Способ получения кальций-фосфатных стеклокерамических материалов

Способ получения кальций-фосфатных стеклокерамических материалов

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к получению биосовместимых имплантатов на основе фосфатов кальция, и может быть использовано в медицине, а именно в стоматологии и ортопедии.

Среди материалов для костных имплантатов особое место занимают биостекла, которые в настоящее время находят применение в ортопедии, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Однако возможности непосредственного имплантирования конструкции, изготовленной из биоактивного керамического материала, для реконструкции органа с поврежденной костной тканью весьма ограничены. Причина состоит в низких показателях механической прочности, в том числе усталостной, и трещиностойкости биокерамики, биостекол и биоситаллов, которые существенно, в 10-100 раз ниже, чем у естественной костной ткани.

В отличие от кальций-фосфатной керамики гораздо более прочной является пористая керамика из оксидов алюминия или циркония. В то же время эта керамика является биоинертной, что не позволяет использовать ее в качестве имплантатов.

Известны способы получения биостекла в виде пористой керамики на основе фосфатов кальция. Пористую керамику получают в основном методом выгорающих добавок (в качестве которых используют муку, желатин, коллаген, хитозан и др.), пропиткой и последующим обжигом органических (полиуретановых) губок, либо вспениванием, например, при введении пероксида водорода.

При этом пористость, например, при использовании додецил-бензолсульфоната натрия достигает до 50-60%, а в случае глицина или агар-агара - порядка 80%. С использованием выгорающей добавки (например, муки) с размером частиц 40-200 мкм, вводимой в количестве 37 масс.%, удалось получить кальций-фосфатную керамику с объемным содержанием пор до 46%. В качестве выгорающих добавок используют также полимеры - желатин, коллаген, хитозан и др., при этом открытая пористость достигает 85%. Также используют коралл (основное вещество СаСО₃), который в ходе гидротермальной обработки при 250°С в течение 24-48 ч переходит в гидроксиапатит, сохраняя исходную микроструктуру и открытую пористость. Пористая керамика имеет предел прочности при изгибе 2-11 МПа, что в два-три раза меньше необходимых значений, причем с увеличением пористости прочность материала резко снижается [Баринов С.М., Комлев B.C. Биокерамика на основе фосфатов кальция. - М.: Наука, 2005. - 204 с. - ISBN 5-02-033724-2].

Известен способ получения пористого стеклокристаллического биоактивного материала, включающий изготовление полусухой массы из порошка кальций-фосфатного стекла состава (мол.%): P₂O₅ - 39,10, СаО - 43,50, Al₂O₃ - 4,35, В₂О₃ - 4,35, TiO₂ - 4,35, ZrO₂ - 4,35 в 1% водном растворе поливинилового спирта, формование заготовок прессованием под давлением 2,5 МПа, обжиг заготовок в изотермических условиях при температуре 950°С в течение 1 часа [Бучилин Н.В., Строганова Е.Е. Спеченные стеклокристаллические материалы на основе кальций-фосфатных стекол. // Стекло и керамика. - 2008. №8 - С.8-11].

Недостатком способа является неудовлетворительная прочность получаемой пористой стеклокерамики.

Известен способ формирования пористой стеклянной подложки, включающий следующие стадии: плавление смеси, состоящей в основном из 40-60% SiO₂, 5-30% Na₂O, 10-35% СаО и до 12% Р₂О₅ при температуре 1350°С, охлаждение, измельчение полученного стекла и формирование пористой стеклянной подложки путем смешивания порошка с пенообразователем и горячего прессования порошка и пенообразователя в вакууме [пат. США №5676720, опубл. 14.10.1997].

К недостаткам этого способа относятся высокая температура варки стекла, многостадийность и недостаточная прочность получаемой пористой стеклокерамики.

В качестве наиболее близкого аналога выбран способ получения биостекла 45S5, содержащего кальций, фосфор, натрий и кремний [Junmin Qian, Yahong Kang, Zilin Wei, Wei Zhang. Fabrication and characterization of biomorphic 45S5 bioglass scaffold from sugarcane. Materials Science and Engineering: 2009. v.29. №4. pp.1361-1364]. Способ осуществляют следующим образом: тетра-этоксисилан и триэтилфосфат смешивают с 1-молярным раствором азотной кислоты и в течение 60 минут осуществляют гидролиз при перемешивании. Затем к смеси постепенно добавляют нитраты кальция и натрия. После 6-часового перемешивания получают прозрачную жидкость. Для созревания золя смесь выдерживают 5 дней в запаянном контейнере. В результате получают золь с содержанием твердой фазы 35%. Этим золем пропитывают крупнопористый материал из сахарного тростника (с диаметром пор ~ 10 мкм), который в дальнейшем подвергают термообработке при 1030°С. При этом тростниковая матрица выгорает и образуется пористый стеклокерамический материал.

К недостаткам способа относятся многостадийность, длительность процесса и недостаточная прочность получаемой стеклокерамики.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение способа получения пористой кальций-фосфатной стеклокерамики за счет сокращения времени и числа стадий, а также повышение прочности получаемых материалов путем создания биоактивных слоев, повторяющих форму пор, на более прочных пористых биоинертных имплантатах.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения кальций-фосфатных стеклокерамических материалов, включающем приготовление смеси, содержащей соединения кальция, фосфора, кремния и натрия, пропитку полученной смесью биоинертной пористой матрицы с последующим прокаливанием, при этом в качестве соединения кремния используют тетраэтоксисилан, в качестве соединения фосфора используют эфир фосфорной кислоты, в отличие от известного способа, в качестве соединений кальция и натрия используют их карбоксилаты в полярном органическом растворителе, в качестве биоинертной матрицы используют невыгорающую пористую матрицу, а прокаливание после пропитки ведут при температуре 1000-1200°С.

При этом приготовление раствора для пропитки биоинертной керамики ведут при нагревании до полного растворения соединений кальция, фосфора, кремния и натрия, в качестве карбоксилатов кальция и натрия используют их олеаты, в качестве полярного органического растворителя используют, например, скипидар или бензол, в качестве эфира фосфорной кислоты используют, например, триэтилфосфат или трибутилфосфат, в качестве невыгорающей пористой матрицы используют прочную керамику из оксидов алюминия или циркония, перед прокаливанием пропитанную раствором пористую матрицу нагревают до 200-250°С для удаления избытка растворителя.

В общем случае способ осуществляют следующим образом.

Компоненты стекла в виде олеата кальция и олеата натрия в заданном соотношении растворяют в полярном органическом растворителе. В полученный раствор добавляют в заданном соотношении триэтилфосфат или трибутилфосфат, тетраэтоксисилан и нагревают до 160-180°С до полного растворения всех компонентов. Для получения биоактивных имплантатов полученным раствором пропитывают пористые биоинертные имплантаты с последующим нагреванием при 200-250°С для удаления избытка растворителя и прокаливают при температуре 1000-1200°С. При этом происходит формирование на пористых биоинертных имплантатах тонких биоактивных кальций-фосфатных стеклокерамических слоев, повторяющих форму пор.

Проведение высокотемпературной обработки промежуточного продукта в указанном интервале температур обусловлено тем, что в этих условиях обеспечивается полное сгорание органического вещества и образование стеклокерамической фазы целевого продукта, в связи с чем повышение температуры выше 1200°С экономически нецелесообразно. Экспериментально установлено, что время термообработки остатка, полученного после отгонки растворителя, при температуре 1000-1200°С составляет не более 1 часа.

Благодаря использованию более прочной (по сравнению с известной пористой матрицей) невыгорающей керамической пористой биоинертной матрицы из оксидов алюминия или циркония, пропитанных полученным раствором, содержащим компоненты стекла: тетраэтоксисилана, триэтилфосфата или трибутилфосфата и карбоксилатов кальция и натрия в полярном органическом растворителе, на пористой матрице непосредственно из раствора (а не из золя) формируются тонкие кальций-фосфатные слои, повторяющие форму пор. В результате получаются биосовместмые кальций-фосфатные материалы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является достижение возможности получения биоактивной стеклокерамики не из золя, а непосредственно из раствора, легко проникающего в поры матрицы, минуя стадию образования золя, что позволяет формировать на прочных пористых биоинертных имплантатах биоактивные кальций-фосфатные слои, повторяющие форму пор, что существенно упрощает способ и сокращает время процесса. При этом осуществление процесса не требует сложного специального оборудования и дорогостоящих реагентов.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В 20 мл скипидара при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 1,0 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл трибутилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 180°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида алюминия. Пропитанную керамику сначала нагревают до 200-250°С для удаления избытка скипидара, а затем прокаливают при температуре 1100°С в течение 1 часа. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей, в %: P₂O₅ - 6, СаО - 24,5, Na₂O - 24,5, SiO₂ - 45,0.

Пример 2. В 20 мл бензола при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 0,96 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл трибутилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 170°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида алюминия. Пропитанную керамику сначала нагревают при 200-250°С для удаления избытка бензола, а затем прокаливают при температуре 1200°С в течение 0,5 часа. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей в %: P₂O₅ - 6, СаО - 25,5, Na₂O - 23,5, SiO₂ - 45,0.

Пример 3. В 20 мл скипидара при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 0,92 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл трибутилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 180°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида циркония. Пропитанную керамику сначала нагревают при 200-250°С для удаления избытка скипидара, а затем прокаливают при температуре 1000°С в течение 1 часа. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей в %: P₂O₅ - 6, СаО - 26,5, Na₂O - 22,5, SiO₂ - 45,0.

Пример 4. В 20 мл скипидара при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 0,92 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл триэтилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 180°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида циркония. Пропитанную керамику сначала нагревают при 200-250°С для удаления избытка скипидара и затем прокаливают при температуре 1150°С в течение 55 мин. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей в %: P₂O₅ - 7, СаО - 26,5, Na₂O - 22,5, SiO₂ - 44,0.

Пример 5. В 20 мл скипидара при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 0,92 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл триэтилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 160°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида циркония. Пропитанную керамику сначала нагревают при 200-250°С для удаления избытка скипидара, а затем прокаливают при температуре 1100°С в течение 1 часа. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей в %: P₂O₅ - 7, СаО - 26,5, Na₂O - 22,5, SiO₂ - 44,0.

1. Способ получения кальций-фосфатных стеклокерамических материалов, включающий приготовление смеси, содержащей соединения кальция, фосфора, кремния и натрия, пропитку полученной смесью биоинертной пористой матрицы с последующим прокаливанием, при этом в качестве соединения кремния используют тетраэтоксисилан, в качестве соединения фосфора используют эфир фосфорной кислоты, отличающийся тем, что в качестве соединений кальция и натрия используют их карбоксилаты в полярном органическом растворителе, в качестве биоинертной матрицы используют невыгорающую пористую матрицу, а прокаливание после пропитки ведут при температуре 1000-1200°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приготовление смеси ведут при нагревании в интервале температур 160-180°С до полного растворения соединений кальция, фосфора, кремния и натрия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве карбоксилатов кальция и натрия используют олеаты указанных соединений.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полярного органического растворителя используют, например, скипидар или бензол.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве эфира фосфорной кислоты используют, например, триэтилфосфат или трибутилфосфат.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве невыгорающей пористой матрицы используют керамику из оксидов алюминия или циркония.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед прокаливанием пропитанную раствором пористую матрицу нагревают до 200-250°С для удаления избытка растворителя.