Нанокерамика на основе диоксида циркония — перспективный биоматериал для реставрационной стоматологии

Материаловедение для биологических и медицинских применений — сравнительно молодая отрасль науки. Ее интенсивное развитие обусловлено разработкой и изучением наиболее функциональных и безопасных материалов, способствующих улучшению здоровья и условий жизни человека. Исследования и производство биоматериалов составляют существенный сегмент современного рынка наукоемких технологий, потребность в таких материалах в мире ежегодно возрастает на 18—20%. При создании материалов биомедицинского назначения важно помнить, что материал должен быть совместимым с живым организмом и не вызывать у него отторжения. Большое значение имеют также химические, физические и механические свойства материала, поэтому разработка биоматериалов должна быть основана на взаимодействии химиков-технологов, материаловедов, медиков, биологов. Внедрение в медицинскую практику отечественных биоматериалов позволит оказывать пациентам помощь на уровне современных мировых достижений медицины.

Анализ научной литературы [2, 3, 9, 11] позволяет констатировать, что в последнее десятилетие в стоматологии наблюдается большой спрос на материалы оксидных нанокерамических композиций, которые называют биокерамикой. Особый интерес представляют керамические композиции на основе диоксида циркония, стабилизированного в тетрагональной структуре оксидами иттрия и церия (t-ZrO2), которые обладают комплексом уникальных физико-механических свойств: химической и структурной стабильностью, высокой трещиностойкостью, твердостью и прочностью, светопроницаемостью, сходной по показателям с натуральными тканями зуба. Кроме того, диоксид циркония биологически совместим со слизистой оболочкой и тканями полости рта и не вызывает аллергических реакций. Следует подчеркнуть, что керамика из t-ZrO2 соответствует требованиям, предъявляемым для изготовления стоматологических реставраций, которые изложены в международном стандарте ISO 13356−1997.

Оценка российского и зарубежных рынков стоматологических материалов позволяет констатировать, что в настоящее время все порошкообразные материалы из диоксида циркония выпускаются зарубежными производителями, главными из которых являются фирмы «Tosoh» (Япония), «Sax IBS Ceramic Applications» (Германия), «Zirkonzahn» (Южный Тироль, Италия). Технология данных фирм базируется на многостадийном и достаточно энергозатратном процессе превращения силиката циркония (ZrSiO4), который используют в качестве исходного реагента, в гранулят стабилизированного диоксида циркония. Производство порошка t-ZrO2 требует дорогостоящего оборудования (установки для экстракции и распылительной сушки, планетарная мельница, высокотемпературная печь). Следует отметить, что на некоторых стадиях процесса возможно загрязнение производимого продукта органическими веществами, которые используются как вспомогательные реагенты. Порошок стабилизированного диоксида циркония, синтезированный по зарубежной методике, получается крупнозернистым, размер зерен составляет 400 нм и выше. Подробный анализ данного технологического процесса приведен в работе [5]. Поэтому появление на рынке стоматологических материалов более дешевого и химически чистого порошка нанодисперсного t-ZrO2 отечественного производства может вызвать интерес и большой спрос у российских стоматологических клиник.

Важной задачей при разработке технологии синтеза керамики на основе t-ZrО2 для реставрационной стоматологии является получение с минимальными энергетическими затратами химически чистых и высокоактивных нанопорошков-прекурсоров. Метод совместного осаждения — наиболее простой и экономичный из химических методов синтеза, так как не требует больших энергетических затрат, дорогого оборудования и реактивов, а также дает возможность получать химически чистый конечный продукт в необходимых количествах. Поэтому в настоящей работе для синтеза керамики на основе диоксида циркония был использован метод совместного осаждения гидроксидов c их последующей криохимической обработкой.

Цель работы заключалась: 1) в разработке экологически чистой и эффективной технологии синтеза, позволяющей получать высокодисперсные порошки на основе диоксида циркония для реставрационной стоматологии; 2) в изучении физико-механических свойств и структурной устойчивости нанокерамики t-ZrО2 во влажных средах; 3) в получении экспериментальных результатов, подтверждающих биологическую инертность стабилизированного диоксида циркония.

Исходные материалы — водные растворы азотнокислых солей: ZrO (NO3)2·2H2O, Y (NO3)3·5H2O, Ce (NO3)3·6H2O и водный раствор аммиака. В качестве биологической среды при изучении биоинертности керамики использовали эмбриональную сыворотку плодов коров.

Методы исследования: 1) рентгенофазовый анализ (дифрактометр ДРОН-3, излучение CuKα) для определения кристаллической структуры порошков и спеченных образцов; 2) дифференциальный термический анализ (дериватограф Q-1000) для изучения процессов термолиза ксерогелей; 3) изотермическая обработка порошков и компактов в интервале температур 100—1400 °С (печи фирмы «Naberterm» с программным управлением); 4) просвечивающая электронная микроскопия для определения микроструктуры керамики (микроскоп ЭМ-125); 5) комплекс измерения физико-механических свойств керамики; 6) метод подсчета количества клеток с помощью инвертированного микроскопа Nikon eclipse TS100 в гемоцитометре (камера Горяева) [8].

Процесс совместного осаждения гидроксидов циркония и иттрия проводили на установке (рис. 1).

Исследования, выполненные ранее [5, 10], позволили подобрать оптимальные условия для проведения процесса совместного осаждения. Соосжденные гидроксиды подвергали криохимической обработке при –25 °С (24 ч) и получали высокодисперсный ксерогель с площадью удельной поверхности 240 м²/г. По данным электронной микроскопии, порошок ксерогеля представляет собой слабо агломерированные частицы с достаточно узким распределением их по размерам (20—70 нм) (рис. 2).

Стадия замораживания, или криокристаллизация, является наиболее ответственной во всем технологическом процессе. Правильно подобранный режим проведения этой стадии дает возможность получать высокодисперсные порошки с заданным составом, высокой химической активностью и гранулометрической однородностью [4]. Термообработка ксерогеля при 600 °C приводит к образованию химически чистого однофазного конечного продукта — диоксида циркония, стабилизированного в тетрагональной модификации [6]. Основные стадии синтеза нанопорошка t-ZrO2 представлены на рис. 3.

Предлагаемая нами технология синтеза нанодисперсных порошков t-ZrО2 имеет ряд неоспоримых достоинств по сравнению с технологией зарубежных производителей: 1) не требует дорогих реагентов и может быть осуществлена на типовом оборудовании; 2) количество стадий технологического процесса сокращено до 4 (количество стадий в зарубежном производстве — 8); 3) позволяет синтезировать нанопорошки в больших количествах; 4) ориентировочная стоимость нанопорошка на основе t-ZrO2, полученного по разработанной технологии, ниже стоимости импортного аналога на 15—20% при сохранении высоких свойств готового продукта; 5) побочные продукты, получаемые в ходе процесса синтеза порошков на основе t-ZrO2, по количеству вредных примесей не превышают предельно допустимых концентраций и соответствуют санитарным нормам, поэтому не требуют дополнительной очистки или специальных мероприятий по утилизации, в связи с этим можно считать, что данная технология является экологически чистой и безопасной.

Разработан оптимальный режим спекания порошков t-ZrO2, и получены плотные нанокристаллические компакты [5], которые могут быть использованы для изготовления стоматологических конструкций (рис. 4).

Измерены физико-механические свойства керамики из t-ZrO2, табл. 1.

Для сравнения в табл. 1 также даны свойства керамики на основе ZrO2, полученной в проектно-конструкторском бюро «Sax IBS», которая предлагается на международном рынке стоматологических материалов. Сравнительный анализ характеристик полученной нами керамики и зарубежного аналога показывает, что керамический материал на основе диоксида циркония, синтезированный по разработанной нами технологии, не уступает по параметрам материалу, который выпускается фирмой «Sax IBS», а по некоторым показателям даже превосходит его. Высокое качество полученной керамики даст возможность изготовлять стоматологические конструкции по высокоточной компьютерной технологии CAD/CAM (система сканирования и компьютерного моделирования) с максимально точным прилеганием.

Керамические конструкции из стабилизированного ZrО2 (коронки, мостовидные протезы, импланты) при длительном пребывании в ротовой полости человека неизбежно будут подвергаться воздействию нейтральных и активных жидких сред. Нами установлено, что керамика из t-ZrO2 является структурно устойчивой в дистиллированной воде и не подвергается низкотемпературному «старению» при 80 °C в течение 150 ч [6].

В патогенезе кариеса зубов немаловажную роль играет ротовая жидкость, ее нейтрализующие и минерализующие свойства связаны с состоянием кислотно-щелочного равновесия, объективным критерием которого является водородный показатель (рН) [7]. В норме рН слюны колеблется в зависимости от срока, прошедшего после приема пищи, от 6,5 до 7,5. Уменьшение рН ротовой жидкости до 6,0 и ниже при приеме кислотосодержащих продуктов (ягоды, фрукты, газированные напитки) вызывает процесс деминерализации зубной эмали, что неизбежно приводит к возникновению кариеса зубов. В связи с этим проведено исследование влияния кислотности среды на керамику из диоксида циркония. Керамические образцы выдерживали при комнатной температуре (23 °С) в растворах лимонной кислоты со значениями рН 4,0 и 5,0 в течение 700 ч. На поверхности образцов была создана искусственная шероховатость для придания им более высокой химической активности. После обработки в лимонной кислоте образцы изучены методом рентгенофазового анализа и установлено отсутствие химических и структурных изменений керамики (рис. 5).

Поэтому можно аргументированно констатировать, что кислотостойкий и практически беспористый керамический материал на основе t-ZrO2 не будет подвержен кариесу и продукты с низкими значениями рН, употребляемые в пищу, не смогут оказать разрушающего действия на стоматологические конструкции, изготовленные из диоксида, а также не испортят их внешний вид.

Для реставрационной стоматологии необходимы исследования, констатирующие биологическую инертность керамики из ZrО2 по отношению к тканям ротовой полости, это позволит прогнозировать стабильность керамики и ресурс ее эксплуатации в качестве стоматологического материала. Совместно с Институтом цитологии РАН начаты исследования in vitro по изучению жизнеспособности клеток эмбриональной сыворотки плодов коров в присутствии керамики на основе t-ZrО2 с помощью трансформированной клеточной линии СНО-К1. Эксперименты выполняли с образцами керамического материала из t-ZrO2, прошедшего стерилизацию в деионизованной воде методом автоклавирования в течение 20 мин под давлением в 1 атм. Стерильные образцы экспонировали в течение 7 дней в ростовой питательной среде F12+ 10% FBS (foetal bovine serum — эмбриональная сыворотка плодов коров) в СО2-инкубаторе при 37 °C (условия культивирования клеток). Указанная питательная среда после экспозиции в ней керамики была использована для культивирования клеток линии СНО-К1. Тестируемые керамические образцы помещали в лунки 12 луночных планшетов (Costar), количество среды в лунке составляло 500 мкл, а доза посева клеток на лунку — 100 клеток на 25 мкл питательной среды. Культивирование клеток проводили при 37 °C в течение 7 сут. Контрольный вариант — культивирование в 3 лунках в обычной среде, опытный — культивирование в 4 лунках в среде после экспозиции в ней тестируемого материала.

Результаты исследования оценивали по следующим критериям: 1) визуально — по морфологии клеток при прижизненном наблюдении под инвертированным микроскопом с фотофиксацией; 2) количественно — подсчет количества клеток по истечении срока их культивирования. По истечении срока культивирования клетки открепляли от поверхности каждой лунки смесью растворов трипсин-версен и в камере Горяева подсчитывали количество клеток, образовавшихся в каждой лунке за это время (табл. 2).

Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что количество клеток в опытном и контрольном вариантах в пределах методической погрешности (~3%) можно считать одинаковым. Установлено, что в присутствии тестируемого материала t-ZrO2 сохраняется нормальная морфология и функциональная активность клеток, это свидетельствует об отсутствии в циркониевой керамике компонентов, негативно влияющих на морфологию и пролиферацию клеток. Если бы в опытном варианте количество клеток было значительно меньше, чем в контрольном варианте это говорило бы о токсическом воздействии керамики на пролиферацию (размножение) клеток. Полученные данные свидетельствуют о биологической инертности керамики t-ZrO2. Этот факт объясняется тем, что при взаимодействии керамики на основе t-ZrO2 с клетками эмбриональной сыворотки ионы циркония, иттрия и церия, контактируя с белками, благодаря сильным межмолекулярным связям, образуют биокластеры, внутри которых расположены полости, способные координировать ионы металлов (Ме³⁺, Ме⁴⁺) [1]. Эти ионы взаимодействуют с донорными атомами связывающих групп: ОН^–, SH^–, —COO^–, —NH2 белков, присутствующих в сыворотке. В результате образуются комплексные соединения с высокой степенью окисления, которые, взаимодействуя с молекулами воды, в свою очередь образуют коллоидные мицеллы, создающие на поверхности керамических образцов защитный слой, препятствующий выходу из керамики ионов металлов [1]. Проведенное исследование in vitro позволяет аргументированно утверждать, что керамика на основе диоксида циркония будет биоинертной при контакте со средой и тканями ротовой полости.

Технология, описанная в настоящей работе, позволяет синтезировать химически чистые нанокристаллические порошки (6—8 нм) на основе стабилизированного диоксида при достаточно низких температурах с минимальными энергетическими затратами по сравнению с зарубежными производствами. Оптимальные условия спекания нанопорошков t-ZrO2 дают возможность получать керамику,конкурирующую по химическим, физико-механическим свойствам, а также стоимости с зарубежным аналогом. Благодаря правильной комбинации стабилизирующих добавок, удается избежать трансформаций и разрушений керамики на основе t-ZrO2 во влажных средах и прогнозировать срок службы стоматологических изделий. Учитывая все вышесказанное, можно констатировать, что керамика на основе диоксида циркония является идеальным материалом для изготовления надежных, безопасных для пациента, максимально эстетичных реставрационных конструкций и ее использование позволит снизить зависимость отечественной стоматологии от импортных материалов, а также поднять качество стоматологических услуг на европейский уровень. Исследования in vitro керамики из диоксида циркония являются необходимым условием их тестирования в приложении к медицине.

По материалам данной работы на 14-м Международном форуме «Высокие технологии XXI века» (Москва, Экспоцентр, 24—26 апреля 2013 г.) был представлен проект «Новые биокерамические нанокомпозиции для реставрационной стоматологии», который удостоен Диплома I степени и золотой медали.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: Л.В.М., О.А.Ш., И.А.Д., М.В.К.

Сбор и обработка материала: Л.В.М., М.В.К., И.А.Д., К.А.К.

Статистическая обработка данных: Л.В.М., М.В.К., И.А.Д., К.А.К.

Написание текста: Л.В.М., М.В.К., И.А.Д.

Редактирование: Л.В.М., М.В.К., О.А.Ш.

Конфликт интересов отсутствует.