальное отверстие напоминает «лакуны» остеоцитов. Вокруг видна щелевидная структура. (В) Участок около сквозного отверстия гранулы (стрелка) Сдвоенными стрелками показано сквозное отверстие. (Г) Участок скола при бóльшем увеличении. Призматическая структура поверхности. (Д) Поверхность «Bio-Oss». Видны волокнистые игольчатые образования. (Е) Мелкие игольчатые кристаллы с различной ориентацией кристаллов.



Вокруг отверстия имеются многочисленные мелкие поры размером около 2–4 мкм. В других участках поверхности встречаются вытянутые полые образования, похожие на «лакуны», оставшиеся после удаления клеточных элементов. Такие «лакуны» окружают многочисленные щелевидные образования.
Такая мелкопористая плотная упаковка кристаллов в гранулах «Bio-Oss» должна подтверждать слабую растворимость при исследовании в изотоническом растворе.
Выявить кристаллическую структуру гранул «Bio-Oss» достаточно сложно, так как термическая и химическая обработка вносит свои изменения в костный апатит. Но на некоторых сколах удается наблюдать тонкие длинные игольчатые образования, плотно переплетающиеся друг с другом. При бóльшем увеличении видны игольчатые кристаллы различной направленности, некоторые формируются в пучки в виде волокон.
Таким образом, результаты исследования показали, что гранулы «Bio-Oss» представлены, в своем большинстве, мелкопористыми образованиями. Характерной особенностью гранул «Bio-Oss» является наличие сквозных отверстий в материале. Структура меняется в зависимости от плоскости скола. Такая плотная костная мозаика может замедлять резорбцию гранул.



Для керамических гранул CаCО3 размером около 1000 мкм поверхность представлена порами размером 50–200 мкм (рис. 7, А). При бóльшем увеличении она образована глобулярными структурами, плотно прилегающими друг к другу, по типу «булыжной мостовой», а в плоскости скола — в виде плоских пластин (рис. 7, В).
На поперечных срезах видны полостные образования в виде микро- и макроканалов, которые формируют коллатерали (рис. 7, Б).
Таким образом, анализ керамических гранул КГА показал, что по мере увеличения карбонат-иона в апатита меняется конфигурация гранул – от дендридной микропористой, с наличием ромбовидных кристаллов, характерных для ГА, и далее — к гексагональному строению кристаллов. При полном замещении ортофосфатного аниона на (СО3)2––группы поверхность представлена овальными образованиями, подобные тем, которые мы наблюдали на поверхности «Algipore». «Algipore» — коралл красных морских водорослей, где путем термической обработки СаСО3 превращен в ГА, но с характерной для коралла структурой. В гранулах «Algipore» (СО3)2––групп замещены на (РО4)3–, что создает условия для постепенной резорбции материала при замещении костных дефектов.

Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция Архитектоника поверхности различных синтетических остеопластических материалов на основе фосфатов кальция
Рисунок 7. СЭМ синтетических гранул СаСО3. (А) Поверхность СаСО3 с многочисленными микро- и макропорами. Гранула состоит из многочисленных глобулярных структур (стрелки). (Б) Поперечный срез. Внутреннюю поверхность пронизывают пористые коллатерали. (В) На сколе СаСО3 представлена плоскими пластинами, плотно прилегающими друг к другу (стрелка). (Г) Поверхность СаСО3 при бóльшем увеличении с глобулярными структурами, расположенными по типу «булыжной мостовой».



Наличие больших полостных образований в гранулах КГА способствует быстрой тканевой и клеточной инфильтрации, что ускоряет формирование костного матрикса.

Таким образом, внутренние пустоты в гранулах КГА, обнаруженные нами с помощью СЭМ, позволят некоторым образом объяснить и скорректировать гистологическую и клиническую картину репаративного остеогенеза при заполнении костных дефектов. Плотная структура «Bio-Oss» существенно отличается от КГА.

Количество показов: 5654
Автор:  Григорьянц Л.А / Гурин А.Н. / Комлев В.С. / Фадеева И.В. / Смирнов В.В.

Возврат к списку


Материалы по теме:



Назад