(a) Fosfátové minerály mohou být děleny na hydroxy(l)apatity, fluorapatity a chlorapatity [Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH,F,Cl)]. Zdroj:

Transkript

1

2 (a Fosfátové minerály mohou být děleny na hydroxy(lapatity, fluorapatity a chlorapatity [Ca 5 (PO 4 3 (OH,F,Cl]. Zdroj: (b HA jsou často používány jako pro regeneraci kostí nebo k náhradám ve formě granulí, pórovitých nebo pevných formách. Zdroj: [57]. Copyright 1993, World Scientific.

3 Hydroxyapatit (HA patří do skupiny apatitických keramik. Pojem apatit pochází z řeckého apatê znamenající klam či podvod. Toto označení bylo použito pro jeho rozmanitost, co se tvarů a barev týče [46]. Byl mnohokráte testován jako náhrada kosti díky jeho podobnosti vůči přirozené stavbě kosti i přes to, že neobsahuje některé organické sloučeniny jako kolagen nebo polysacharidy [49]. HA byl syntetizován a použit pro mnoho druhů implantátů (pevných a porézních a jako povrchová úprava implantátů z jiných materiálů. Tabulka 9.1 Složení a fyzikální vlastnosti apatitů u skloviny, zuboviny a kosti dospělého člověka Složka Sklovina Zubovina Kost Vápník, Ca + 36,50 35,10 34,10 Fosfor, P 17,70 16,90 15,0 Ca/P (moly 1,63 1,61 1,71 Sodík, Na + 0,50 0,60 0,90 Hořčík, Mg + 0,44 1,3 0,7 Draslík, K + 0,01 0,05 0,03 - Uhličitan, Co 3 3,50 5,60 7,40 Fluor, F - 0,01 0,06 0,03 Chlor, Cl - 0,30 0,01 0,13 3- Pyrofosfát, P 3 O 7 0,0 0,10 0,07 Anorganické celkem 97,0 70,0 65,0 Organické celkem 1,5 0,0 5,0 Vázaná H O 1,5 10,0 10,0 Krystalografické vlastnosti Mřížka (+0,0003 nm osa a 0,94 0,941 0,941 osa c 0,61 0, ,6109 index krystanility 70~75 33~37 33~37 velikost krystalků (nm 0,13 x 0,03 0,00 x 0,004 0,05 x 0,003 Produkty žíhání (1000 ºC β-tcmp+ha β-tcmp+ha HA+CaO Váhová analýza založená na práškových vzorcích kromě CO, který byl určen z nepráškového vzorku pomocí IR analýzy. Index krystanility je odvozen z poměru koherentního a nekoherentního rozptýlení v hydroxyapatitu vztažených ke 100 % [37, 38]. β-tcmp = β- trikalcium fosfát s navázaným hořčíkem, nebo whitlockitem v biologických systémech, β-tcp je vždy substituován hořčíkem (Mg,Ca 3 (PO 4. Zdroj: [36] Copyright 1994, CRC Press. 9.1 ZDROJE, SLOŽENÍ A STRUKTURA Existují dva zdroje apatitů: první je biologický, druhý spočívá v jeho získávání z minerálů jako fosfátová ruda nebo fosforit, tedy sedimentované horniny, která je zdrojem minerálních složek, ze kterých se skládá uhličitanový fluorapatit [46]. Jak bylo zmíněno v kapitole 5, kosti a zuby obsahují HA-podobný minerální prvek, který pomáhá nasazení in vivo. Chemické

4 složení, krystalová struktura další vlastnosti skloviny, zuboviny a kostí jsou shrnuty v tabulce 9.1. K výrobě implantátů se používají rozložené kosti a určité mořské korály (rod porites [, 6, 4, 44, 49]. Vzory rentgenové difrakce pro sklovinu, zubovinu a kost jsou znázorněny na obrázku 9.1. Jak můžeme vidět, sklovina má ostrý a jasně definované maximum, na rozdíl od kosti a zuboviny, což je způsobeno většími krystaly a vyšší krystalinitou jejich minerální složky (obrázek 5.6 a tabulka 9.1. Obrázek 9.1. Rentgenová difrakční vzory skloviny, zuboviny a kosti. Zdroj: [36] Copyright 1994, CRC Press. Tabulka 9. ukazuje mnoho technik výroby HA, ze kterých je hydrotermální metoda nejrozšířenější co se studia a komerčního využití týče. Keramika z vápenného hydroxyapatitu

5 [0] je obvykle připravena z apatitů získaných srážením nebo hydrolýzou za nekyselých podmínek při teplotách 950 a 1300 ºC. Srážení může být popsáno následujícími rovnicemi [5, 30]: Ca( NO ( NH HPO NH OH Ca ( PO ( OH ( Ca( Ac OH (9. ( NH 4 HPO4 NH 4OH Ca10( PO4 6( případně přidáním kyseliny do nasyceného roztoku hydroxidu vápenatého, Ca(OH : Ca( OH OH (9.3 H3( PO4 NH 4OH Ca10( PO4 6 ( HA keramiky mohou být připraveny také spékáním produktů hydrolýzy dihydrátu hydrogenfosforečnanu vápenatého (DCPD, kalciumhydrogen fosfát dihydrát, CaHPO 4 H O, fosforečnanu vápenatého (DCPA, bezvodný dikalcium fosfát, CaHPO 4 nebo pentahydrátu dihydrogenfosforečnanu oktavápenatého (OCP, oktakalcium fosfát, Ca 8 H (PO 4 6 5H O v základních roztocích nebo z uhličitanu vápenatého CaCO 3 ve fosfátových roztocích [37]: CaHPO 4 nebo CaHPO 4 H O NH 4OH Ca10( PO4 6 ( OH CaCO 3 ( NH 4 HPO4 Ca10( PO4 6 ( OH (9.4 (9.5 Tabulka 9.. Techniky přípravy HA Technika Výchozí materiály Podmínky Poznámky Reakce z pevné fáze Ca 3 (PO 4 +CaCO 3 Ca P O 7 +CaCO ºC Ca/P < 1,67, velká velikost zrn, nepravidelné formy, nehomogenní Mokrá chemická metoda Ca(NO 3 +(NH 4 HPO 4 Ca(OH +H 3 PO 4 ~100 ºC ph: 7-1 Ca/P < 1,67, dobré nepravidelné krystaly s malou krystalinitou, nehomogenní Hydrotermální metoda HA připraven mohkrou chemickou metodou, kalcium fosfáty º C (1-MPa º C (1-kbar Ca/P = 1,67,homogenní, pravidelné jednotlivé krystaly nebo velké krystaly Gelová metoda Gel + Ca + +PO 4 3- ~60 ºC ph: 7-10 Velké krystaly monetitu (CaHPO 4, brushit (CaHPO 4 H O, OCP Vypalovací metoda Ca 3 (PO 4 - PO 4 3- CaF, CaCl 1650 ºC Velké krystaly s mřížkovým pnutím Toková metoda CaF, CaCl Ca(OH 135 ºC (Fap, ClAp, HA Velké krystaly s malým mřížkovým pnutím Sol-gel, alkoxidy a další chemické metody se také používají. Depozice z chemické fáze (CVD, plasmový sprej a další chemické metody se požívají k formování HA vrstev na substrátech. Copyright 1994, CRC Press.

6 Nezbytné je kontrolovat ph reakce a koncentrace všech reaktantů, aby byl získán především HA, β-tcp (fosforečnan vápenatý, trikalcium fosfát Ca 3 (PO 4, případně lze TCP připravit v husté (mikroporézní nebo makroporézní formě. Makroporézní keramiky (póry větší než 500 μm jsou připravovány přidáním pěnivých přísad jako peroxidu vodíku nebo naftalenu před fází zhutnění, zahříváním za nízkých teplot k odstranění těchto pěnivých přísad a poté spékáním za vysokých teplot ( C. Husté nebo mikropórové keramiky mohou být získány spékáním za vysokých teplot ( C a tlaků ( MPA pomocí horkého isotopického stlačování (HIP hot isotropic pressing, stlačování v jedné ose nebo stlačování za horka. Hydrotermální zpracování vyžaduje vodní roztok uhličitanů nebo fosfátů o relativně vysokých teplotách (nad 100 C a tlacích (nad jednu atmosféru v uzavřené soustavě. Obrázek 9. ukazuje fázový diagram CaO-P O 5 -H O při hydrotermálních podmínkách o teplotě 600 C a tlaku kbar (1 bar = 0,9107 atm. Za nízké teploty (00 C a tlaku (1,7 kbar bude reakce probíhat pomaleji a k rovnováze dojde za delší čas. Většina látek je ve formě usazenin a musí být filtrovány, sušeny a spékány, aby bylo dosaženo finálních produktů. Někteří vědci se s úspěchem pokusili pomocí hydrotermální metody vyrobit jednotlivé krystaly ve formě tyčinek 10 mm dlouhých s průměrem 0,5 μm [15]. Obrázek 9.. Fázový diagram CaO-P O 5 -H O systému za hydrotermálních podmínek, teploty 600 ºC a tlaku kbar. Zdroj: [61] Copyright 1993, World Scientific. Největší úsilí bylo vynaloženo ke zlepšení mechanických vlastností HA keramik užívaných pro implantáty. Mnoho vědců použilo filtrované usazeniny podobné spékaným HA spolu se stlačováním za horka a pražením k získání průhledných HA s dobrými mechanickými vlastnostmi [10, 7, 8, 31]. Pražené prášky mají tendenci ke shlukování a jsou heterogenní.

7 Vysoká teplota pražení ( C nutná pro zvýšení hustoty má doprovodný efekt ve zvýšení velikosti zrn. Proto je nutné za mnohem nižších teplot (00 C a tlaků ( MPa předpřipravit téměř krystalické HA usazeniny. Snímek 9.3 pořízený pomocí Transmisní elektronový mikroskopu ukazuje takto připravené krystaly. Zvýšenou krystalizaci HA prášků za vysokých teplot po delší dobu ukazují vysoké úhly rentgenové difrakce na obrázku 9.4. Lze vidět, že HA může přejít při zhruba 350 C do β-ca 3 (PO 4. Obrázek 9.3. Snímek z transmisního elektronového mikroskopu HA syntetizovaného hydrotermální metodou při teplotě 00 ºC a tlaku MPa za dobu 10 hodin. Zdroj: [61] Copyright 1993, World Scientific. Apatity ze skupiny minerálů se vzorci A 10 (BO 4 X krystalizují do hexagonálních rombických krystalů. HA má primitivní buňku o rozměrech a = 0,943 nm a c = 0,6101 nm [56]. Atomická struktura HA promítnutá kolem osy c basální struktury je na obrázku 9.5. Povšimněte si, že hydroxylové ionty leží v rozích basální struktury a opakují se v pravidelných intervalech (polovina buňky, 0,344 nm podél kolmých sloupců basální struktury a paralelně s osou c. Šest z deseti iontů vápníku primitivní buňky jsou spojeny s hydroxylovými ionty v těchto sloupcích, což vede k jejich silné interakci. Obrázek 9.6 ilustruje třídimensionální pohled na krystalickou strukturu HA. Ideální poměr mezi vápníkem a fosforem v HA je 10:6 a hustota pak 3,19 g/ml [61]. Zajímavé je, že substituce OH skupiny za fluor dává vyšší strukturní stabilitu díky bližší poloze fluoru vůči vápníku, než má hydroxylová skupina. To je jeden z důvodů, proč lze zubním kazům předcházet pomocí zvýšené fluorizace skloviny. Efekt substituce pomocí fluoru na krystalové struktuře lze vidět na obrázku 9.7, kde prostorová vzdálenost ve směru osy a klesá se zvyšujícím se počtem atomů fluoru.

8 Příklad 9.1 Vypočtěte teoretickou hustotu HA: Hustota = m V ,15 g cm ,0 10 9,43 3/ 6,881 3 Obrázek 9.4. Rentgenová difrakční vzory hydroxyapatitových prášků. (a připraveno mokrou chemickou metodou při pokojové teplotě po dobu 10 hodin a hydrotermálně syntetizováno 10 hodin; (b při 100ºC, tlak 0,1 MPa, (c při 150ºC, tlak 0,5 MPa (d při 00ºC, tlak MPa. Zdroj: [9]. Copyright 1988, American Ceramic Society.

9 Obrázek 9.5. Struktura hydroxyapatitu, projekce basální plochy ve směru osy c. Zdroj [51]. Copyright 1958, International Union of Crystallography. Obrázek D pohled na strukturu krystalu hydroxyapatitu. Zdroj: [3]. Copyright 1986, Pergamon.

10 Obrázek 9.7. Efekt substituce fluoru na krystalovou strukturu. Syntetický apatit (B a apatity podobné sklovině (Č. Zdroj: [4]. Copyright 1980, Springer. 9.. Vlastnosti hydroxyapatitu (Biochemické a mechanické vlastnosti HA jsou podobné těm, které mají kosti a zuby. Jejich molekulové struktury jsou také podobné, ačkoli přesná podstata stavby, minerálů a proteinů a jejich interakce nejsou dosud stále pochopeny Mechanické vlastnosti Existuje široké spektrum ověřených mechanických vlastností HA. Jarcho et al. [30] a jejich plně zhutněné polykrystalické vzorky HA měly průměrné tlakové a tahové napětí 917 a 196 MPa. Kato et al. [31] dosáhli tlakového napětí 3000 kg/cm (94 MPa, pevnosti v ohybu 1500 kg/cm (147 MPa a Vickers tvrdosti 350 kg/mm (3,43 GPa.

11 Tabulka 9.3. Moduly pružnosti HA a mineralizovaných tkání Testovací metoda Materiál Modul pružnosti (Gpa Ultrazvuková interferenční metoda Hydroxyapatit (minerální 144 [19] Hydroxyapatit (syntetický 117 [19] Zubovina 1 [18] Sklovina 74 [18] Destruktivní technika Lidská korová kost 4,6-35 [14] Resonanční frekvenční technika Hydroxyapatit (syntetický 39,4-63 [59] Psí korová kost 1-14,6 [59] Příklad 9. Spočítejte pevnost kosti plně vrostlé do pórovitého titanového implantátu potaženého vrstvou HA. Předpokládejte 50% pórovitost v objemu s průměrnou velikostí póru 150 μm. Zhruba 30 % pórů je zaplněných kostí. Odpověď: E kost = 18 GPa E HA = 60 GPa (průměrně E T = V kost E kost +V HA E HA max max E 150 MPa pro kost: max 0, GPa 300 MPa pro HA: max 0, GPa E T =0,5 18 0,3+0,5 60=3,7 GPa Pak σ max = 3,7 GPa 0,005 = 163,5 MPa Chemické vlastnosti HA je považován za bioaktivní, což znamená, že může podstoupit ionizaci in vivo a že míra disociace závisí na mnoha faktorech např. stupeň krystaličnosti, velikost krystalů, okolní podmínky (teplota, tlak, parciální tlak vody a pórovitost. HA je rozpustný v kyselých roztocích, nerozpustný v zásaditých a lehce rozpustný v destilované vodě. Rozpustnost v destilované vodě stoupá s přidáním elektrolytů. Rozpustnost HA se dále mění s přítomností aminokyselin, proteinů, enzymů a dalších organických látek. Tyto podmínky rozpustnosti úzce souvisí s biokompatibilitou HA s tkáněmi a jeho chemickými reakcemi s jinými látkami. Nicméně rychlost rozpustnosti závisí na rozdílech v tvaru, pórovitosti, velikosti krystalů, krystaličnosti a velikosti krystalitů. Rozpustnost spékaného HA je velmi malá. Rychlost rozpustnosti je 0,1 mg/rok v podkožní tkáni [3]. HA reaguje aktivně s proteiny, tuky a dalšími organickými látkami.

12 Nejzajímavější vlastností HA je jejich výborná biokompatibilita [9, 4, 48, 50], výsledek jejich známé přímé chemické vazby s pevnými tkáněmi [31]. Hench et. al [] zjistil epitaxní růst HA krystalů na povrchu kotoučů Bioskla (Bioglass (průměr 1,3 cm, tloušťka 0,3 cm po nanesení 0,54 mm tenké vrstvy amorfního kalcia orthofosfátu na jeho povrch. Rentgenová difrakce krystalizace HA ukázala průměrnou velikost krystalů 0 nm, která odpovídá rozsahu velikostí minerálních krystalů pozorovaných in vivo [13]. Skenovací elektronový mikrograf (obrázek 9.8 zlomené části ukazuje stromovitý (dendrický růst HA krystalů na sklo-keramickém povrchu.