CC BY
58
УДК 666.3-127.2
Е.С. Полутина, А.И. Джакеева, А.В. Беляков, М.А. Вартанян
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
КОМПОЗИЦИОННЫЕ БИОАКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ,
СОДЕРЖАЩИЕ ФОСФАТЫ КАЛЬЦИЯ И АРАГОНИТ
Разработана лабораторная технология получения пористых биоактивных композиционных материалов с покрытием из CaC03. Определены физико-химические характеристики полученных материалов. Материалы обладают удовлетворительными значениями механических свойств.
A laboratory technique for obtaining porous bioactive composite materials coated with CaC03 is discussed. The physical and chemical characteristics of obtained materials are presented. Materials are shown to possess wholly satisfactory values of mechanical properties.
Биоматериалами называют синтетические или природные материалы, которые предназначены для службы в тесном контакте с тканями живых организмов с целью проведения обследования, лечения, улучшения или замены отдельных тканей и целых органов или каких-либо выполняемых ими функций. Биокерамика - это биоматериалы, изготовленные из неорганических неметаллических соединений по керамической технологии с использованием порошков [1]. Создание подобных материалов позволило разработать новый метод инженерии костной ткани, суть которого в том, что в организме создают условия, в которых он сам восстанавливает поврежденную ткань - в матриксе необходимой формы происходит наращивание кости при введении стимулов для остеогенеза [2]. В настоящее время для этих целей применяют керамику на основе гидроксиапатита и трикальцийфосфата. Поскольку минеральная составляющая костной ткани представлена в основном гидроксиапатитом кальция, организм не воспринимает имплантат как чужеродное тело [3].
Типичный пример биоактивного материала - биокерамика, сделаная из плотного гидроксиапатита (ГАП). ГАП является одним из наиболее широко применяемых материалов для изготовления искусственных имплантатов в силу высокой биосовместимости [1].
Для повышения биодоступности изделия проводят модифицирование поверхности заготовки, например, слоем из более биоактивного соединения [5]. В последнее время в качестве материала для таких покрытий существенно возрос интерес к арагониту. Арагонит является метастабильной кристаллической полиморфной модификацией карбоната кальция. Его кристаллы являются хорошим биомедицинским материалом в виду своей высокой остеокондуктивности [6].
Цель настоящего исследования - получение пористого композиционного биоактивного материала из фосфата кальция с покрытием из арагонита, с прочностью при изгибе не менее 30 МПа и температурой спекания ниже 1000 °С.
Для достижения этой цели решали следующие задачи:
- разработка режима синтеза спекающей добавки;
- получение пористых заготовок из шликера на основе ГАП, кальций-борофосфатной спекающей добавки и ПВС, и их обжиг;
- разработка способа нанесения арагонита на обожженные пористые заготовки;
- изучение свойств полученных композитов.
В состав спекающей добавки входят следующие компоненты (массовое содержание, %): 70 Р2О5, 25 СаО, 5 Л1203, 3 В203. Кальций-фосфатную спекающую добавку получали несколькими способами. По первому все компоненты смешивали вручную с последующим измельчением полученной массы в ацетоне в шаровой мельнице и сушкой полученного шликера. Формование брикетов проводили методом двухстороннего одноосного прессования при давлении 100 МПа. Брикеты сушили и обжигали в электрической печи при температуре 600 - 700 °С. Затем брикеты дробили в ступке и измельчали в планетарной мельнице. По второму способу добавку готовили путем смешивания мелкодисперсного карбоната кальция, фосфорной кислоты и насыщенных водных растворов остальных компонентов при перемешивании, с последующей сушкой полученного шликера.
Состав ГАП+добавка готовили путем смешивания порошков в планетарной мельнице. Плотные образцы для спекания формовали двухсторонним одноосным прессованием, пористые - методом дублирования полимерной матрицы из пенополиуретана. Обжиг образцов проводили в электрической печи в интервале температур 920 - 1000 °С.
Арагонит на поверхность обожженных образцов наносили, погружая образцы в рабочий раствор, который нагревали в течение 2 ч. При этом на поверхности образцов происходило выделение кристаллов арагонитовой фазы.
Фазовый состав полученных материалов исследовали методом РФА, также проводили петрографические исследования для определения морфологии и особенностей микроструктуры материала на различных стадиях его подготовки.
Прочность образцов определяли методом трехточечного изгиба на образцах в виде балочек размером 4х4х40мм. Водопоглощение, кажущуюся плотность и открытую пористость полученных образцов определяли методом гидростатического взвешивания.
По результатам петрографического анализа полученные материалы отличались по фазовому и гранулометрическому составу. В первом случае, при механическом смешивании компонентов добавки, кристаллическая составляющая с размером частиц около 10 мкм была неравномерно распределена по объему стеклофазы, объем которой не превышал 40 %. Во втором случае, при подготовке шликера, получилась ультрадисперсная (размер частиц менее 1 мкм) кристаллическая фаза, равномерно распределенная в аморфной фазе, объем последней составил порядка 80 %. Кристаллы гидроксилапатита (ГАП) сохранялись без изменений, отмечено их взаимодействие со спекающей добавкой. Соотношение ГАП и спекающей добавки, при котором материал имел наилучшие
характеристики, составило 40 : 60 об. %. Такой материал имел низкую температуру спекания (начало усадки наблюдали при 920 °С), прочность полученных плотных образцов при изгибе достигала 33 - 35 МПа.
Из данного состава изготовили ячеистые керамические образцы, на которые затем наносили слой арагонита осаждением из раствора непосредственно на поверхности заготовки. По результатам петрографического анализа, арагонит был плотно закреплен на поверхности керамической матрицы, но не распределен однородным слоем, а присутствовал в виде отдельных кристаллов. Выделение кристаллов арагонита происходило в первую очередь на структурных несовершенствах поверхности.
В результате проведенных исследований был получен керамический материал на основе ГАП, температура спекания которого составляла порядка 950 °С. Микроструктуру керамики формировали кристаллы ГАП, вокруг которых непрерывной пленкой распределяется витлокит (Ca3(P04)2), размеры частиц ГАП составили 1-2 мкм. Поверхность покрыта кристаллами арагонита. Исходя из этого, можно сказать, что полученный материал может обладать хорошей биосовместимостью и биорезорбиемостью, но для подтверждения этого необходимо провести исследования in vitro и in vivo. Также исследования могут продолжаться в направлении повышения механических свойств имплантата.
Библиографические ссылки
1. Дорожкин С.В. Биокерамика на основе ортофосфата кальция // Стекло и керамика. 2007. № 12. С.26 - 31.
2. Баринов С.М., Комлев В.С. Костные ткани «ремонтирует» керамика // Наука в России. 2005. № 1.С.27 - 31.
3. Oh S., Appleford M., Ong L. Joo. Bioceramics for Tissue Engineering Applications - A Review // Am. J. Biochem. Biotech. 2006. № 2. P. 49 - 56.
4. Лясников В.Н., Верещагина Л.А. и др. Внутрикостные стоматологические имплантанты. Конструкции, технологии, производство и применение в клинической практике. - Саратов, 1997. 238 с.
5. Смирнова И.А., Беляков А.В., Вартанян М.А. Композиционные биоактивные материалы с керамической ячеистой матрицей // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. М.: РХТУ, 2011. Т. XXV. № 6 (122). С. 12-15.
6. Laifeng Wang, Ivan Sondi, Egon Matijevic. Preparation of Uniform Needle-Like Aragonite Particles by Homogeneous Precipitation // J. Colloid and Interface Sci. 1999. № 218. P. 545 - 553.
