Lämpömuokattava bioaktiivinen komposiitti oli kudosystävällinen luukorvikemateriaali

Tutkimuksen tausta ja tavoitteet

Bioaktiiviset lasit ovat pinta-aktiivisia keraamisia materiaaleja, jotka sitoutuvat kudokseen hydroksiapatiittikerroksen välityksellä ja edistävät luun kasvua. Lasin ja luun kosketuspinnan yhtäläisyys uudisluun rakenteen kanssa huomattiin 1970-luvun alussa. Siitä lähtien materiaalia on testattu kehityksellisten tai tulehduksen aiheuttamien luupuutosten korjauksessa ja luun ylläpidossa. Bioaktiivista lasia on käytetty kliinisesti levynä tai jauheena, sellaisenaan tai luumurskaan sekoitettuna. Bioaktiivisen lasin käyttömahdollisuuksia vauriokohdissa rajoittaa lasirakeiden käsiteltävyys, pakattavuus ja paikallaan pysyminen.

Kudoksessa hiljalleen hajoavia polymeereja, kaprolaktonia ja laktidia, on tutkittu mm. lääkeaineannostelussa ja hermokudoskirurgiassa. Polymeeriteknologian kehittyminen on johtanut laktidipolymeerien luukirurgisiin sovelluksiin, kuten lujiteruuveihin ja levyihin.

Väitöskirjatyössä tutkittiin Teknillisen korkeakoulun polymeeriteknologisen yksikön kanssa yhteistyössä kehitellyn poly(?-kaprolaktoni-co-DL-laktidi)sta ja bioaktiivisesta lasista (S53P4) valmistetun komposiitin hajoamista ja reaktiivisuutta sekä materiaalin kudosyhteensopivuutta, ja selvitettiin tämän kopolymeerin ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia lasirakeiden kantaja-aineena. Päätavoitteena oli kehittää kliinisesti käyttökelpoinen luuonkaloon injektoitava komposiitti, joka tukee luun paranemista.

Aineisto ja menetelmät

Materiaalia tutkittiin laboratoriossa upottamalla näytteet simuloituun kudosnesteeseen ja heiluttamalla niitä vesihauderavistajassa (37°C) puolen vuoden ajan. Näytteet sisälsivät 95,0 painoprosenttia kaprolaktonia ja 5,0 painoprosenttia laktidia ja vaihtelevan pitoisuuden joko suuri- (90–315 µm) tai pienikokoisia (< 45 µm) lasirakeita. Ajoittain materiaalista ja simuloidusta kudosnesteestä (dissoluutioliuos) otetuista näytteitä määritettiin komposiittien hajoamista ja reaktiivisuutta. Dissoluutioliuoksen kalsiumpitoisuudet sekä lasista peräisin olleen piin pitoisuudet mitattiin. Näytteiden massanmuutosta seuraamalla tutkittiin materiaalin liukenemista veteen (vesiabsorptiota) ja komposiitin hajoamisnopeutta sekä reaktiivisuutta ajan funktiona. Lisäksi selvitettiin komposiitin kykyä muodostaa apatiittia simuloidussa kudosnesteessä ja määritettiin materiaalin pintaan muodostuneen kalsiumfosfaattisaostuman määrää ja laatua.

Komposiitin aiheuttamia biologisia reaktioita tutkittiin sekä soluviljelmissä että koe-eläimillä. Soluviljelmissä (solut olivat terveen ihmisen suun limakalvolta eristettyjä sidekudossoluja) selvitettiin lasi/kopolymeeri seossuhteiden merkitystä solujen tarttumiseen ja kasvukäyriin sekä solujen morfologiaa ja kasvutiheyttä materiaalin päällä. Komposiitin aiheuttamia kudosreaktioita tutkittiin rottien pehmyt- ja kanien kovakudoksessa. Pehmytkudoskokeessa selvitettiin materiaalin mahdollisesti sisäelimille aiheuttamia toksisia muutoksia.

Tulokset

Tutkittu komposiitti oli injektoitavaa ja muotoiltavaa kehon lämpötilassa. Komposiitin asettaminen vauriokohtaan onnistui hyvin, ja histologisissa leikkeissä todettiin materiaalin tunkeutuneen kudokseen erinomaisesti. Bioaktiiviset lasirakeet jäykistivät komposiittia häiritsemättä kopolymeerin lämpömuokattavuutta. Lasi säilytti bioaktiiviset ominaisuutensa, sillä lasia sisältäneet näytteet muodostivat apatiittia materiaalin pintaan. Lasirakeiden koolla ja määrällä oli merkitystä materiaalin reaktiivisuuteen ja hajoamisnopeuteen.

Soluviljelyissä sidekudossolut tarttuivat komposiitteihin ja lisääntyivät eksponentiaalisesti niiden päällä, mikä osoitti materiaalin kudosyhteensopivuutta. Hajoamistuotteiden määrät ja niiden aiheuttamat pH-muutokset vaikuttavat kohdekudoksen solureaktioihin. Vierasesinereaktiot todettiin vähäisiksi. Lasia sisältäneiden näytteiden alkureaktiivisuuden jälkeen kantajapolymeerin hidas hajoaminen johti materiaalin kapseloitumiseen pehmytkudoksessa. Paras luuvaste saavutettiin suuria lasirakeita sisältäneellä materiaalilla, mutta uudisluun muodostuminen rajoittui materiaalin pintaosiin, sillä hitaasti hajoava polymeeri muodosti eristävän kerroksen luukudoksen ja materiaalin välille.

Johtopäätökset

Bioaktiivinen lasi säilyttää reaktiivisuutensa kopolymeeriin sekoitettaessa ja lasia sisältävän komposiitin pintaan muodostuu apatiittia, jonka määrä on riippuvainen komposiitin sisältämien lasirakeiden määrästä ja koosta. Bioaktiivisen lasin pitoisuus vaikuttaa ratkaisevasti kantajapolymeerin hajoamisnopeuteen. Soluviljely- ja kudosreaktiokokeet osoittivat materiaalin bioyhteensopivaksi. Kanien kokeellisissa luuvaurioissa komposiitin sisältämät lasirakeet ohjasivat ja tukivat luun muodostusta, mutta normaaliin luun paranemiseen nähden komposiitti oli liian hitaasti hajoavaa. Tutkittavan materiaalin sisään tapahtuvan luun kasvun helpottamiseksi sen huokoisuutta tuleekin lisätä ennen varsinaisia kliinisiä kokeita.

Composites containing bioactive glass were biocompatible

Bioactive glasses are surface-active cer-amic materials which support and accelerate bone growth. The aim of this thesis was to determine the dissolution behaviour and biocompatibility of a composite consisting of poly(?-caprolactone-co-DL-lactide) and bioactive glass (S53P4).

In vitro tests evaluated the dissolution behaviour of plain copolymer and composites containing bioactive glass granules, surface reactivity, and the material's capability to form apatite in simulated body fluid (SBF). The human fibroblast proliferation was tested on materials in cell culture. Toxicological tests, mater-ial degradation and tissue reactions were tested in vivo both subcutaneously and in experimental bone defects.

The composites containing bioactive glass formed a unified layer of apatite on their surface in SBF. The size and amount of glass granules and the material's surface reactivity affected the degradation of polymer matrix. In cell culture on the test materials the human gingival fibro-blasts proliferated and matured faster compared with control materials. In vitro tests showed the formation of a connect-ive tissue capsule around the specimens. Foreign body cell reactions were mild. In experimental bone defects the specimens with a high concentration of small bioactive glass granules (< 45 µm) formed a dense apatite surface layer that restricted the bone ingrowth to material. High concentrations of large glass granules (90–315 µm) formed the best bonding with bone. Slow degradation of the copolymer restricted the bone growth, but only in the superficial layers.

The handling properties of the mater-ial were good and tissue reactions were mild. The reactivity of bioactive glass was retained inside the copolymer mat-rix. However, degradation of the copolymer was too slow compared with the bone healing. The porosity of the material should be increased in order to improve tissue healing.

OSAJULKAISUT

I T Jaakkola, J Rich, T Tirri, T Närhi, M Jokinen, J. Seppälä, A Yli-Urpo. In vitro Ca-P precipitation on biodegradable thermoplastic composite of poly(?-caprolactone-co-DL-lactide) and bioactive glass (S53P4). Biomaterials 2004; 25: 575–81.

II J Rich, T Jaakkola, T Tirri, T Närhi, A Yli-Urpo, J Seppälä. In vitro evaluation of poly(?-caprolactone-co-DL-lactide)/bioactive glass composites. Biomaterials 2002; 23: 2143–50.

III T Jaakkola, M Hormia, T Närhi, J Rich, J, Seppälä, A Yli-Urpo. In vitro proliferation of human fibroblasts on P(?-CL/DL-LA)/bioactive glass composites. Bioceramics 14, Key Engineering Materials 2002; 218–220: 261–4.

IV Ranne T, Tirri T, Laine VJO, Aho A, Rich J, Seppälä J, Yli-Urpo A, Närhi T. In vivo behavior of poly(?-caprolactone-co-DL-lactide)/bioactive glass composites in rat subcutaneous tissue. Journal of Bioactive and Compatible Polymers 2007; 22: 249–264.

V TO Närhi, JA Jansen, T Jaakkola, A de Ruijter, J Rich, J Seppälä, A Yli-Urpo. Bone response to degradable thermoplastic composite in rabbits. Biomaterials 2003; 24: 1697–704.

Julkaisun osoite: https://oa.doria.fi/handle/10024/42467