Приведенные примеры иллюстрируют лишь некоторые аспекты многообразия возможных способов получения биосовместимых фосфатно-кальциевых покрытий на биологически инертных материалах для придания им биоактивности. Существует возможность варьирования структуры, морфологии и показателей свойств покрытий в широких пределах в зависимости от конкретных предъявляемых требований к имплантируемому устройству. Следует отметить относительно малое количество известных исследований in vitro и in vivo, результаты которых могли бы в значительной степени определить рациональный выбор технологии.

5. Некоторые аспекты взаимодействия фосфатов кальция с физиологической средой

Костная ткань является динамической системой c непрерывно протекающими и взаимосвязанными процессами ремоделирования, включающими в себя резорбцию минеральной составляющей и остеогенез в результате активности остеобластов, и приспосабливающих структуру и свойства костной ткани к постоянно изменяющимся условиям среды. Материалы из фосфатов кальция в организме претерпевают изменения, подобные происходящим в процессе ремоделирования костной ткани.

При имплантировании в ткани, биологически активные материалы проявляют специфические взаимодействия на поверхности раздела, приводящие к минерализации и образованию соединения материала с тканью. Исследованиями керамических материалов на основе ГА и ТКФ in vitro с использованием модельных жидкостей организма (СБФ) выявлено протекание процессов растворения керамики, осаждения новой минеральной фазы и ионного обмена [356]. Эти процессы сопровождаются адсорбцией биомолекул (протеинов), участвующих в процессе минерализации. Анализ поверхностей раздела кость-керамика выявил, что биомиметическое образование ГА на поверхности имплантата является ключевым фактором образования связи с костной тканью. Установлено, что повышение растворимости имплантируемой керамики способствует ускорению процесса минерализации [357,358]. Плотно спеченная керамика из стехиометрического ГА, характеризующаяся низкой скоростью растворения, лишь ограниченно взаимодействует с физиологической средой, в существенно меньшей степени, чем, например, двухфазная ТКФ-ГА керамика [356].

При взаимодействии биоактивной керамики с физиологической средой организма происходят сложные процессы и взаимодействия (рис. 74). Растворение компонентов керамики в физиологической среде приводит к изменению состава среды, что может влиять на клеточную активность. Ионы и протеины из жидкой среды адсорбируются на поверхности керамики. Эти процессы зависят от морфологии, состава поверхности, ее энергии и заряда. Данные факторы влияют не только на концентрацию адсорбированных протеинов, то также и на их функциональные характеристики. Протеины, в свою очередь, оказывают влияние на адгезию клеток, поэтому селективная адсорбция тех или иных протеинов может существенно изменять поведение клеток.

Характеристики поверхности керамики изменяются в результате химических взаимодействий с жидкой средой (растворение, осаждение, ионный обмен, структурные перестройки). Взаимодействие остеобластов с керамикой осуществляется с участием рецепторов клеточной мембраны, обеспечивающих закрепление (адгезию). Последующие пролиферация и дифференцировка остеобластов приводят к созданию внеклеточного матрикса, который представляет собой кальцифицируемый каркас из коллагеновых волокон, протеинов и полисахаридов. Внеклеточный матрикс обеспечивает фиксацию клеток, на нем происходит осаждение апатитоподобных фосфатно-кальциевых фаз, придающих новообразованию прочность. Физико-химические параметры среды, особенно в непосредственной близости от клетки, могут быть существенно изменены, в частности в отношении концентрации ионов, рН, диффузионных характеристик.

Фактически, последовательность и взаимосвязь процессов, ответственных за образование связи керамики с костной тканью или наращивание костной ткани на керамическом матриксе, весьма сложный, саморегулируемый и не может быть описан простой последовательностью приведенных выше взаимодействий. Важным аспектом всей последовательности взаимодействий является то, что реакции растворения, осаждения и ионного обмена приводят к образованию биологически-эквивалентного апатитового слоя на поверхности керамики. Параллельно происходит адсорбция протеинов и адгезия клеток к поверхности, эти процессы сопровождаются изменением состояния поверхности. Ионы, переходящие в раствор, влияют на клеточную активность, формирование органической фазы и ее минерализацию. Непрерывное изменение состояния поверхности на пути ее превращения в биологически-эквивалентную минеральную фазу, по-видимому, является лимитирующей стадией в протекании взаимосвязанных процессов биоактивного поведения материала [356].

Формирование биологически-эквивалентного апатита может быть смоделировано in vitro в экспериментах с использованием СБФ. Установлено, что использование материалов с высокой растворимостью в СБФ способствует осаждению. Эти результаты были далее подтверждены в экспериментах in vivo по имплантации образцов двухфазной керамики ТКФ-ГА с различным соотношением фаз в периодонтальные дефекты животных. Через 6 месяцев имплантации количество сформировавшегося апатита, имеющего соотношение Са/Р, аналогичное таковому у костной ткани, коррелировало с растворимостью материала имплантата [85]. Из опыта клинической стоматологии известно, что заполнение дефектов плотным стехиометрическим ГА никогда не позволяет достичь полного залечивания дефекта [356]. Более детальные исследования процесса формирования новой костной ткани позволили выявить, что кристаллизация апатита происходит не непосредственно, а через стадии осаждения промежуточных фаз (прекурсоров), имеющих соотношение Са/Р менее 1,67 [359]. Высказывались мнения, что важным фактором биоактивности является наличие карбонат-групп в апатитовой структуре: имплантаты, изготовлены из КГА, должны обладать повышенной биологической активностью.

Резорбция керамики в организме происходит в результате химического растворения и клеточного воздействия. Поскольку биологические жидкости, в общем случае, перенасыщены по отношению к ГА, то ГА-керамика не должна растворяться в них при отсутствии соответствующих условий по кислотности среды. Резорбцию керамики, как и костной ткани в процессе ее ремоделирования, осуществляют остеокласты - клетки, образующиеся из предшественников моноцитарного ряда. Остеокласты плотно прилегают к поверхности керамики, в месте контакта образуется рифленая кайма. Остеокласты могут повышать кислотность (снижение рН до примерно 5) за счет переноса протонов из мембраны [360]. Остеокласты способны вызвать резорбцию даже ГА. Как известно, введение карбонат-групп в ГА снижает устойчивость к резорбции в слабых кислотах, что должно положительно сказываться на биоактивности материала.

Биологическая среда, окружающая имплантируемую керамику, существенно сложнее по составу по сравнению с СБФ, содержит ряд протеинов. Взаимодействие с протеинами является другим ключевым фактором, определяющим биоактивность материала. Процессы биоминерализации включат образование центров кристаллизации и рост кристаллов новой минеральной фазы; эти процессы контролируются степенью пересыщения жидкости и локальными концентрациями ее компонентов. На процессы минерализации значительное влияние оказывают взаимодействия с неколлагеновыми белками, в частности альбумином или фосфопротеином. В среде организма поверхность имплантируемого материала адсорбирует белки плазмы. К адсорбированным белкам затем прикрепляются клетки - остеобласты, синтезирующие коллаген матрикса, который далее подвергается минерализации. Взаимодействие имплантируемого материала с белками зависит от таких факторов, как заряд и шероховатость поверхности материала. Условия для эффективного размещения, миграции и пролиферации остеобластов обеспечиваются только при наличии в имплантируемом материале системы взаимосвязанных пор достаточно большого размера, ориентировочно более 150 мкм [228].