CC BY
270
Литература
1. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поляритоны. / Н.В. Сидоров, Т.Р. Волк, Б.Н. Маврин, В.Т. Калинников. М.: Наука, 2003. 256 с.
2. Трехслойная спекл-структура ФРРС в фоторефрактивном монокристалле ниобата лития / Н.В. Сидоров, А.В. Сюй, М.Н. Палатников, В.Т. Калинников. // ДАН. 2011. Т. 437, № 3. С. 352-335.
3. Фрактальный анализ картин фотоиндуцированного рассеяния света в стехиометрических кристаллах LiNbO3 / Н.В. Сидоров, Д.В. Мануковская, М.Н. Палатников // Оптика и спектроскопия. 2015. T. 118, № 6. C. 987-996. DOI: 10.7868/S0030403415060197.
4. Эффекты упорядочения структурных единиц катионной подрешетки кристаллов LiNbO3:Zn и их проявление в спектре комбинационного рассеяния света / Н.В. Сидоров, А.А. Яничев, М.Н. Палатников, А.А. Габаин // Оптика и спектроскопия. 2014. Т. 116, № 1. C. 99-108.
Сведения об авторах
Мануковская Диана Владимировна,
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН,
г. Апатиты, Россия, deenka@yandex.ru Сидоров Николай Васильевич,
д. ф.-м.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН,
г. Апатиты, Россия, sidorov@chemy.kolasc.net.ru Палатников Михаил Николаевич,
д. т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, palat_mn@chemy.kolasc.net.ru
Manukovskaya Diana Vladimirovna,
I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, deenka@yandex.ru Sidorov Nikolay Vasilievich,
Dr.Sc. (Physics and Mathematics), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, sidorov@chemy.kolasc.net.ru Palatnikov Mikhail Nikolaevich,
Dr.Sc. (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, palat_mn@chemy.kolasc.net.ru
УДК 54.056; 54.053; 616.71
ПОЛУЧЕНИЕ БИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
М.А. Медков, Д.Н. Грищенко
Институт химии Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, Россия Аннотация
Разработаны методы получения и исследованы характеристики биосовместимых материалов для костного эндопротезирования. Среди них: нанодисперсные порошки гидроксиапатита и других фосфатов кальция, а также биоактивные стеклокерамические покрытия, полученные пиролизом органических растворов; композиционный двухфазный кальций-фосфатный цемент, состоящий из гидроксиапатита и брушита; керамика на основе оксида циркония, поры которой выстилают фосфаты кальция. Разработанные методы не требуют использования сложного дорогостоящего оборудования.
Ключевые слова:
остеопластические материалы, биоактивная керамика, импланты, фосфаты кальция.
OBTAINING BIOACTIVE MATERIALS FOR MEDICAL PURPOSES
M.A. Medkov, D.N. Grishchenko
Institute of Chemistry of the Far Eastern Branch of the RAS, Vladivostok, Russia Abstract
The methods of obtaining biocompatible materials for bone endoprosthesis have been worked out and their properties have been investigated. These materials include nano-sized powders of hydroxyapatite and other calcium phosphates as well as bioactive glass-ceramic coatings prepared by pyrolysis of organic solutions; two-phase composition calcium-phosphate
409
cement consisted of hydroxyapatite and brushite; ceramics based on zirconium dioxide which pores are lined with calcium phosphate. The method does not require any complex expensive equipment.
Keywords:
osteoplastic materials, bioactive ceramics, implants, calcium phosphates.
Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений современного медицинского материаловедения является создание имплантов для замены поврежденных участков костной ткани. В настоящее время для изготовления костных протезов и в восстановительной костной хирургии находят применение металлы и сплавы, полимерные и керамические материалы. Широко используются материалы регенеративного действия, способствующие восстановлению структурной и функциональной целостности костных тканей за счет стимуляции собственных остеогенных клеток и активизации их синтетической и секреторной способности. Следовательно, разработка новых методов получения материалов медицинского назначения, отличающихся улучшенными характеристиками, а также простотой производства, является весьма актуальной.
В настоящее время материалы на основе фосфатов кальция находят широкое применение в медицинской практике. Наиболее удобным методом получения нанодисперсных порошков гидроксиапатита и других фосфатов кальция является пиролиз органических растворов, содержащих карбоксилаты кальция и трибутилфосфат (ТБФ) с заданным соотношением ТБФ:Са [1]. В качестве растворителей карбоксилатов кальция, например олеата кальция и ТБФ, могут быть использованы толуол, скипидар и др. В зависимости от соотношения ТБФ:Са в органическом растворителе возможно получение различных фосфатов, таких как трикальциевый фосфат, пирофосфат кальция, гидроксиапатит. Важную роль в составе биологического гидроксиапатита играют неорганические компоненты, в частности катионы натрия, стронция, меди, цинка и анионы фтора, карбоната и хлора. В работах [2, 3] описаны биологические эффекты неорганических соединений, влияющие на процессы, связанные с образованием кости, важные для терапии болезней и разрушения костей. Известно, что указанные элементы влияют на такие характеристики костного минерала, как кристалличность, поведение при разрушении и механические свойства. Для допирования гидроксиапатита этими ионами достаточно вводить необходимые количества растворов олеатов этих металлов с ТБФ в растворы кальция с последующим их пиролизом. Это открывает перспективы для получения материалов с улучшенной остеоинтеграцией.
Методом пиролиза раствора олеата кальция в ТБФ нами получены порошки гидроксиапатита со среднестатистическими размерами частиц 150x150x300 нм. Слипшиеся частицы представляют собой пористый агломерат со щелевидными порами, ширина которых составляет 100-150 нм (рис.1а). Установлено, что при пиролизе раствора олеата стронция в ТБФ образуется соединение состава Srio(PO4)6(OH)2, изотипное гидроксиапатиту. При смешивании олеатов стронция и кальция получены образцы гидроксиапатита, в котором атомы кальция частично замещены на стронций. Стронцийзамещенный гидроксиапатит состоит из слипшихся между собой комков частиц. Поперечные размеры комков 100-300 нм. Размеры частиц, составляющих комки, 50±20 нм. Комки представляют собой пористый агломерат с размерами пор 50-100 нм (рис.1Ь).
Рис. 1. СЭМ-изображения порошков:
а - Ca1o(PO4)6(OH)2; b - 80%Са1о(Р04)б(ОИ)2 + 20%Sr1o(PO4)6(OH)2
Для изучения биологических свойств образцов гидроксиапатита и стронцийзамещенного гидроксиапатита выполнена их имплантация в большую берцовую кость крысы. Установлено, что после введения подопытным животным имплантируемых материалов в зону повреждения костной ткани регенерация кости происходит более интенсивно, в более полном объеме, с минимальным привлечением реактивных изменений в отдаленных участках ткани по сравнению с животными, которым после формирования костного дефекта имплантация не проводилась. Костная ткань животных с имплантированными неорганическими веществами претерпевает упорядоченные изменения, приводящие к формированию зрелой кости. Биодеградация материала происходит в течение 1 мес. и не сопровождается воспалительными реакциями и отторжением. Отмечено ускорение темпов минерализации в новообразованных остеонах при использовании стронцийзамещенного гидроксиапатита.
410
Среди большого количества предлагаемых материалов цементы на основе фосфатов кальция являются наиболее перспективными костными заменителями, поскольку их структура схожа со структурой костной ткани [4]. Получен композиционный двухфазный кальций-фосфатный цемент для костной пластики, состоящий из гидроксиапатита и брушита [5]. За счет двухфазного состава цемента, при котором одна из фаз резобируется медленно, а вторая фаза быстро, достигается пролонгированное предоставление организму «строительного» материала. Изучено влияние добавок на пластичность, сроки схватывания цементной пасты и прочность затвердевшего материала. Отмечено, что введение полиэтиленгликоля в цементную пасту делает ее более пластичной. Это позволяет инжектировать пасту через иглу шприца с внутренним диаметром 2 мм. Время схватывания цементной пасты регулируется содержанием полиэтиленгликоля, а также отношением твердой фазы к жидкой и составляет от 5 до 20 мин. Средние значения прочности полученных материалов равны 6-16 МПа. Прочность на сжатие трабекулярной костной ткани находится в пределах 2-12 МПа [6], следовательно, прочности исследуемых образцов достаточно для применения их в качестве материалов, заполняющих костные дефекты.
Для замены поврежденных участков костной ткани практическое применение находят биодеградируемые фосфатные и силикатные стекла. Однако их механические свойства уступают механическим свойствам костной ткани. Это не позволяет использовать их для изготовления имплантов несущих костей. Поэтому формирование биоактивных стеклокерамических покрытий на носителях из более прочных материалов является наиболее перспективным направлением. В настоящее время для формирования таких покрытий применяется ряд методов: магнетронное напыление, золь-гель метод, паровое и ионно-плазменное осаждение [7]. Нами [8] исследована возможность формирования стеклокерамических покрытий на биоинертных подложках непосредственно из органического раствора. Для получения биостекол в качестве прекурсора удобнее использовать растворы, содержащие тетраэтоксисилан, трибутилфосфат, олеаты натрия и кальция в органическом растворителе, например, в скипидаре. На рис.2 приведена микрофотография и энергодисперсионный спектр фрагмента стекла, полученного из указанных растворов. Состав этого стекла (%): Si - 11.0; Ca - 14.9; P - 5.1; Na - 14.8; С - 9.2; О - 45; Ca/P = 2.28.
Рис. 2. Биостекло:
a - СЭМ изображение; b - энергодисперсионный спектр
Пропитка органическим раствором образца керамики из y-Al2O3 (ТУ 2163-015-44912618-2003) и последующего его обжига при 1200°С показала: тонкий слой биостекла не нарушает микрогеометрию поверхности (рис.За), в энергодисперсионном спектре образца появились линии кальция, фосфора и натрия, а линия алюминия практически исчезла (рис.ЗЬ). Таким образом, указанные растворы, в отличие от шихты или золя, при обжиге образуют тонкие пленки, повторяющие форму пор биоинертного носителя. Кроме того, варьируя состав органического раствора, можно изменять биоактивность стекол и их резорбируемость.
Рис. 3. Образец керамики из у-Л120з с покрытием из биостекла:
a - СЭМ-изображение; b - энергодисперсионный спектр образца
Ж
вя
411
На примере пористой керамики из каолина показано, что метод позволяет получать многослойные покрытия (рис.4). Это обеспечит выполнение медико-технических требований, предъявляемых к покрытиям на имплантах для хирургии. Изменяя количество слоев, можно влиять на толщину конечного биопокрытия на импланте.
Рис. 4. Пористая керамика из каолина:
a - исходный образец; b - образец, покрытый тремя слоями биостекла
Метод пиролиза органических растворов, на наш взгляд, является универсальным для получения материалов на основе гидроксиапатита, допированного элементами, входящими в состав костной ткани, и формирования стеклокерамических покрытий на биоинертных подложках.
В последнее время керамические материалы на основе диоксида циркония все чаще используются в медицинских целях. Инертность к биологической среде и высокие прочностные характеристики позволяют успешно использовать их для изготовления пористых конструкций, имплантируемых в организм. Однако у них есть существенный недостаток: вследствие экранирования механических нагрузок постепенно происходит резорбция костной ткани, прилегающей к такому импланту. Отрицательный эффект способна снизить остеоинтеграция, которая предполагает возникновение анатомической взаимосвязи между живой костью и поверхностью импланта. Возникает необходимость создавать биосовместимые покрытия, стимулирующие процессы регенерации ткани. В [9] описан метод получения биоактивного покрытия из гидроксиапатита на пористой керамике из ZrO2. Метод предусматривает пропитку полученной по специальной технологии пористой циркониевой керамики шламом, содержащим гидроксиапатит и боросиликатное стекло, с последующим обжигом при 1300°С. Мы попытались совместить процессы получения пористой керамики и формирования биоактивного слоя. Образцы керамики изготавливали из диоксида циркония, оксида магния и лабораторного стекла марки ХС-2 № 29. В качестве добавки, образующей при обжиге гидроксиапатит, использовали смесь карбоната кальция с гидрофосфатом аммония.
Полученный образец имеет вид пористой керамики, спеченной из двух типов частиц, различающихся по морфологии и составу, изученному методом энергодисперсионной спектроскопии. Первый тип - частицы округлой формы, состоящие из оксида циркония. Второй - частицы, имеющие форму прямоугольной призмы с длинной видимого ребра 3500-10000 нм и состоящие из фосфатов кальция (рис.5).
Рис. 5. СЭМ-изображение образца керамики из ZrO2, содержащей фосфаты кальция
В процессе обжига во всем объеме керамики образуются фосфаты кальция, которые выстилают поры изнутри. Полученная пористая керамика на основе оксида циркония биосовместима с живыми тканями. Эта керамика характеризуется развитым микрорельефом и наличием пор, в которых присутствуют биоактивные частицы фосфатов кальция. Образцы, спрессованные при давлении 150 кПа/см2 и отожженные при температуре 1300°С, удовлетворяют механическим характеристикам, предъявляемым к имплантам для замещения костной ткани.
412
Отличительной чертой этого исследования является то, что биоактивное покрытие формируется не на предварительно подготовленной пористой керамике, а образуется непосредственно в процессе изготовления самой керамики.
Таким образом, нами разработаны простые методы получения материалов для замены поврежденных участков костной ткани. Методом пиролиза получены: нанодисперсные порошки гидроксиапатита и других фосфатов кальция, биоактивные стеклокерамические покрытия, керамика на основе оксида циркония, в порах которой присутствуют фосфаты кальция. Получен также композиционный двухфазный кальций-фосфатный цемент для заполнения костных дефектов.
Литература
1. Synthesis of nanosized powders and coatings of calcium phosphates / M.A. Medkov, D.N. Grishchenko, N I. Steblevskaya, I.V. Malyshev, V.S. Rudnev, V.G. Kuryavyi // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2012. Vol. 46, № 5. P. 541-545.
2. The effects of inorganic additives to calcium phosphate on in vitro behavior of osteoblasts and osteoclasts / Yang, Liang and Perez-Amodio, Soledad and Barrere-de Groot, Florence Y.F. and Everts, Vincent and Blitterswijk, Clemens A. van and Habibovic, Pamela // Biomaterials. 2010. Vol. 31, № 11. P. 2976-2989.
3. Effect of strontium ions substitution on gene delivery related properties of calcium phosphate nanoparticles / A. Hanifi, M.H. Fathi, H. Mir Mohammad Sadeghi // J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2010. Vol. 21. P. 2601-2609.
4. Костные кальций-фосфатные цементы. Применение в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии / А.М. Гурин, В.С. Комлев, И.В. Фадеева, М.С. Баринов // Стоматология. 2011. № 5. С. 64-72.
5. Кальций-фосфатные цементы для реконструкции костной ткани / М.А. Медков, Д.Н. Грищенко, П.М. Недозоров, В.С. Руднев // Химическая технология. 2015. Т. 16, № 1. С. 12-17.
6. Баринов С.М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины // Успехи химии. 2010. Т. 79, №. С. 15-31.
7. Калита В.И. Физика и химия формирования биоинертных и биоактивных поверхностей на имплантатах. Обзор // Физика и химия обработки материалов. 2000. № 5. C. 28-45.
8. Formation of glass-ceramic coatings on bioinert substrates / M.A. Medkov, D.N. Grishchenko, V.S. Rudnev, V.G. Kuryavyi, P.S. Gordienko // Glass and Ceramics. 2014. Vol. 70, Iss. 11-12. P. 417-421.
9. Hydroxyapatite coating on porous zirconia / X. Miao, Y. Hu, J. Liu, X. Huang // Materials Science and Engineering. 2007. Vol. 27, № 2. Р. 257-261.
Сведения об авторах
Медков Михаил Азарьевич,
д.х.н., Институт химии ДВО РАН, г.Владивосток, Россия, medkov@ich.dvo.ru Г рищенко Дина Николаевна,
к.х.н., Институт химии ДВО РАН, г.Владивосток, Россия, grishchenko@ich.dvo.ru Medkov Mikhail Azarievich,
Dr.Sc. (Chemistry), Institute of Chemistry of the Far Eastern Branch of the RAS, Vladivostok, Russia, medkov@ich.dvo.ru Grishchenko Dina Nikolaevna,
PhD (Chemistry), Institute of Chemistry of the Far Eastern Branch of the RAS, Vladivostok, Russia, grishchenko@ich.dvo.ru
УДК 544.6.018.462
ТВЕРДЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ HfO2-Sc2O3 В ОБЛАСТИ СОСТАВОВ С МАКИМАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
А.Н. Мещерских, А.В. Кузьмин, В.П. Горелов, С.В. Плаксин
Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия Аннотация
Исследованы фазовый состав, термическое расширение и электропроводность твердых электролитов на основе гафния HfO2-Sc2O3 в области составов с максимальной проводимостью. Показано, что наибольшей электропроводностью обладает состав 0.875HfO2-0.125SC2O3, содержащий при комнатной температуре упорядоченную в-фазу (HfzSc2Oi7) и демонстрирующий в процессе нагрева изменения фазового состава. При дополнительном допировании бинарного твердого электролита HfO2-Sc2O3 оксидом иттрия обнаружен эффект увеличения проводимости, связанный с разрушением упорядоченных фаз.
Ключевые слова:
твердый электролит, кислородная проводимость, оксид гафния, оксид скандия, оксид иттрия, упорядочение, дилатометрия, электропроводность.
413
