CC BY
5
УДК 661.842.455:61
Потапова Е.С., Свентская Н.В., Лукина Ю.С.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГИДРОКСИАПАТИТОВОГО ЦЕМЕНТА
Свентская Наталья Валерьевна, доцент кафедры Химической технологии композиционных и вяжущих материалов, кандидат технических наук, е-mail: s.w. natali@mail. га
Потапова Елена Станиславовна, студент 4 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Лукина Юлия Сергеевна, доцент кафедры Стандартизации и инженерно-компьютерной графики, кандидат технических наук.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Cumтез и исследование гидроксиапатитовых цементов являются перспективными направлениями современной медицины. В данной работе исследовано влияние пластифицирующей добавки "Реонол-40" на свойства гироксиапатитовых цементов. Оптимизировано содержание пластифицирующей добавки, приводящее к повышению прочности гидроксиапатитовых цементов на 40-50 %.
Ключевые слова: костная ткань, гидроксиапатитовый цемент, пластифицирующая добавка, прочность.
REGULATION MECHANICAL PROPERTIES OF HYDROXYAPATITE CEMENT'S
Potapova E.S., Sventskaya N.V., Lukina Yu.S.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Synthesis and study of properties of hydroxyapatite cement's are priority of modern medicine. In this study we investigated the influence of additive "Rheonol-40" on the properties hydroxyapatite cements. Optimized the content of the additive, resulting in increased strength hydroxyapatite cement's at 40-50 %.
Keywords: bone tissue, hydroxyapatite cement, additive, mechanical properties.
Введение
Переход к регенеративной хирургии требует разработки и создания принципиально новых композиционных материалов, активно
взаимодействующих с физиологической средой, способных к ремоделированию костной ткани. Ряд костных имплантационных материалов,
резорбирующих под действием физиологических сред организма, ограничен материалами на основе трехкальциевого фосфата, низкоструктурированного карбонат апатита, биодеградирующих фосфатных и силикатных стекол, брушитовых цементов.
Существуют огромное количество видов имплантационных материалов для костной ткани: биосовместимые микропористые полимеры, биокерамика, биостекло, биоцементы. Создание эндопротезов на основе данных материалов предполагает: получение изделия с заданным уровнем функциональных свойств, этап моделирования костного дефекта и этап изготовления готового изделия.
Применение в костно-пластической хирургии гидроксиапатитовых цементов обусловлено их функциональностью и высокой технологичностью. По своему составу гидроксиапатитовый цемент близок к минеральной составляющей костной ткани, способен к биорезорбции, участвует в процессах реминерализации костной ткани, обладает микропоровой структурой; в состав цемента могут
быть введены функциональные добавки, биологические агенты - белки, факторы роста. Гидроксиапатитовые цементы просты в применении и технологичны, могут быть установлены непосредственно в костный дефект в виде пасты, подвергающейся последующему затвердеванию.
Целью работы является изучение влияния концентрации пластифицирующей добавки на основе полиакриловой кислоты «Реонол-40» на технологические, химические и механические свойства гидроксиапатитового цемента.
Методика проведения эксперимента
Для получения гидроксиапатитовых цементов использовали компоненты: тетракальций фосфат Ca4P2O9 (ТТКФ) и дикальциевый фосфат СаНРО4 (ДКФ).
Тетракальций фосфат получали твердофазным методом, путем обжига смеси компонентов ДКФ и карбоната кальция при 1400 °С в течении 1 часа, согласно уравнению реакции:
2СаНРО4+ 2СаСО3 ^ Са4Р2О9 + СО2+ Н2О
Получение гидроксиапатитовых цементов в данной работе проводили по реакции:
2Ca4P2O9+ 2CaHPO4 ^Calo(PO4MOH)2
С целью сокращения сроков схватывания и твердения в состав всех цементных смесей вводили кристаллы гидроксиапатита в количестве до 1 % масс. Затворение цемента производили раствором Ка2НРО4-2Н2О концентрацией 1 моль/л. С целью регулирования прочностных свойств в состав жидкости затворения вводили пластифицирующую
Таблица 1. Составы гидроксиапатитовых цементов
Определение нормальной густоты и сроков схватывания цементов проводили на малом приборе Вика.
Рентгенофазовый анализ (РФА) проводили на дифрактометре ДРОН-3М в режиме «на отражение» с использованием СиКа-излучения; съемку производили на 7 и 28 сутки после затворения цемента.
Определение рН среды, находящейся в контакте с композиционными материалами выполняли на лабораторном иономере И-160М. Отношение массы навески цемента к массе дистиллированной воды составляло 1/10. Измерения рН контактной среды проводили в течении первых 2,5 ч. после схватывания, а также 1, 2 и 7 сут. пребывания образцов в дистиллированной воде.
Оценку изменения массы материалов проводили в дистиллированной воде с рН=6,6 на 1 - 14 сутки.
Прочность образцов определяли на разрывной машине РМ-0,5 после 7, 14 и 28 суток хранения.
Пористость полученных цементов определяли методом гидростатического взвешивания
(насыщающая жидкость - керосин) на образцах, высушенных до постоянной массы на 7-е, 14-е и 28-е сутки.
Результаты и их обсуждение
С увеличением содержания добавки «Реонол-40» в растворе жидкости затворения уменьшается В/Ц отношение с 57 до 55%. Увеличение содержания платифицирующей добавки одновременно приводит к сокращению сроков схватывания цементов.
Рентгенофазовый анализ составов показал, что в образцах на 7-е сутки твердения присутствуют две минеральные фазы - гидроксиапатит и тетракальций фосфат. Пики тетракальций фосфата имели слабую интенсивность по отношению к пикам гидроксиапатита, что свидетельствует о присутствии в материале остаточной непрореагировавшей фазы
добавку «Реонол 40» в разных количествах. Состав исследуемых цементов представлен в табл. 1.
После формования были получены цементные балочки 4 разных составов, Состав 1.1 -контрольный без добавки «Реонол 40», образцы 1.21.4 в составе жидкости затворения содержали пластифицирующую добавку. Образцы хранились в воздушно-влажных условиях до проведения испытаний.
ТТКФ. В срок 28 суток РФА показал присутствие в составе образцов единственной фазы гидроксиапатита кальция.
Оценка изменения массы материалов в срок 1-14 сут представлена на рис. 1. График изменения массы соответствует кривой насыщения и типичен для всех рассматриваемых составов, что свидетельствует о протекание в водной среде процессов гидратации гидроксиапатитового камня. При этом образцы с добавкой «Реонол-40» концентрацией 0,8
показывают наибольший прирост массы.
?
0 2 5 7 14
Время, сух
-Ь^лош1юч1[ыи -Реонол -Решил 1,6
Рис. 1. График изменения массы балочек со временем.
Анализ изменения рН контактной среды свидетельствует, что в первые часы схватывания рН исследуемых составов находится на уровне 7,2-8. Исследование рН в срок до 14 суток свидетельствует о повышении значений до 7,8-9,2. Данные интервалы значений рН благоприятны для формирования в составе цементного камня конечной фазы гидроксиапатита.
Полученные образцы-балочки были испытаны на прочность на сжатие. Результаты испытания на 7, 14 и 28 сутки представлены на рисунке 2. Со временем прочность на сжатие бездобавочного цемента уменьшается, в связи с этим и вводят пластифицирующую добавку. «Реонол-40» в
Серия Состав компонентов
Порошковый компонент, г/100 г цементной смеси Жидкость затворения
Са4Р2О9 СаНРО4 Са1о(РО4)б(ОН)2 №Н2РО4-2Н2О, 1 моль/л «Реонол 40», мл/100 мл раствора КаН2РО4-2Н2О
0 0,8 1,6 2,4
1.1 72,18 26,82 1 + + - - -
1.2 72,18 26,82 1 + - + - -
1.3 72,18 26,82 1 + - - + -
1.4 72,18 26,82 1 + - - - +
количестве 0,8 мл, добавленного в жидкость для затворения цемента, увеличил прочность образцов почти в два раза на 14 сутки (с 2,6 до 4,7 МПа). Концентрация добавки 1,6 и 2,4 мл показали худшие результаты, поскольку прочность образцов стала ниже прочности бездобавочных образцов. Таким образом, было установлено оптимальное содержание добавки «Реонол-40», соответствующее 0,8 мл/100 мл. раствора гидрофосфата натрия.
Рис. 2. Гистограмма изменение прочностных свойств образцов
Результаты исследования представлены на рис. 3.
пористости
Рис. 3. Гистограмма изменения пористости цементного камня
Со временем, с увеличением концентрации пластифицирующей добавки значения общей,
открытой и закрытой пористости снижается для всех составов. Значения общей пористости находятся в пределах 54-62 %, открытой - 50-54 %,
закрытой - 2-10 %, что свидетельствует о присутствии в материале значительной доли открытых пор, что обеспечивает инфильтрацию материала физиологическими средами организма и должно обеспечить достаточную остеоинтеграцию.
Выводы
В работе получен гидроксиапатитовый цемент на основе порошковой смеси тетракальцийфосфата и дикальцийфосфата с добавлением жидкости затворения - раствора гидрофосфата натрия и пластифицирующей добавки «Реонол-40» различной концентрации. Наиболее высокие значения прочностных характеристик в серии образцов отмечены для составов с добавкой «Реонол-40» в концентрации 0,8 мл/100 мл Na2HPO4-2H2O (прочность при сжатии 4,8 МПа на 28 сутки, по сравнению с бездобавочным 3,5 МПа). Исследование изменения массы показывало, что с увеличением времени выдержки
гидроксиапатитовых цементов в водной среде в период на 14 сутки происходит рост массы образцов, обусловленный процессами гидратации и присоединения молекул воды. Пористость уменьшается с увеличение концентрации пластифицирующей добавки, что ведет к увеличению прочностных характеристик.
Список литературы:
1. Материалы для биологических применений, Учебно-методическое пособие. Саратов: СГУ, 2007 - 51 с.
2. Liu C.S, Shen W, Gu Y.F, Hu L.M. Mechanism of the hardening process for a hydroxyapatite cement // J Biomed Mater Res 1997. Vol. 35(1). P. 75-80.
3. Zhang J. et al. Calcium phosphate cements for bone substitution: Chemistry, handling and mechanical properties // Acta Biomater 2013.
