Способ подготовки шихты для получения биокерамики

Способ подготовки шихты для получения биокерамики

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области материалов для костных имплантатов, а именно для применения в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, может быть использовано для изготовления биокерамики для лечения костных дефектов.

При подготовке исходной шихты в технологии керамики практически всегда применяют высокоэнергетическое оборудование для дезагрегации, помола или проведения механохимического синтеза. Механохимическая обработка порошковых смесей рассматривается как удобный метод мягкой химии для активации различных химических процессов и получения порошков многокомпонентных оксидных соединений, в том числе фосфатов кальция [1]. Механохимический синтез относят к экологичным процессам («green processes»), позволяющим экономить энергию и проводить уникальные синтезы при комнатной температуре [2].

В литературе описаны различные варианты получения гидроксиапатита механохимическим способом из брушита CaHPO₄*2H₂O и оксида кальция [3] или оксида и гидроксида кальция [4], из брушита CaHPO₄*2H₂O и карбоната кальция [5], из гидроксида кальция и фосфорной кислоты [1, 6], из дигидрофосфата кальция и оксида кальция [7], из оксида фосфора и гидроксида кальция или из оксида фосфора и смеси оксида и гидроксида фосфора [8]. Смесь исходных компонентов при соотношении Ca/P=1,67 или другом соотношении в интервале 1-2 [1] подвергают обработке в планетарных мельницах в течение достаточного для протекания реакции времени.

Таким образом, способ подготовки шихты для биокерамики включает дозирование исходных компонентов и механохимический синтез в планетарной мельнице. Наиболее близким способом подготовки шихты можно считать, например, способ, рассмотренный в [1].

Полученную механохимическим способом шихту, состоящую преимущественно из гидроксиапатита, используют для получения биокерамики. В случае, если соотношение Ca/P меньше или больше соотношения Ca/P=1,67, как в способе [1], в порошковых смесях присутствуют непрореагировавшие компоненты CaO или H₃PO₄, что нежелательно. Гидроксиапатит обладает превосходной биосовместимостью и поверхностной биоактивностью. Однако материалы на основе гидроксиапатита практически не резорбируются (не растворяются) при имплантации. Материалы на основе гидроксиапатита не могут быть применены в методиках лечения, использующих регенеративный подход. Регенеративный подход требует использования материалов нового поколения, резорбируемых в течение непродолжительного времени и стимулирующих образование новой костной ткани. Материалы нового поколения содержат резорбируемые фазы, например пирофосфат кальция, полифосфаты или двойные фосфаты кальция - щелочных металлов.

Целью настоящего изобретения являлась разработка способа подготовки шихты для биокерамики нового поколения, способной резорбироваться и стимулировать образование новой костной ткани.

Поставленная цель достигнута настоящим изобретением, в котором подготовка шихты для биокерамики происходит в процессе механохимического синтеза при помоле в планетарной мельнице.

Способ подготовки шихты для биокерамики, включающий дозирование компонентов и их помол в планетарной мельнице, в котором согласно изобретению в качестве исходных компонентов используют гидроксиапатит и гидратированный дигидрофосфат натрия при массовом соотношении «гидроксиапатит/гидратированный дигидрофосфат натрия» в интервале 85/15-20/80.

Гидроксиапатит следует синтезировать в соответствии с реакцией (1) из водных растворов методом соосаждения. Соосаждение из растворов позволяет получать порошки, состоящие из агрегатов наночастиц. Малый размер частиц и огромная удельная поверхность обеспечивают высокую реакционную способность нанопорошков.

где X=NO₃ ^-, Cl^-, CH₃COO^-, а Z=NH₄ ⁺, Na⁺, K⁺.

Стехиометрический гидроксиапатит - термодинамически стабильная фаза, и при помоле или обжиге не подвергается разложению.

Гидратированный дигидрофосфат натрия NaH₂PO₄*2H₂O при длительном помоле в ацетоне теряет некоторое количество гидратной воды и преобразуется, например, в NaH₂PO₄*H₂O, а при нагревании теряет воду и подвергается поликонденсации с образованием полифосфата натрия - биосовместивмого вещества [9]. Биологическая роль полифосфатов на ранних этапах эволюции как аналогов АТФ, в том числе и полифосфата натрия, описана Кулаевым [10, 11]. При обычном смешивании и последующем длительном хранении смеси гидратированного дигидрофосфата натрия NaH₂PO₄*2H₂O с гидроксиапатитом химического взаимодействия между компонентами нет.

Исходные компоненты (гидроксиапатит и гидратированный дигидрофосфат натрия) при соотношении гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат натрия в интервале 85/15-20/80 помещают в барабан из диоксида циркония и добавляют мелющие тела (шарики из диоксида циркония) и ацетон в качестве среды диспергирования и протекания реакции. Смесь подвергают помолу в течение 10-30 минут на планетарной мельнице. При такой обработке происходит механохимический синтез в соответствии с реакцией (2), (3) или при большом избытке гидратированного дигидрофосфата натрия в соответствии с реакцией (4)

При избытке гидроксиапатита реакции 2 и 3 пройдут до конца, и в смеси после помола будут присутствовать брушит или монетит, гидрофосфат натрия и гидроксиапатит (таблица, строчка 1). В том случае, если компоненты взяты в количествах, рассчитанных по реакции 2 или 3, происходит образование монетита (реакция 2) или брушита (реакция 3) и гидрофосфата натрия (таблица, строчка 2). При избытке гидратированного дигидрофосфата натрия возможно протекание реакций 2, 3 или 4. В соответствии с реакциями 2 и 3 в состав шихты наряду с брушитом или монетитом и гидрофосфатом натрия входит не вступивший в реакцию дигидрофосфат натрия. А по реакции 4 в состав шихты дополнительно входит дигидрофосфат кальция (таблица, строчка 3).

При нагревании на стадии обжига брушит и монетит сформируют фазу пирофосфата кальция (реакции 5 и 6), гидрофосфат натрия сформирует фазу пирофосфата натрия (реакция 7), а дигидрофосфат кальция и непрореагировавший дигидрофосфат натрия будут образовывать полифосфаты в соответствии с реакциями 8-10. Гидроксиапатит вступает в реакцию с пирофосфатом, образуя трикальцийфосфат (реакция 11). Образовавшиеся компоненты вступают при нагревании в реакции друг с другом, образуя двойные орто- или пирофосфаты (реакции 12-24).

При нагревании порошковой смеси, в которой присутствуют не вступивший в реакцию при механохимическом синтезе гидроксиапатит и кислые фосфаты натрия или продукты их термической конденсации, происходит образование двойных ортофосфатов натрия-кальция: Ca₁₀Na(PO₄)₇ (реакции 12, 14, 16) или β-ренанита NaCaPO₄ (реакции 13, 15, 18), а также двойных пирофосфатов Na₂CaP₂O₇ (14, 15, 17, 19).

Если соотношение гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат больше, чем 85/15, после термообработки в составе материала останется гидроксиапатит, и материал не будет полностью биодеградируемым.

При уменьшении содержания гидроксиапатита в смеси в состав материала после термообработки могут входить пирофосфат кальция и двойные орто-, пиро- и полифосфаты натрия-кальция, которые являются биосовместимыми и биодеградируемыми.

При соотношении гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат, равном 45/55 по массе, в исходной смеси после механохимического синтеза протекают реакции 2 и 3, и в составе шихты нет непрореагировавших компонентов (гидроксиапатита или гидратированного дигидрофосфата).

Дальнейшее уменьшение соотношения гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат приводит к тому, что после механохимического синтеза шихта содержит непрореагировавший дигидрофосфат натрия, который при нагревании склонен к поликонденсации и образованию полифосфата натрия или полифосфата натрия кальция. Полифосфаты натрия и натрия кальция являются биосовместимыми и биодеградируемыми. При соотношении гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат, меньшем 20/80, прессование заготовок из полученной шихты затруднено: образцы не сохраняют форму.

Уменьшение соотношения гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат в интервале 85/15-20/80 приводит к увеличению скорости биодеградации, так как растворимость фосфатов в рядах Са₃(PO₄)₄→NaCa₁₀(PO₄)₇→NaCaPO₄; Ca₂P₂O₇→Na₂CaP₂O₇; Са(РО₃)₂→NaCa(РО₃)₃→NaPO₃ увеличивается.

При продолжительности помола менее 10 мин реакции 2, 3 и 4 протекают не до конца, а продолжительность более 30 мин - избыточна.

Полученную после помола шихту прессуют в виде балочек или дисков, а затем обжигают в интервале 1000-1200°С. Обжиг при температуре ниже 1000°С не обеспечивает полноту протекания реакций между компонентами шихты. Обжиг при температуре выше 1200°С приводит к образованию значительного количества расплава и аномальному росту зерен.

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что применение заявленного способа позволяет подготовить шихту для получения биокерамики, обладающей сложным фазовым составом, который определяет способность материала к биодеградации при использовании.

Пример

Для получения шихты для биокерамики 4,5 г гидроксиапатита, 5,5 г гидратированного дигидрофосфата натрия, 25 мл ацетона и 50 г мелющих тел (шаров из диоксида циркония) помещают в емкость из диоксида циркония. Закрытую емкость, содержащую исходные соли, ацетон и мелющие тела, закрепляют в шаровой мельнице. После помола в течение 20 мин суспензию отделяют от ацетона и сушат на воздухе. Полученный порошок, состоящий из брушита/монетита и гидрофосфата натрия, прессуют в виде балочек или дисков и обжигают при 1100°С. Фазовый состав материала после обжига представлен резорбируемыми фазами: пирофосфатом кальция и двойными фосфатами кальция натрия.

Способ подготовки шихты для получения биокерамики, включающий дозирование исходных компонентов и их помол в планетарной мельнице, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют гидроксиапатит и дигидрофосфат натрия при массовом соотношении гидроксиапатит/дигидрофосфат натрия в интервале 20/80-85/15.