Способ создания наночастиц в биоцементе - гидроксилапатите

Способ создания наночастиц в биоцементе - гидроксилапатите

Реферат

Изобретение относится к области медицины. Гидроксилапатит с частицами наноразмеров может быть использован в качестве костезамещающего материала при осуществлении различного рода операций, связанных с поломкой или утратой больным кости или ее частей.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ создания в гидроксилапатите частиц наноразмеров [1]. Недостатками прототипа являются: во-первых, использование микроволнового излучения, которое позволяет получить частицы со средним размером 220 нм, не являющиеся наночастицами, во-вторых, необходимость термообработки для получения частиц наноразмеров, в-третьих, получение наночастиц в исходном материале, а не в готовых изделиях.

Заявляемое изобретение направлено на создание в готовых изделиях гидроксилапатита частиц наноразмеров без применения термообработки.

Указанный результат достигается тем, что готовые изделия при комнатной температуре подвергают воздействию тормозного излучения, генерируемого в гидроксилапатите быстрыми электронами, испускаемыми радиоизотопным источником ⁹⁰Sr+⁹⁰Y, в интервале поглощенных доз излучения от 3,3 до 66 рад.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- облучение готовых изделий, выполненных из гидроксилапатита;

- облучение готовых изделий при комнатной температуре;

- использование радиоизотопного источника быстрых электронов ⁹⁰Sr+⁹⁰Y;

- значение нижнего предела поглощенной дозы излучения, равное 3,3 рад;

- значение верхнего предела поглощенной дозы излучения, равное 66 рад.

Экспериментально установлено, что средние размеры блоков (кристаллитов) гидроксилапатита превышают 100 нм, если значения поглощенной дозы излучения менее 3,3 рад.

Экспериментально установлено, что средние размеры блоков гидроксилапатита превышают 100 нм, если значения поглощенной дозы излучения более 66 рад.

Экспериментально установлено, что средние размеры блоков гидроксилапатита составляют менее 100 нм, если значения поглощенной дозы излучения лежат в интервале 3,3-66 рад.

Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.

В качестве эмиттера электронов использовался радиоизотопный источник ⁹⁰Sr+⁹⁰Y, содержащий смесь радиоактивных изотопов стронция 90 и иттрия 90 [2]. Этот источник электронов обладает рядом преимуществ по сравнению с обычно используемыми ускорителями электронов, главными из которых являются: отсутствие потребления электроэнергии, большой срок службы, малые габариты и простота эксплуатации. Энергетический спектр электронов источника Sr⁹⁰Y⁹⁰ весьма широк: он простирается от практически нулевых энергий до Е₀=2,27 МэВ. Кривая распределения бета-частиц по энергиям имеет максимум Е≈1/3Е₀=0,76 МэВ.

Средние размеры блоков (кристаллитов)) определялись методом рентгеновской дифрактометрии [3] при помощи автоматизированного рентгеновского дифрактометра марки "ДРОН-4". Использовалось излучение CoKα, монохроматизированное отражением от пирографита на дифрагированном пучке. Применялось шаговое сканирование: шаг 0,1 угл. град, время регистрации τ в точке 10 с, интервал 30-100 (в брегговских углах 2θ).

Для определения среднего размера блоков использовались программы OUTSET и PROFILE [4], а также аналитический метод [5].

Программа PROFILE основана на мозаичной модели кристалла [3]. Расчет размеров мозаичных блоков связан с некоторыми ограничениями, обусловленными принципиальными возможностями метода аппроксимации [3]. Так, этот метод не способен определить размер блоков мозаики, если он превышает 250 нм [6].

Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась следующим образом. Из гидроксилапатита Са₅[(PO₄)₃ОН] [7] изготавливались образцы, имеющие форму цилиндров ⌀ 9 мм и высотой ≈9 мм. С одной из плоских поверхностей они облучались быстрыми электронами от радиоизотопного источника ⁹⁰Sr+⁹⁰Y. Один из образцов, находящийся в исходном состоянии, и облученные образцы исследовались методом рентгеновской дифрактометрии. Исследования облученных образцов проводилось на плоских поверхностях, противоположных облученным электронами, т.е. на эти поверхности действовало только тормозное излучение, генерируемое электронами.

В таблице приведены результаты экспериментов.

Средние размеры блоков мозаики в образцах гидроксилапатита, определенные при помощи двух методов расчета на поверхностях, противоположных облученным электронами

Dпогл.γ,рад	D, нм
Метод расчета
PROFILE [4]	Аналитический метод [5]
0	227±59	144,2±63,4
3,3+0,7	116±21	75,2±23,2
6,6+0,7	96±10	64,7±13,0
13,2±0,7	49±2	36,9±5,6
66±1,3	112±24	74,5±26,6
660±1,3	220±61	138,4±63,3

Из таблицы очевидно, что в интервале поглощенных доз излучения от 3,3 до 66 рад значение средних размеров блоков (кристаллитов) D составляет менее 100 нм, причем при D_погл=13,2 рад достигается минимальный средний

размер блоков. За пределами интервала 3,3-66 рад значения D превосходят 100 нм. Согласно общепринятому в научной литературе определению [8], к наночастицам относятся частицы, размер которых не превышает 100 нм. Таким образом, только в интервале поглощенных доз излучения 3,3-66 рад при облучении образцов гидроксилапатита тормозным излучением образуются наночастицы.

Заметим, что при анализе результатов, помещенных в табл.1, мы пользуемся данными, полученными при помощи метода [5], а не метода [4], поскольку метод [5] более адекватно отражает реальность [5].

Заметим также, что, хотя при рентгеновском измерении образцу гидроксилапатита передается поглощенная доза излучения, равная 16,1±0,5 кГр, что на 3-5 порядков больше доз, представленных в табл.1, она не сказывается на результатах измерения.

Образцы гидроксилапатита с минимальными размерами блоков (кристаллитов) обладают уникальными механическими характеристиками:

модуль упругости уменьшается в 6 раз, деформация сжатия при максимальном механическом напряжении возрастает в 2 раза, предельная деформация сжатия - ≈ в 1,75 раза по сравнению с образцами, находящимися в исходном состоянии.

Источники информации

1. Заявка США US 2005/226939 А1 от 13.10.2005. INt.Cl⁷ A61E 5/055, A61К 33/42; US C1 424/602, 423/308 "Production of nano-sized hydroxyapatite particles" Заявитель National University of Singapore (Прототип).

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. // М.: Физматгиз, 1963-848 с.

3. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Изд. 4-е. - М.: МИСиС, 2002. - 360 с.

4. Шелехов Е.В., Свиридова Т.А. Программы для рентгеновского анализа поликристаллов. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2000. - №8. - С.16-19.

5. Коршунов А.Б. Аналитический метод определения параметров тонкой кристаллической структуры по уширению рентгеновских линий. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - Т.70, №2. - С.27-32.

6. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. / Я.С.Уманский, Ю.А.Скаков, А.Н.Иванов, Л.Н.Расторгуев. - М.: Металлургия, 1982. - 632 с.

7. Получение гидроксилапатита гидролизом α-Са₃(PO₄)₂ / Синицына О.В., Вересов А.Г., Ковалева Е.С. и др. // Известия Академии Наук. Серия химическая, 2005, №1. - С.78-85.

8. Гуткин М.Ю., Овидько И.А. Предел текучести и пластическая деформация нанокристаллических материалов. // Успехи механики. - 2003. - №1. - С.68-125.

Способ создания наночастиц в изделии из гидроксилапатита посредством радиационной обработки, заключающийся в том, что изделие при комнатной температуре подвергают воздействию тормозного излучения, генерируемого быстрыми электронами, испускаемыми радиоизотопным источником ⁹⁰Sr+⁹⁰Y, в интервале поглощенных доз излучения от 3,3 до 66 рад.