CC BY
77
УДК 666.3:546'41
Царевская О.О., Вартанян М.А.
ВЫСОКОПОРИСТАЯ ЯЧЕИСТАЯ БИОСОВМЕСТИМАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ
Царевская Ольга Олеговна, студент 1 курса магистратуры кафедры химической технологии керамики и огнеупоров;
Вартанян Мария Александровна, к.т.н., доцент, доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, e-mail: [email protected]
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., 9
В работе представлена лабораторная технология изготовления высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ) из керамики на основе фосфатов кальция с температурой спекания ниже 1200 °С. Определена биосовместимость таких материалов, оценено влияние некоторых технологических параметров на свойства материала.
Ключевые слова: фосфаты кальция, ВПЯМ, гемолитическая акивность.
POROUS CELLULAR BIO-COMPATIBLE CERAMICS BASED ON CALCIUM PHOSPHATES
Tsarevskaya O.O., Vartanyan M.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The paper discusses a laboratory technique for obtaining porous cellular ceramics based on calcium phosphates with sintering temperature below 1200 °C. Bio-compatibility of these materials was determined, and the effect of some process parameters on materials characteristics was described.
Keywords: calcium phosphates, porous cellular ceramics, hemolytic efficiency.
В настоящее время лечение заболеваний костной ткани связано с хирургическим вмешательством. Одним из методов костной хирургии является тканевая инженерия. Данный метод основан на концепции регенерации костной ткани. Создание материалов из биорезорбируемого материала, на котором должно происходить образование костной ткани, является одной из ключевых, наиболее актуальных задач для реализации метода инженерии костной ткани [1].
Большинство современных биорезорбируемых керамических материалов получают на основе гидроксилапатита (ГАП). Температура обжига таких материалов составляет 1200 - 1300 °С [2], их прочность при изгибе не превышает 30, а при сжатии (для высокопористых структур) - 1 - 2 МПа [3]. Для получения из ГАП керамики с повышенной прочностью широко применяют метод горячего прессования [4], который требует сложного и дорогостоящего оборудования. В работе [5] получены высокоплотные и прочные керамические изделия (порядка 100 МПа при изгибе), однако образцы формовали путем гидростатического прессования при давлении 1000 МПа.
Экспериментальная часть. Цель настоящей научно-исследовательской работы -
совершенствование технологии получения высокопористого ячеистого биосовместимого керамического материала на основе фосфатов кальция. Для достижения поставленной цели в работе выполнили оценку влияния некоторых технологических факторов на фазовый состав материала, его интегральные структурные характеристики и биологическую совместимость.
Для изготовления материала использовали промышленно выпускаемый ГАП, который спекали с применением кальций-фосфатного связующего, также исследовали образцы, не содержащие ГАП. Минеральное связующее и формовочный шликер готовили, как описано в работах [6 - 8], с дезагрегацией шликера в шаровой мельнице (соотношение материал : шары = 1:1, продолжительность обработки 12 ч) и без таковой. Образцы ВПЯМ получали методом дублирования полимерной матрицы, как описано в работе [8], обжиг образцов всех серий проводили в температурном интервале 700 - 950 °С с шагом 50 °С. Морфоструктурный анализ образцов после обжига проводили петрографическим методом, фазовый состав образцов на всех стадиях процесса изучали при помощи рентгенофазового анализа (РФА).
Биологическую совместимость материала оценивали по его гемолитической активности, которую определяли по интенсивности взаимодействия эритроцитарной массы с образцами, обожженными при температуре 850 °С. Для этого эритроцитарную массу троекратно отмывали центрифугированием при частоте вращения 1500 g в течение 15 мин с удалением надосадочной жидкости и добавлением физиологического раствора. После третьей отмывки и удаления надосадочной жидкости эритроцитарную массу разбавляли физиологическим раствором в соотношении 1:1 по объему. Далее исследуемые образцы заливали 5 мл суспензии эритроцитов, смесь выдерживали в течение 30 мин при температуре 37 °С и исследовали методом спектрофотометрии. В качестве контроля
использовали суспензию эритроцитов, не вступавшую в контакт с материалом. Светопоглощение исследуемых растворов определяли на спектрофотометре DU 800 (Beckman Coulter) относительно рабочего раствора Na2CO3 с концентрацией 0,1 г/л в кварцевых кюветах с толщиной слоя жидкости 10 мм при трех фиксированных длинах волн: 380, 415 и 450 нм. Анализируемую пробу и контроль предварительно подвергали центрифугированию при 1500g в течение 15 мин; в рабочий раствор Na2CO3 вводили надосадочную жидкость в соотношении 1:10 по объему. Концентрацию свободного гемоглобина в г/л рассчитывали по формуле:
Сяъ = 0,836-(2A4i5 - А380 - A450), где A415, А380, А450 - относительная плотность анализируемых растворов при длине волны 415, 380 и 450 нм соответственно.
Из полученных данных об интегральных структурных характеристиках и величине усадки в обжиге следует, что все зависимости свойств от состава и способа подготовки композиционного материала носят экстремальный характер. Исключение стадии дезагрегации шликера, несмотря на кажущееся упрощение технологии, приводит к огрублению гранулометрического состава исходного шликера, снижает его литьевые свойства и нарушает однородность их распределения по объему материала, тем самым ухудшая его спекаемость. Исключение из состава материала ГАП приводит к уменьшению интервала спекшегося состояния (выше температуры 850 °С происходило плавление образцов), а также приводит к формированию крайне неоднородной структуры материала. Эти заключения подтверждаются результатами исследования микроструктуры и фазового состава материалов.
Так, обожженные при температуре 850 °С образцы, содержащие ГАП, при дезагрегации шликера характеризовались мелкокристаллической структурой, где ГАП представлен слегка удлиненными призматическими кристаллами размером 2 - 4 мкм. Вокруг кристаллов фазы ГАП распределялась фаза связующего, которая имела двоякую структуру: рентгеноаморфную и аморфную. Аморфная фаза имела показатель преломления 1,458 и, по-видимому, слагалась оксидом бора (В2О3); рентгеноаморфная фаза
частично кристаллизовалась в виде игольчатых образов трикальцийфосфата и ГАП. Обе фазы распределялись в объеме в виде точечных образований. При повышении температуры обжига до 950 °С происходило совершенствование микроструктуры материала: кристаллы фазы ГАП приобретали изометрическую форму, сохраняя размеры порядка 2 - 3 мкм. Аморфная стекловидная фаза распределялась по границе кристаллов, образуя непрерывные прослойки толщиной порядка 2 мкм. Также наблюдалась ее частичная кристаллизация в объеме с образованием кристаллов низкотемпературной формы витлокита (Р-Са3(Р04)2). Витлокит выделялся в виде кристаллов игольчатой формы размером менее 1 мкм, количество данной фазы составляло 6 - 7 мас. %.
При исключении стадии дезагрегации фазовый состав образцов, содержащих гидроксиапатит, слагался собственно фазой ГАП, которая выделялась в виде изометрических зерен размером 1 - 2 мкм. Связующее распределялось между кристаллами ГАП, образуя тонкие прослойки вокруг них, а также скопления размером до 40 мкм. Фазовый состав связующего аналогичен таковому для образца с дезагрегацией. Оксид алюминия как самостоятельная фаза отсутствовал, он растворялся в боратном стекле, способствуя его кристаллизации.
Структуру образцов с дезагрегацией шликера, не содержащих ГАП, отличала крайняя неоднородность, наличие нескольких типов кристаллических фаз, а также переменное содержание фосфатных анионных групп и катионов кальция, связанных не только прямой связью, но и через гидроксильные и гидридные группы. Размер кристаллов варьировался от 5 до 10 мкм, форма - от игольчатой призматической до изометрической. Боратное стекло в таком материале присутствовало в виде самостоятельной фазы, образуя скопления размером 45 - 50 мкм. При исключении стадии дезагрегации микроструктура образцов, не содержащих ГАП, отличалась только меньшими размерами зерен кристаллических фаз (2 - 5 мкм). Фосфаты кальция присутствовали в виде пиро- и метафосфатов.
Наибольшее влияние изменение
технологических параметров получения материала оказывает на величину гемолитической активности разрабатываемых материалов (см. таблицу).
Результаты спетрофотометрического определения свободного гемоглобина
Способ подготовки образца Светопоглощение при длине волны (нм), отн. ед. Снь, г/л
380 415 450
Минеральное связующее без ГАП
Без дезагрегации 0,0390 0,2230 0,0200 0,3229
С дезагрегацией 0,0379 0,2176 0,0167 0,3181
Минеральное связующее с ГАП
С дезагрегацией 0,0573 0,2994 0,0270 0,4300
С дезагрегацией 0,0401 0,2159 0,0157 0,3144
Контроль 0,0441 0,2525 0,0320 0,3408
Обжиг при температуре 950 °С.
Наибольшей токсичностью по отношению к эритроцитам обладали содержащие ГАП образцы, полученные с дезагрегацией шликера и обожженные при температуре 850 °С. Следует предположить, что причиной этого являлось присутсвие в их структуре мелких включений аморфного оксида бора: для образцов, обожженных при более высокой температуре, где происходила кристаллизация аморфной фазы, равно как и для образцов, где включения аморфной фазы имели крупные размеры, концентрация гемоглобина слабо отличалась от контрольной. В то же время, принимая во внимание описанный выше способ подготовки проб для определения гемолитической активности, малые размеры аморфных включений облегчают их выщелачивание, что приводит к нарушению гомеостаза и разрушению эритроцитов.
Выводы. Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы о влиянии технологических факторов (состав материала, способ подготовки образцов) на свойства высокопористой ячеистой керамики на основе фосфатов кальция. Исключение технологической стадии дезагрегации снижает дисперсность компонентов и ухудшает литьевые свойства шликера, а также спекаемость материала. Введение в состав керамики гидроксиапатита благоприятно сказывается на обжиговых свойствах материала, обеспечивая расширение интервала спекшегося состояния образцов. Также присутствие ГАП стимулирует совершенствование микроструктуры ВПЯМ, тем самым обусловливая повышение его прочностных характеристик. Повышение температуры обжига при прочих равных условиях оказывает положительное влияние как на физические, так и на биологические свойства полученного материала.
Таким образом, для дальнейшей работы целесообразно использовать композицию, содержащую гидроксиапатит, с дезагрегацией шликера. Анализ формирующегося в процессе обжига фазового состава и микроструктуры материала свидетельствует о том, что дальнейшие исследования необходимо вести в направлении оптимизации условий обжига.
Авторы выражают благодарность коллективу лаборатории клеточных и физико-химических медицинских технологий НИИ скорой помощи им.
Н.В. Склифосовского за помощь в проведении исследований.
Список литературы
1. Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука, 2005. 204 с.
2. Путляев В.И. Современные биокерамические материалы // Соросовский образовательный журнал. 2004. Т. 8. № 1. С. 4450.
3. Гольдберг М.А. Разработка основ технологии биокерамических материалов в системе гидроксиапатит - карбонат кальция: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2013. 24 с.
4. Дорожкин С.В. Биокерамика на основе ортофосфатов кальция // Стекло и керамика. 2007. № 12. С. 26-31.
5. Лукин Е.С., Макаров Н.А., Попова Н.А., Вартанян М.А. и др. Современная оксидная керамика и области ее применения // Конструкции из композитных материалов. 2007. № 1. С. 3-13.
6. Полутина Е.С., Чебышева А.С., Шевырёва А.А., Беляков А.В., Вартанян М.А. Композиционные керамические материалы на основе фосфатов кальция с пониженной температурой спекания // Успехи в химии и химической технологии. 2013. Т. 27. № 5 (145). С. 69-74.
7. Полутина Е.С., Чебышева А.С., Шевырёва А.А., Беляков А.В., Вартанян М.А. Связующее для биоактивных керамических композитов с пониженной температурой спекания // Тр. V Междунар. конф. РХО им. Д.И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности». М., 2013. Т.1. С. 133-134.
8. Грехова И.В., Полутина Е.С., Вартанян М.А., Почиталкина И.А., Беляков А.В. Синтез керамического кальцийфосфатного материала на минеральном связующем // Успехи в химии и химической технологии. М.: РХТУ, 2014. Т. XXVIII. №. С. 32-34.
