На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Роль кремния в силикатных имплантационных материалах

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 23.08.2012. Сдан: 2012. Страниц: 4. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Роль кремния в силикатных имплантационных материалах

Б.И. Белецкий,  Н.В. Свентская
     Введение
     Современные методы восстановительной и заместительной хирургии направлены не на удаление повреждённого органа, а на сохранение и восстановление его биомеханических свойств и структурной целостности. В зависимости от интенсивности протекания биологических и физико-химичемких процессов на контактной поверхности “материал – кость”, выделяют биоинертные, биоактивные и биодеградируемые имплантационные материалы. Многочисленными исследованиями установлено, что только биоактивные и биодеградируемые матрицы способны индуцировать регенеративные процессы в тканях воздействием на клеточном уровне, т.е. стимулировать адгезию, закрепление клеток, способствовать формированию их микроокружения, активизировать их жизнедеятельность и синтетическую способность.
       Биологическая роль кальций-фосфатных имплантационных материалов в процессах образования костных структур выявлена достаточно полно. Однако, кремнию, который входит в состав биостёкол, биокерамики, биокомпозиционных материалов, стеклоиономерных цементов, кремний-структурированных фосфатов кальция Si-ГА и Si-ТКФ уделяется недостаточно внимания. В настоящей работе предпринята попытка рассмотреть процессы, протекающие на границе контакта “ имплантат-кость”, с участием  кислородных соединений кремния.
     Роль  кремния в процессах  формирования скелетных  тканей
     В живых системах содержание кремния  и его роль неодинакова. Например, В.И. Вернадский по этому признаку разделил живые существа на три категории: так называемые кремнеорганизмы, в которых более 10% (здесь и далее – массовые %) кремния; богатые кремнием существа, в которых его не менее 1-2%, и обычные организмы, содержащие лишь 0,1-0,001% кремния [1]. Для организма человека кремний является микроэлементом  и измеряется в единицах ppm (parts per million – миллионная доля). Однако, понимание биологических процессов, в которых участвует кремний, позволяет не только разрабатывать имплантационные материалы нового поколения, но так же и прогнозировать реакцию организма на их подсадку.
     В организмах животных и птиц кремний  присутствует в соединительной ткани, шерсти, ногтевых пластинах, перьях, коже, сухожилиях, мускулах и костях. В  организме человека кремний изменяет своё содержание от 0,6 ppm для сыворотки крови, до 10 ppm  в печени, почках, до 41 ppm  в мускульной ткани и 57 ppm в ткани лёгких, 100 ppm в костях и 200–600 ppm в хрящевой ткани, значительные количества кремния обнаружено в пуповине [2, 3]. Многочисленные исследования показали, что кремний связан с полисахаридной матрицей и входит в структуру гликозаминогликанов,  полиуронидов, гиалуроновой кислоты, хондротинсульфата, дерматинсульфата и гепаринсульфата. Высокие концентрации кремния наблюдают в межклеточных матричных компонентах, где кремний выполняет роль биологического связующего агента,  способствующего поддержанию архитектоники и упругости соединительных  тканей [3].
     Впервые роль кремния в физиологических  процессах  формирования скелетных тканей изучила Е. Carlisle [4]. Она исследовала влияние диетического, кремнёвого  питания на рост и развитие костных и хрящевых тканей молодых цыплят. У подопытных с кремний-дефицитным питанием наблюдали значительное снижение веса,  деформацию костей и гребешка, хрящевые ткани характеризовались низким содержанием коллагена и неколлагеновых протеинов, в то время, как у цыплят, получавших в питании  дополнительно 100 мг/г метасиликата кальция, наблюдали нормальное развитие костных и хрящевых тканей. В аналогичных исследованиях на кроликах, Schwartz and Milne так же устанавливают влияние диетического кремнёвого рациона: у животных с дефицитным питанием были деформированы скуловые кости и эмаль зубных тканей, наблюдали низкое содержание воды в костной ткани и гликозаминогликан [5]. Carlisle  Е. установила, что кремний жизненно необходим для нормального роста и развития скелетных тканей. На стадии формирования органического предшественника кости обнаруживают значительные количества кремния, который связывает синтезируемые   коллагеновые волокна в единую матрицу, позже, когда происходит минерализация сформированного органического матрикса, кремний вытесняется кальцием, и его содержание в кости определяется минимальными количествами. Таким образом, кремний играет роль “переходного” элемента, необходимого для стабилизации органического матрикса  хрящевых и костных тканей.
     Оценка  биологической активности кремний-содержащих имплантационных  материалов в культуре остеогенных клеток.
     Исследования  in vitro с использованием культур остеогенных клеток позволяют прогнозировать реакцию ткани в условиях in vivo на подсадку разрабатываемых имплантационных материалов. Изучение поведения остеогенных клеток на кальций-фосфатных матрицах, модифицированных ионами  Na+, K+ и с введённым в структуру SiO2, и сравнение полученных результатов с - ?-ТКФ,  показали, что прикрепление остеогенных клеток, синтез коллагена и экспрессия остеогенных маркеров на поверхности CaNaPO4 и CaNaPO4 с 9% (вес.)  SiO2 было наибольшим, поэтому данные субстраты способствуют лучшей активации и дифференциации остеогенных клеток в сравнении с исходным ?-ТКФ [6]. В работе [7] так же проводили сравнительное исследование влияния химического состава субстратов на клеточную линию остеобластов; в качестве матриц для культивирования использовали: продукты растворения биоактивного стекла BG60S (состав, масс.: SiO2 - 60%, CaO – 35%, P2O5 - 5%); бифазную кальций-фосфатную керамику и контроль. Было установлено, что в присутствии продуктов растворения биоактивного стекла  увеличивается пролиферация клеток на 35%, их жизнеспособность, синтез клетками коллагена повышается  на 25% в сравнении с двухфазной кальций-фосфатной керамикой. Установлено, что значительное увеличение активности клеток в присутствии  продуктов резорбции  BG60S  связано с растворением кремнёвой составляющей биоактивного стекла; выход ионов кальция из структуры материала не оказывал влияния ни на пролиферацию клеток, ни на их синтетическую способность. Авторы [3] так же отмечали значительное увеличение пролиферации, дифференциации, секреции коллагена и жизненности остеобластов при введение в культуру остеогенных клеток крыс в условиях  in vitro продукта растворения Bioglass (состав, масс.: SiO2 - 45%, CaO – 24,5%, Na2O – 24,5% P2O5 - 6%)   или псевдоволластонта ?-CaSiO3.
     Многочисленные  исследования по культивированию остеогенных клеток  на различных субстратах показали, что прикрепление клеток, их  пролиферация, дифференциация, синтез коллагена и остеогенных маркеров происходит значительно активнее на тех материалах, которые содержат в своём составе соединения кремния. В работе [7] изучали морфологию остеобластов, культивированных в присутствии  BG60S. Было обнаружено образование в клетках большого числа вакуолей, жидкое содержимое которых на 75% содержало кремний. Формирование значительного числа вакуолей в клетке обычно ведёт к апоптозу, однако в данном случае, наоборот происходило повышение жизнеспособности, пролиферативной активности клеток, синтеза коллагеновых волокон. Подобное поведение может быть объяснено, с одной стороны, использованием  кремния в качестве “связующего” агента в процессе синтеза коллагеновых волокон за счёт реакций конденсации между коллоидным кремнием и фибриллами коллагена. С другой стороны, дополнительными адгезионными взаимодействиями   рецепторов клетки и силикагелем, формирующимся на поверхности субстрата при воздействии физиологической среды.
     Значительный  интерес у материаловедов вызывают имплантационные материалы нового поколения  –  кремний-структурированные  фосфаты кальция -  Si-ГА и Si-ТКФ. Сравнительные исследования кальцийфосфатных материалов, содержащих в своей структуре химически связанный кремний Si-ГА и Si-ТКФ с исходными ГА и ТКФ, показывают, что введение кремния вызывает значительно более высокий биологический отклик, что может быть связано с   Si-индуцирущим изменением свойств материала, а так же важной роли кремния в физиологических процессах роста и перестройки костной и хрящевой ткани.
     При введении кремния (в пределах нескольких вес. %) в кристаллическую структуру ГА (конечный продукт описывается формулой Ca102+(PO43-)6-х(SiO44-)х(OH-)2-х) изменяется эффективный заряд поверхности материла (характеризуется более высокими значениями электроотрицательности), что связано со специфическим расположением силикат-ионов относительно фосфат-ионов в кристаллической решётке Si-ГА. В испытаниях Si-ГА и эталонного ГА  в условиях in vivo было показано, что на поверхности образцов Si-ГА в значительно более короткие сроки происходит адсорбция протеинов, прикрепление клеток остеобластов, специфические клеточные реакции (синтез коллагена I типа, активация щелочной фосфатазы) и, соответственно, минерализация молодого костного матрикса [3,8].
     В исследованиях Mastroigacoma M. и соавт. [9], проводимых в период 1 и 2 года, с использованием имплантатов Skelite (состав, масс.: 67% Si-ТКФ и 33% ГА/?-ТКФ) было выявлено, что в период 3 мес – 1 год происходит активное формирование молодых  костных структур в открытых порах имплантата и резорбция материала. Через  1 год после имплантации, количество нерезорбировавшей матрицы соответствует 10-20 % от общего объёма, а через 2 года матрица полностью резорбирует и замещается сформировавшейся, высокоминерализованной костной тканью. В случае модифицирования имплантационного материала Skelite стромальными костными клетками, было показано, что  уже на сроке 4 месяцев имплантаты модифицированные   стромальными костными клетками способствуют формированию минерализованной костной ткани и подвергаются значительной резорбции, в сравнении с эталонным Skelite.
     Кремний-структурированные фосфаты кальция Si-ГА и Si-ТКФ и имплантационные материалы на их основе имеют ряд преимуществ над исходными, немодифицированными ГА и ТКФ: более высокую степенью резорбции, что связано с нарушением кристаллической структуры – появлению дефектов и вакансий; специфическую, более электороотрицательную поверхность, содержащую гидрофильные ?Si-OH группировки, с которыми легко вступают во взаимодействия полярные группы органических соединений, облегчая прикрепление клеток и способствуя формированию большего количества связей имплантат - кость. Кроме того, кремний активизирует деятельность клеток – остеобластов и остеокластов, что в значительно большей степени ускоряет регенеративные процессы в тканях.
     Растворимость биоактивных силикатных стёкол в условиях  in vitro и in vivo
     Многочисленными исследованиями установлено, что растворимость  биоактивных силикатных стёкол в  условиях  in vitro и in vivo, а так же их связывание со скелетными и мягкими тканями определяется химическим составом стекла и контактной среды.
     Hench L.L. [10] в системе Na2O-CaO-P2O5-SiO2 выделил пять областей составов различной биоактивности: нетехничные; абсолютно инертные; биоактивные стёкла, связывающиеся с костью; биоактивные стёкла, связывающиеся с костью и  коллагеновыми волокнами мягких  тканей; биодеградируемые стёкла,  резорбция которых начинается уже в первые 10-30 дней.
     В работах Andersson O.H., Karlsson K.H. [11, 12], изучено поведение биоактивных стёкол системы SiO2-Na2O-CaO-P2O5-Al2O3-B2O3 в условиях  in vivo, авторами [13] в условиях  in vitro  исследованы стёкла системы SiO2-Na2O-CaO-P2O5- K2O- Al2O3-B2O3. Во всех работах отмечается, что для различных составов биоактивных кремний-содержащих стёкол  механизм протекания поверхностных реакций и формирования связи имплантат–кость одинаков. Во всех случаях при воздействии физиологических сред на имплантат, как показали концентрационные профили “имплантат-кость” [11, 12, 13], на его поверхности формируется гель кремнёвой кислоты. В то же время, содержание в поверхностном реакционном слое ионов натрия, кальция, алюминии, фосфора минимальное. Впоследствии, на поверхности кремнёвого геля формируются  кальцийфосфатные слои различной “мощности”. Образование силикатного геля описывается реакцией:
                    ?Si-ONa + R-COOH                    ?Si-OH + R-COONa
     В зависимости от типа биоактивности  стекла (химически стойкое, биоактивное, биодеградируемое) изменяется как “мощность” образующегося геля кремнёвой кислоты  так и протекание последующих  реакций связывания. В случае химически  стойкого стекла толщина образовавшегося слоя силикагеля незначительна, на поверхности же биодеградируемых стёкол процессы растворения идут гораздо активней и глубже, формируя “мощный” слой кремнезёмного геля. Образовавшиеся многочисленные ?Si-OH полярные группы служат адгезивными островками, к которым прикрепляются клетки остеобластов путём реакции конденсации молекулы белка и силанольной группировки.  Избыточные силанольные группировки подвергаются  дальнейшему гидролизу, что приводит к образованию высокогидратированного коллоидного геля кремнёвой кислоты, растворимого в среде организма.
     Степень гидратации поверхности биоактивных  стёкол различна и зависит от конкретного  состава: высококремнезёмистые стёкла образуют прочный, непрерывный кремний-кислородный каркас и слабо подвергаются гидролизу. Так же слабо гидролизуются стёкла с низким содержанием кремнёвой составляющей и присутствующими в составе оксидами CaO, P2O5, Al2O3, B2O3, стабилизирующими кремний-кислородный каркас. Ингибируют процессы связывания добавки Al2O3, Ta2O5, Sb2O5, TiO2, ZrO2 [14, 15]. Напротив, увеличение содержания Na2O за счёт CaO при постоянном уровне оксидов кремния и фосфора приводит к повышению растворимости, формированию “мощного” силикагеля, и постепенной деградации имплантированного стекла в среде организма.
     Механизм  связывания костной ткани с имплантационным  материалом аналогичен  механизму  естественного ремоделирования кости [16]. На начальном этапе происходит резорбция материала, осуществляемая остеокластами, которые прикрепляясь к поверхности материала, секретируют и выделяют в резорбирующую зону органические кислоты (лимонную, молочную, янтарную или угольную). Растворимые продукты деградации поступают в кровеносную систему и удаляются из организма. Резорбция может продолжаться у взрослого человека до 6 недель.  Далее наступает фаза реверсии, 1-2 недели, которая характеризуется переходом от процессов резорбции к формированию костной ткани за счёт сопряжения деятельности остеокластов и остеобластов. Фаза формирования остеогенеза начинается с локальной дифференциации преостеобластов в остеобласты и их миграции в область резорбционной лакуны. Преостеобласты располагаются в остеогенной надкостнице, поэтому, имплантационный материал при хирургических реакциях стараются покрыть надкостницей. Прикрепление клетки остеобласта осуществляется рецепторами белковых молекул клеточной мембраны. Благодаря высокой синтетической и секреторной активности остеобластов лакуна постепенно заполняется органическим межклеточным веществом (откладывается со скоростью 2-3 мкм/сут.),  и в дальнейшем, спустя 5-15 суток, начинается минерализация, средняя продолжительность процесса составляет 20 недель. Впоследствии активные остеобласты утрачивают способность к секреции и минерализации костного матрикса и превращаются в неактивные остеобласты.
       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 Н2
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.