Спросить
Войти
Квантово-химический анализ процесса сращивания костной ткани и
импланта
А.М. Стебеньков , Е.В. Борознина , Н.А. Стебенькова
Аннотация: В работе предложена молекулярная модель микропористой структуры гидроксиапатита с замещением одного из атомов фосфора атомом кремния. Произведен квантово-химический расчёт полной энергии данной системы, определено зарядовое распределение, установлен наиболее энергетически выгодное положение для присоединения неколлагенного белка, найдена колебательная мода связи неколагеннового белка-гидроксиапатит. Даны методические рекомендации использования лазерного излучения для улучшения сращивания системы «костная ткань-имплант». Ключевые слова: гидроксиаппатит, тропоколлаген, имплант, квантово-химический анализ, молекулярная модель, спектр одноэлектонных состояний, колебательная мода.
Сегодня под понятием биотехнических исследований понимается широкий круг методов и моделей из различных отраслей современной науки и техники.
Вообще говоря, любой процесс, идущий в живом организме, можно смоделировать с помощью аппарата квантовой механики. На наш взгляд — это весьма перспективное направление доклинических исследований, способное существенно уменьшить количество реальных, как правило, дорогостоящих экспериментов. Известно, что из 10000 новых препаратов к доклиническим исследованиям допускают в среднем 250, и только 5 из них отбирают для проведения клинических исследований.
Целью настоящего исследования является рассмотрение возможности применения квантовомеханических методов для разработки технологии эффективной остеоинтеграции при костно - имплантном взаимодействии.
Одним из главных факторов, существенно влияющих на приживление имплантов, является качество их поверхности, которая соприкасается непосредственно с клетками костной ткани, то есть погруженной в кость части импланта. Весь опыт применения имплантов, а также многочисленные
исследования подтверждают, что нанесение покрытия на имплант обладающих высокой биосовместимостью значительно повышает степень их приживаемости, так как контакт костной ткани с поверхностью импланта происходит более тесно [1]. Поэтому были разработаны различные технологии изменения свойств поверхности путём нанесения покрытий на импланты, придающими им шероховатость и пористость для повышения остеоинтеграции.
Такая обработка поверхности импланта является заключительной процедурой в его производстве. На данный момент не существует технологии способной подобрать для каждого пациента частоту лазерного излучения для обработки поверхности импланта , что значительно повлияло бы на процесс приживаемости костной ткани и импланта.
Актуальность данной работы заключается в том, что, несмотря на развитие технологий нанесения биосовместимых покрытий на импланты, осталась проблема приживаемости имплантов с костной тканью. С помощью нашей технологии появится возможность снизить риск отторжения импланта, путём подбора для каждого пациента частоты лазерного излучения для обработки поверхности импланта [2,3].
Для того чтобы имплант лучше прижился его покрывают специальным напылением которое обладает высокой биосовметимостью с костной тканью человека. У каждого человека как мы знаем состав кости различен и для того, чтобы покрытие соответствовало составу костной ткани человека, нужно наносить покрытие при помощи лазера которому задаётся определённая частота воздействия при нанесении покрытия на имплант. Именно для этого и целесообразно разработать технология, благодаря которой на компьютере можно будет смоделировать покрытие импланта, которое будет состоять из нужных компонентов, и подобрать для каждого пациента частоту лазерного излучения для обработки поверхности импланта,
что и будет способствовать высокой биосовместимости костной ткани и импланта, и снизит риск его отторжения.
Костная ткань выполняет множество функций, таких как опорная, запасающая и т.д. Остеоны, являющиеся главной «строительной» единицей костной ткани, имеют вид цилиндров диаметром 0.1-0.5 мм и длиной доходят до нескольких сантиметров, состоят из 3-25 костных пластинок, расположенных концентрически вокруг гаверсова канала. Надкостница покрывает поверхность кости и прочно прикрепляется к ней большими пучками коллагеновых волокон, которые проникают и вплетаются в слой внешних общих пластинок кости. Функция этих волокон придать тканям прочность на растяжение. Коллагены, обеспечивающие механическую прочность костной ткани, являются наиболее распространенными белками в организме человека, в сумме 30 % от общего количества [4]. Молекулы коллагена состоят из трех скрученных спирально полипептидных нитей, и способны собираться в фибриллы, диаметром 0.1-2 мкм.
Биоактивный гидроксиаппатит на сегодняшний день является, пожалуй, одним из лучших материалов, подходящих для имплантации. Будучи основным компонентом костной ткани человеческого скелета, ГАП уже нашёл широкое применение в ортопедии, травматологии, восстановительной хирургии, стоматологии и косметологии в виде прочных керамических заготовок, которые могут выполняться как в произвольной форме, так и в форме больших фрагментов кости; гранул, позволяющих заполнять костные полости и дефекты; мелкодисперсных порошков, служащих наполнителями в пастах и пломбировочных материалах, и гелей с высоким содержанием активного аморфного ГАП. В ранних исследованиях было доказано, что частичное замещение некоторых атомов фосфора на
атомы кремния способно улучшить прочностные характеристики ГАП, а следовательно и изготовленного из него импланта, поэтому нами изучался кластер ГАП, модифицированный атомом кремния.
Первым этапом исследования стало построение расширенной элементарной ячейки ГАП, в котором один атом фосфора замещался атомом кремния и расчет полной энергии такой структуры. На рисунке представлен фрагмент ГАП-Б1. Представленный кластер содержит 10 атомов кальция, 5 атомов фосфора, 1 атом кремния, две гидроксогруппы ОН, и 24 атома кислорода, на основе структурной формулы БьГАП Са10(РО4)6-х(ЗЮ4)х(ОН)2-х (0<х<2), где х в данном случае - количество атомов кремния [5-7]. При этом числами 1-6 обозначены места присоединения впоследствии молекулы неколлагенового белка.
Са * О
Рис. 1. - Молекулярная модель гидроксиаппатита, модифицированного кремнием
В результате расчетов [8] нами было установлено зарядовое распределение на атомах структуры ГАП-Б1 и полная энергия системы (табл.1).
Таблица № 1
Зарядовое распределение на атомах
Атом Значения Средние Атом Значения Средние
заряда, значения заряда, значения
отн.ед заряда, отн.ед отн. ед заряда, отн. ед
Кислород, -0,826 -0,838 Кислород, -0,389 -0,484
связанный -0,943 связанный -0,408
с атомами -0,823 с атомом -0,531
фосфора -0,856 кремния -0,608
-0,951 Кислород, -0,530 -0,579
-0,847 связанный
-0,859 с атомами -0,629
-0,821 водорода
-0,629 Кальций 0,552 0,684
-0,786 0,814
-0,770 0,840
-0,590 0,878
-0,918 0,457
-0,923 0,408
-0,944 0,844
-0,844 0,812
-0,794 0,556
-0,881 0,781
-0,869 Кремний 1,201 1,201
-0,877 Водород 0,116 0,145
Из таблицы видно, что кислород во всех случаях имеет отрицательный относительны заряд, что говорит о его большей электроотрицательности по сравнению с атомами Р, Н, Бт В самом деле, рассматривая соединения РО4, БЮ4, ОН, кислороду в силу своей конфигурации энергетически выгоднее «оттянуть» на себя электронную плотность атомов Р, и Н. Отрицательное значение полной энергии данной системы, как и химически адекватное перераспределение электронной плотности атомов ГАП-Б1, свидетельствует о том, что данную структурную модель ГАП-Б1 можно использовать для дальнейших расчетов.
Модель неколлагенового белка была построена на основании известных молекулярных параметров, освещённых в источнике [9], структура содержит 3 атома углерода, 3 атома кислорода, 1 атом азота, 6 атомов водорода, как представлено на рисунке 2.
Рис. 2. Молекулярная модель неколлагенового белка
Аналогичным образом была произведена оценка физической адекватности созданной модели данной структуры, найдены полная энергия системы и распределение электронной плотности на атомах (таблица 2).
Таблица № 2
Заряды атомов характерного элемента неколлагенового белка
Атом Значения Средние Атом Значения Средние
заряда, значения заряда, значения
отн.ед заряда, отн. ед заряда,
отн.ед отн. ед
Углерод 0,331 0,177 Кислород -0,370 -0,321
Водород, -0,006 0,028 Азот -0,282 -0,282
связанный 0,073 Водород, 0,111 0,118
с 0,017 связанный 0,125
углеродом с азотом
Далее нами был изучен процесс присоединения молекулы неколлагенового белка к БьГАП. Для того, чтобы установить наиболее выгодное положение неколлагенового белка относительно гидроксиаппатита, мы рассмотрели 6 химически неэквивалентных положения для неколлагеновый белок. Неколлагеновый белок присоединялся атомом углерода к атомам кислорода в позициях, представленных на рисунке 1 обозначенных цифрами от 1 до 6. Взаимное расположение БьГАП и молекулы неколлагенового белка представлено на рисунке 3. Значения полных энергий комплексов БьГАП+неколлагеновый белок представлены в таблице 3. Видно, что наименьшим значением полной энергии обладает структура, в которой тропоколлаген располагался в положение 2.
Таблица №3
Сравнение полной энергии
Вариант Полная энергия, Вариант Полная энергия,
присоединения эВ присоединения эВ
Как уже отмечалось ранее, основной проблемой имплантации является риск отторжения импланта, то есть в процессе остеоинтеграции связи между тропоколлагеном и имплантом не возникают или нестабильны. Одним из вариантов решения данной проблемы может стать технология, которая уже в процессе операции по установке импланта позволит повысить вероятность остеоинтеграции. Зная частоту колебаний связей, участвующих в «сращивании» импланта и тропоколлагена, а в нашей случае это связь С-О, можно воздействовать данной частотой по средствам специального лазера на место внедрения импланта в процессе хирургической операции. Такое воздействие на наш взгляд повысит остеоинтеграцию и, как следствие, уменьшит риск отторжения импланта.
Длина волны связи С-О X = 13,404 мкм, что соответствует ИК-диапазону шкалы электромагнитных волн.
Разработанная модель костно-имплантного взаимодействия позволяет определять частоту (длину волны) лазера для обработки покрытия импланта с получением наиболее энергетически выгодного соединения костной ткани и напыления импланта [10]. По нашему мнению подобная технология способна повысить остеоинтеграцию и уменьшит риск отторжения импланта, что снизит вероятность неблагоприятных исходов операции для пациента и облегчит работу врачу, но безусловно данные исследования требуют дальнейшего экспериментального исследования.
References
