Капсулы с кристаллами соли помогли армированному костному цементу залечить трещины

Немецкие ученые создали материал на основе кальций-фосфатного цемента с углеродными волокнами, способный выдерживать ударные нагрузки до 1,9 килоджоулей на квадратный метр. Материал оказался способен заживлять трещины до десяти микрон в своей структуре в растворе, имитирующем плазму крови, а наличие полимерных капсул с солью гидрофосфатом натрия позволяло материалу самовосстанавливаться и в воде. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

В природе нередко можно встретить материалы, способные к самостоятельному восстановлению своей структуры: кожа и кости, например. Поврежденные кости восстанавливаются с помощью ионов кальция и фосфатов, содержащихся в плазме крови, самих костях и зубах. В клинической практике уже применяют самовосстанавливающиеся полимерные биоматериалы и гидрогели.

В качестве неорганического материала для имплантов часто используют фосфат кальция. Паста из цемента из порошка фосфата кальция с жидкой фазой может обеспечивать надежный контакт кости с имплантом, биосовместима, а также в нее можно добавлять различные лекарства. Тем не менее, такие цементы весьма хрупкие.

Анна Бем (Anne V. Boehm) с коллегами из Йенского университета имени Фридриха Шиллера создала на основе апатитового кальций-фосфатного цемента самозалечивающийся биосовместимый прочный материал, добавив в цемент углеродное волокно в качестве армирующего компонента и полимерные капсулы с кристаллами гидрофосфата натрия. Застывал цемент при высокой влажности в течение семи дней. Способность к самостоятельному восстановлению in vitro исследователи проверяли, наблюдая за залечиванием трещин в растворе, который по составу симулировал неорганическую часть плазмы крови человека.

Ударная вязкость цемента с углеродным волокном составила почти два килоджоуля на квадратный метр, что в 100 раз выше значения, соответствующего чистому кальций-фосфатному цементу. Наличие полимерных капсул улучшило как значения ударной вязкости, так и способность трещин залечиваться в жидкой среде. При образовании трещин до десяти микрон, полимерная оболочка разрывалась, высвобождая гидрофосфат-ион, который вызывал локальное пересыщение и кристаллизацию апатита в трещине. Материалы, которые не содержали капсул, залечивали трещины, только если в растворе были ионы кальция и фосфат, то есть в среде раствора, по составу имитирующего плазму крови.

Материалы после залечивания оказались по механическим свойствам не хуже образцов без дефектов даже после трех циклов образования и залечивания трещин. По словам авторов, способность выдерживать высокие нагрузки и восстанавливать структуру позволит использовать эти материалы для создания имплантов костей, испытывающих частые нагрузки.

Способность фосфата кальция кристаллизоваться в дефектных областях использовали и для повышения прочности других частей человеческого организма. Около года назад ученые из Китая восстановили природную зубную эмаль с помощью ионных кластеров фосфата кальция.

Алина Кротова