Пористость HAp-каркаса для костной регенерации: почему около 400 um оказалось лучше

Ежегодно в мире выполняют более двух миллионов операций костной пластики; кость — вторая по частоте трансплантации ткань после крови. Ауто- и аллотрансплантаты остаются эталонными методами, но связаны с повреждением донорского участка, ограниченностью материала и риском отторжения. Источник указывает ежегодный рост рынка около 7% и прогноз 4.6 млрд долларов США к 2030 году. Спрос связывают со старением населения — приводится прогноз ВОЗ об увеличении доли людей старше 60 лет с 12% до 22% — и развитием костной тканевой инженерии.

Гидроксиапатит HAp, Ca10(PO4)6(OH)2, химически близкий к неорганической составляющей кости, и более быстро разрушающийся beta-трикальцийфосфат beta-TCP широко применяют в синтетических каркасах. Оба относятся к фосфатам кальция. HAp биоактивен: поддерживает формирование кости остеобластами и может резорбироваться остеокластами. Однако массивный HAp имеет ограниченные механические характеристики при несении нагрузки. Один из подходов — проектирование пористых каркасов.

Какие пористость и размер пор позволяют клеткам проникать внутрь без чрезмерной потери прочности? Опубликованные ответы различаются: одни исследования предпочитают 70%, другие 50%. Коллектив Университета Тампере в Финляндии провёл систематическое сравнение с помощью DLP-печати керамики.

1. Эксперимент: четыре пористости и пять температур спекания

Суспензию HAp печатали при 45°C слоями по 25 микрометров. На сплошных дисках диаметром 7 mm сначала исследовали температуры спекания 900–1300°C; образцы обозначили HAp_900–HAp_1300. Четыре пористых цилиндра высотой 3.5 mm и диаметром 7 mm обозначили HAp1–HAp4 по возрастанию пористости. Структуру измеряли микро-КТ. Все пористые каркасы спекали при 1000°C для компромисса между биоактивностью и механикой.

2. Выбранный баланс: около 45% пористости и поры 400 микрометров

Микро-КТ установила следующие параметры:

HAp1: общая пористость 42.93%; средний размер пор 267.6 микрометра; толщина стенки 292.0 микрометра; прочность при сжатии около 1.2 MPa.

HAp2: общая пористость 45.61%; средний размер пор 396.5 микрометра; толщина стенки 354.8 микрометра; прочность при сжатии около 1.6 MPa — максимум в сравнении.

HAp3: общая пористость 76.75%; средний размер пор 707.3 микрометра; толщина стенки 260.5 микрометра; прочность при сжатии около 0.3 MPa.

HAp4: общая пористость 78.70%; средний размер пор 850.8 микрометра; толщина стенки 292.4 микрометра; прочность при сжатии около 0.3 MPa.

HAp2 с пористостью 45.61% и порами около 400 микрометров показал лучшие механические свойства среди этих конструкций. Малые поры могут ограничивать врастание клеток и сосудов; большие, 700–850 микрометров, обеспечивали до 99% проникновения, но снижали прочность примерно до одной пятой HAp2. Стандартные частицы размером 30 микрометров показали 100% открытой пористости всех каркасов: связность не ограничивала проникновение через поры более 267 микрометров. Однако отдельные клетки размером 15–30 микрометров и клеточные скопления около 200 микрометров вели себя по-разному: проникновение скоплений достигало 99% для HAp3/HAp4 и лишь 80.5% для HAp1. Поэтому около 400 микрометров дали компромисс прочности и проникновения именно в этом эксперименте.

3. Биологическая оценка: наиболее выраженный остеогенный ответ у HAp2

Мезенхимальные стромальные клетки костного мозга человека hBMSC от двух доноров высевали на четыре каркаса и культивировали в остеогенной среде 14 и 21 день. HAp2 показал максимальные активность и пролиферацию во всех измеренных временных точках. Экспрессия коллагена I типа, важного остеогенного маркера, также была наиболее выражена на HAp2.

Источник объясняет баланс пористостью HAp2 45.61% и порами около 400 микрометров, пропускающими клеточные скопления, совместно со стенками около 355 микрометров, обеспечивающими опору. Более пористые конструкции дают больше пустот, но более тонкие стенки и меньше поверхности для прикрепления; источник характеризует их относительно тонкие стенки величиной около 260 микрометров.

4. Компромисс температуры спекания

HAp обладает высокой биоактивностью, но невысокой механической прочностью в исходном состоянии. Повышение температуры спекания улучшает уплотнение и прочность, однако высокотемпературная стабильность HAp ограничена: примеси и замещающие ионы могут способствовать превращению в beta-TCP.

SEM дисков после спекания при 900–1300°C показал рост зёрен и уплотнение. Прикрепление остеокластов было лучшим при 1000°C. Выше примерно 1200°C на поверхности появлялась стекловидная связующая фаза, менялась химия поверхности и прикрепление ухудшалось.

Фазовый анализ XRD показал, что отклонение молярного отношения Ca/P от стехиометрических 1.67 способствует образованию beta-TCP при высокой температуре. Биологический апатит сам является кальций-дефицитным; вопрос особенно важен для HAp с замещениями Sr, Mg или Zn. Для пористых каркасов выбрали 1000°C, сохраняя биоактивность ценой механического компромисса.

5. Неожиданный результат введения микроэлементов

Костный апатит допускает разнообразные ионные замещения. Авторы проверили HAp с Sr, Mg и Zn, обозначив составы 1MIX и 5MIX, в расчёте на остеогенный эффект. Но отклонение от стехиометрии привело к значительному образованию beta-TCP после спекания при 1000°C, особенно в 5MIX.

Поверхностные измерения помогли объяснить результат: рост содержания beta-TCP сопровождался увеличением абсолютного дзета-потенциала, то есть более сильным отрицательным зарядом, и угла смачивания водой, то есть ухудшением смачиваемости. Это создавало менее благоприятные электростатические и гидратационные условия прикрепления. Измерение тартрат-резистентной кислой фосфатазы TRAcP — маркера остеокластов — подтвердило значительно меньшее число остеокластов на MIX, чем на чистом HAp2.

6. Выводы и перспективы

Методом фотополимеризации керамики в ванне на Lithoz CeraFab 7500 изготовили четыре архитектуры HAp и связали микроструктуру с механическими и биологическими характеристиками. В данном сравнении предпочтительным оказался баланс около 45% пористости и пор 400 микрометров. Работа также показала, что введение микроэлементов с последующим высокотемпературным превращением HAp в beta-TCP может ухудшать поверхность и прикрепление клеток.

Источник выделяет два практических следствия для этой системы: спекание чистого HAp около 1000°C помогает сохранить биоактивность; простое добавление Sr, Mg или Zn в суспензию не гарантирует пользы, поскольку последующее фазовое превращение может обратить ожидаемый эффект. Это выводы конкретного исследования, а не универсальные пределы проектирования каркасов.

Перспективным направлением названы биокерамико-полимерные композиты: низкотемпературная обработка может сочетать прочность керамики с вязкостью полимера, избегать изменений при спекании и лучше приближаться к природной кости, содержащей HAp и коллаген I типа.

Литература

[1] A. Ressler, R. Ohlsbom, V.A. Gobbo, M. Hannula, K. Keck, et al. Biomimetic bone calcium phosphate-based scaffolds fabricated via ceramic vat photopolymerization: Effect of porosity, sintering temperature, mineralogical phases and trace elements on the osteogenic potential. Materials Today Bio 38, 103140 (2026). DOI: 10.1016/j.mtbio.2026.103140.

[2] Y. Deng, D. Wang, W. Wang, et al. Effect of pore size and porosity on the mechanical properties and in vitro biological response of bioceramic scaffolds. Ceramics International, 2024. Ссылка приведена по источнику.