Способ получения пористой биоактивной керамики на основе оксида циркония

Способ получения пористой биоактивной керамики на основе оксида циркония

Реферат

Изобретение относится к медицине, в частности к травматологии, ортопедии, регенеративной медицине, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, и может быть использовано для восстановления структуры и функции костной ткани.

Материалы на основе фосфатов кальция имеют отличную биосовместимость, но не обладают достаточной прочностью в качестве заменителей костной ткани. Один из способов решения этой проблемы - нанесение биоактивных слоев из фосфатов кальция на более прочные пористые биоинертные материалы. Одним из перспективных материалов для изготовления пористых конструкций для эндопротезирования костной ткани является диоксид циркония, характеризующийся высокой прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к химически активным средам, отсутствием обменных реакций со структурами организма.

Известен способ получения пористого стеклокристаллического материала, который может быть использован для изготовления имплантов [RU 2462272, опубл. 27.09.2012 г., Бюл. №27]. Указанный способ включает изготовление полусухой массы, содержащей порошок кальцийфосфатного стекла и 1-10% раствор полимера, выбранного из поливинилового спирта, желатина, метилцеллюлозы или карбоксиметилцеллюлозы, которую затем формуют в бумажных формах при давлении прессования 1,0-1,2 МПа, сушат, обжигают с выдержкой 0,5-1,5 часа при 900-1000°С. В полусухую массу также вводят стержни-порообразователи в количестве 3-30 мас. %, представляющие собой капрон, нейлон, лавсан или графит, и крахмал в количестве 1-10 мас. %. Кальцийфосфатное стекло имеет следующий состав в мол. %: СаО 40-55, Al₂O₃ 4-10, B₂O₃ 1-5, TiO₂ 1-10, ZrO₂ 1-10 и P₂O₅ остальное. Способ обеспечивает получение биоактивных стеклокристаллических материалов для имплантации с канальной и межканальной поровой структурой, открытой пористостью 20-70%, долей канальных пор 5-40%, диаметром канальных пор 100-700 мкм, размером пор в межканальных перегородках 20-100 мкм.

Недостатком известного способа является низкая прочность образцов на сжатие: 3-50 МПа.

Известен способ изготовления биоактивного микропористого материала, имитирующего натуральные костные структуры [пат. РФ №2349289, опубл. 20.03.2009 г., Бюл. №8], который заключается в следующем. Предварительно получают композицию, содержащую размельченное в порошок медицинское стекло, порошок гидроксиапатита с отношением Ca к Р, равном 1,66-1,67, порообразователь - карбонат кальция, цеолит для формирования микропоровой структуры и повышения прочности стеклокерамических материалов и изделий. Композиция содержит цеолит с размером зерен до 1 мм и размером пор от 0,5 нм до 20 мкм, гранулированный совместно с гидроксиапатитом до размера гранул от менее 50 мкм до 1 мм, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Стекло	20-80
Гидроксиапатит	10-50
Цеолит	10-40
Порообразователь	0,1-10

В качестве матричного стекла предпочтительно использовать нейтральное медицинское алюмоборосиликатное стекло марки НС с содержанием (мас. %): 73,0 SiO₂, 3,5 Al₂O₃, 2,5 B₂O₃, 1,0 MgO, 7,0 CaO, 11,0 Na₂O, 2,0 K₂O.

Для изготовления биоактивного микропористого материала указанную композицию укладывают в формы из корунда, титана или нержавеющей стали и подвергают термической обработке в течение 3-10 ч в два этапа для разделения стадий спекания и вспенивания: сначала ее постепенно нагревают до температуры 600-750°С, затем ускоренно до температуры 800-1000°С, после чего выдерживают смесь при указанной температуре в течение 5-60 мин. Материал обладает общей пористостью от 40 до 80% при открытой пористости от 30 до 70%. Распределение пор по размерам бимодальное, размер пор от 100 до 600 мкм. Прочность на сжатие материала от 20 до 50 МПа.

Недостатком данного материала является то, что он характеризуется низкой растворимостью в водных и физиологических средах в расчете на 1 г в пределах 0,001-0,002 г/сут, что связано с использованием в материале малорастворимых компонентов - гидроксиапатита с отношением Ca к Р, равном 1,66-1,67 и нейтрального стекла. Другой недостаток материала - низкая реакционная способность in vitro по тестам в SBF (simulated body fluid) - формирование активных поверхностных OH-групп в течение 3 суток, формирование слоев карбонатапатита в SBF на 14 сутки.

Известен композиционный костно-керамический имплантат, содержащий пористый керамический носитель на основе оксид циркония - оксид алюминия. На носитель нанесен слой гидроксиапатита и обогащенный тромбоцитами плазмы, при этом носитель получен путем приготовления смеси из керамического порошка на основе ZrO₂ (Mg, Y) или Al₂O₃ и добавки пластификатора и порообразователя Al(ОН)₃ или Zr(OH)₄, с последующим добавлением дистиллированной воды для придания смеси формовочных свойств и спеканием готового изделия. Далее проводят формование изделия прессованием под давлением от 12 до 25 кН, а спекание изделия осуществляют при температуре 1450-1600°С. На композиционные костно-керамические имплантаты производится холодное газодинамическое напыление биологического гидроксиапатита с помощью установки холодного газового напыления (ХГН) при следующих параметрах: рабочий газ - воздух; давление в форкамере 0,3-5 МПа; температура в форкамере 0-1000°C; расход газа ≤1,5 м³/мин; потребляемая мощность ≤20 кВт [RU 2542496, опубл. 20.02.2015 г., Бюл. №5].

Композиционный костно-керамический имплантат на основе керамического материала системы оксид циркония - оксид алюминия эффективен и пригоден в медицине для восстановления анатомической целостности и функций костной ткани.

Недостатком способа является высокая температура формирования керамического материала и необходимость использования сложного оборудования для газодинамического напыления биологического апатита.

В качестве прототипа выбран способ получения пористой биоактивной керамики [Bull. Mat. Sci. 2007. v.30. №4. p.309-314], который предусматривает пропитку пористого каркаса из оксида циркония суспензией из гидроксиапатит-боросиликатого стекла. Способ осуществляют следующим образом. Сначала изготавливают пористый каркас пропиткой пеностирола суспензией из оксида циркония и оксида алюминия с последующим обжигом при температуре 1500°C. Затем эту полученную пористую матрицу пропитывают суспензией из гидроксиапатит-боросиликатого стекла и повторно обжигают при 1200°C. В результате получают пористую биоактивную керамику с прочностью на сжатие около 36,8 МПа.

Недостатком способа является высокая температура процесса (1500°C), необходимость осуществления процесса в две стадии и низкая прочность биоактивной керамики.

Задачей данного изобретения является повышение прочности пористой биоактивной керамики на основе оксида циркония и упрощение способа за счет сокращения стадий и снижения температуры процесса.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения пористой биоактивной керамики на основе оксида циркония и стекла, в отличие от известного способа, биоинертную матрицу и биоактивное покрытие получают одновременно в одну стадию. Процесс осуществляют следующим образом.

Диоксид циркония смешивают с химически стойким стеклом марки ХС-2 №29 и оксидом магния, который используют в качестве стабилизирующего компонента, препятствующего переходу диоксида циркония из тетрагональной структуры в моноклинную при нагревании. Затем добавляют смесь аммония фосфорнокислого 2-х замещенного и кальция углекислого. Смесь истирают на вибромельнице, после чего 90% частиц имеют размер менее 50 мкм, далее прессуют в пресс-форме под давлением 100 МПа/см и прокаливают в муфельной печи при температуре 1300°C. В результате получают пористую биоактивную керамику на основе оксида циркония, в которой поры выстланы изнутри биоактивным слоем - частицами фосфатов кальция с прочностью на сжатие не ниже 100 МПа.

При этом исходная смесь содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: 72-73 ZrO₂, 4-5 MgO, 6-8 (NH₄)₂HPO₄, 7-9 CaCO₃ и 8-8,5 стекло марки ХС-2 №29.

При содержании аммония фосфорнокислого 2-х замещенного и кальция углекислого соответственно менее 6 и 7% прочность керамики снижается. Прочность керамики также снижается при содержании аммония фосфорнокислого 2-хзамещенного и кальция углекислого соответственно более 8 и 9%. Экспериментально установлено, что прочность керамики снижается при использовании оксида магния и стекла в количествах ниже или выше заявленных интервалов, что подтверждается «отрицательными» примерами (№4-7, прочность на сжатие менее 100 МПа).

Техническим результатом предлагаемого изобретения в сравнении со способом-прототипом является повышение прочности пористой биоактивной керамики на основе оксида циркония, а также упрощение способа за счет сокращения стадий и снижения температуры процесса.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. 100 г смеси, содержащей 72,5 г ZrO₂, 4 г MgO, 8 г (NH₄)₂HPO₄, 7 г СаСО₃ и 8,5 г химически стойкого стекла марки ХС-2 №29 (состав стекла, мас. %: SiO₂ - 68,8; Al₂O₃ - 3,7; СаО - 7,5; ВаО - 3,5; Na₂O - 10,0; K₂O - 3,0; MgO - 3,5) истирают на вибромельнице, после чего 90% частиц имеют размер менее 50 мкм. Далее измельченную смесь прессуют в пресс-форме под давлением 100 МПа/см² и прокаливают в муфельной печи при температуре 1300°C. В результате получают пористую биоактивную керамику на основе оксида циркония, в которой поры выстланы изнутри биоактивными частицами фосфатов кальция. По данным рентгенофазового анализа фосфаты кальция представлены смесью пирофосфата Ca₂P₂O₇ и трикальцийфосфата Са₃(PO₄)₂. Прочность образца на сжатие 105 МПа. Морфология поверхности излома образца характеризуется наличием пор со средними размерами 20-50 мкм.

Пример 2. 100 г смеси, содержащей 73 г ZrO₂, 4 г MgO, 7 г (NH₄)₂HPO₄, 8 г СаСО₃ и 8 г химически стойкого стекла марки ХС-2 №29 (состав стекла, мас. %: SiO₂ - 68,8; Al₂O₃ - 3,7; СаО - 7,5; ВаО - 3,5; Na₂O - 10,0; K₂O - 3,0; MgO - 3,5) истирают на вибромельнице, после чего 90% частиц имеют размер менее 50 мкм. Далее измельченную смесь прессуют в пресс-форме под давлением 100 МПа/см² и прокаливают в муфельной печи при температуре 1300°С. В результате получают пористую биоактивную керамику на основе оксида циркония, в которой поры выстланы изнутри биоактивными частицами фосфатов кальция. По данным рентгенофазового анализа фосфаты кальция представлены смесью гидроксиапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ и трикальцийфосфата Са₃(PO₄)₂. Прочность образца на сжатие 110 МПа. Морфология поверхности излома образца характеризуется наличием пор со средними размерами 20-50 мкм.

Пример 3. 100 г смеси, содержащей 72 г ZrO₂, 4,5 г MgO, 6 г (NH₄)₂HPO₄, 9 г CaCO₃ и 8,5 г химически стойкого стекла марки ХС-2 №29 (состав стекла, мас. %: SiO₂ - 68,8; Al₂O₃ - 3,7; СаО - 7,5; ВаО - 3,5; Na₂O - 10,0; K₂O - 3,0; MgO - 3,5) истирают на вибромельнице, после чего 90% частиц имеют размер менее 50 мкм. Далее измельченную смесь прессуют в пресс-форме под давлением 100 МПа/см² и прокаливают в муфельной печи при температуре 1300°С. В результате получают пористую биоактивную керамику на основе оксида циркония, в которой поры выстланы изнутри биоактивными частицами фосфатов кальция. По данным рентгенофазового анализа фосфаты кальция представлены смесью гидроксиапатита Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ и трикальцийфосфата Са₃(PO₄)₂. Прочность образца на сжатие 109 МПа. Морфология поверхности излома образца характеризуется наличием пор со средними размерами 20-50 мкм.

Пример 4. 100 г смеси, содержащей 70,5 г ZrO₂, 6 г MgO, 5 г (NH₄)₂HPO₄, 10 г CaCO₃ и 8,5 г химически стойкого стекла марки ХС-2 №29 (состав стекла, мас. %: SiO₂ - 68,8; Al₂O₃ - 3,7; СаО - 7,5; ВаО - 3,5; Na₂O - 10,0; K₂O - 3,0; MgO - 3,5) истирают на вибромельнице, после чего 90% частиц имеют размер менее 50 мкм. Далее измельченную смесь прессуют в пресс-форме под давлением 100 МПа/см² и прокаливают в муфельной печи при температуре 1300°С. В результате получают пористую биоактивную керамику на основе оксида циркония, в которой поры выстланы изнутри биоактивными частицами фосфатов кальция. По данным рентгенофазового анализа фосфаты кальция представлены смесью гидроксиапатита Са (PO₄)₆(ОН)₂ и трикальцийфосфата Са₃(PO₄)₂. Прочность образца на сжатие недостаточно высокая и составляет 50 МПа. Морфология поверхности излома образца характеризуется наличием пор со средними размерами 20-50 мкм.

Пример 5. 100 г смеси, содержащей 72,5 г ZrO₂, 4 г MgO, 9 г (NH₄)₂HPO₄, 6 г СаСО₃ и 8,5 г химически стойкого стекла марки ХС-2 №29 (состав стекла, мас. %: SiO₂ - 68,8; Al₂O₃ - 3,7; СаО - 7,5; ВаО - 3,5; Na₂O - 10,0; K₂O - 3,0; MgO - 3,5) истирают на вибромельнице, после чего 90% частиц имеют размер менее 50 мкм. Далее измельченную смесь прессуют в пресс-форме под давлением 100 МПа/см² и прокаливают в муфельной печи при температуре 1300°С. В результате получают пористую биоактивную керамику на основе оксида циркония, в которой поры выстланы изнутри биоактивными частицами фосфатов кальция. По данным рентгенофазового анализа фосфаты кальция представлены смесью гидроксиапатита Са₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ и трикальцийфосфата Са₃(PO₄)₂. Прочность образца на сжатие 62 МПа. Морфология поверхности излома образца характеризуется наличием пор со средними размерами 20-50 мкм.

Пример 6. 100 г смеси, содержащей 75 г ZrO₂, 4 г MgO, 8 г (NH₄)₂HPO₄, 7 г СаСО₃ и 6 г химически стойкого стекла марки ХС-2 №29 (состав стекла, мас. %: SiO₂ - 68,8; Al₂O₃ - 3,7; СаО - 7,5; ВаО - 3,5; Na₂O - 10,0; K₂O - 3,0; MgO - 3,5) истирают на вибромельнице, после чего 90% частиц имеют размер менее 50 мкм. Далее измельченную смесь прессуют в пресс-форме под давлением 100 МПа/см² и прокаливают в муфельной печи при температуре 1300°С. В результате получают пористую биоактивную керамику на основе оксида циркония, в которой поры выстланы изнутри биоактивными частицами фосфатов кальция. По данным рентгенофазового анализа фосфаты кальция представлены смесью гидроксиапатита Са₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ и трикальцийфосфата Са₃(PO₄)₂. Прочность образца на сжатие 53 МПа. Морфология поверхности излома образца характеризуется наличием пор со средними размерами 20-50 мкм.

Пример 7. 100 г смеси, содержащей 71 г ZrO₂, 4 г MgO, 8 г (NH₄)₂HPO₄, 7 г CaCO₃ и 10 г химически стойкого стекла марки ХС-2 №29 (состав стекла, мас. %: SiO₂ - 68,8; Al₂O₃ - 3,7; СаО - 7,5; ВаО - 3,5; Na₂O - 10,0; K₂O - 3,0; MgO - 3,5) истирают на вибромельнице, после чего 90% частиц имеют размер менее 50 мкм. Далее измельченную смесь прессуют в пресс-форме под давлением 100 МПа/см² и прокаливают в муфельной печи при температуре 1300°С. В результате получают пористую биоактивную керамику на основе оксида циркония, в которой поры высланы изнутри биоактивными частицами фосфатов кальция. По данным рентгенофазового анализа фосфаты кальция представлены смесью гидроксиапатита Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ и трикальцийфосфата Са₃(PO₄)₂. Прочность образца на сжатие 64 МПа. Морфология поверхности излома образца характеризуется наличием пор со средними размерами 20-50 мкм.

Как видно из приведенных примеров, разработанные биоактивные пористые стеклокристаллические материалы удовлетворяют требованиям по поровой структуре, предъявляемым к ним и могут быть рекомендованы как материалы для имплантатов, предназначенных для лечения костных дефектов.

Способ получения пористой биоактивной керамики на основе оксида циркония путем обжига смеси, содержащей оксид циркония и стекло, отличающийся тем, что смесь дополнительно содержит оксид магния MgO и порообразователи: аммоний фосфорнокислый двухзамещенный (NH₄)₂HPO₄ и кальций углекислый СаСО₃, в качестве стекла используют химически стойкое стекло марки ХС-2 №29 при следующем соотношении компонентов, мас. %: 72-73 ZrO₂, 4-5 MgO, 6-8 (NH₄)₂HPO₄, 7-9 СаСО₃, 8-8,5 стекло марки ХС-2 №29, при этом смесь перед обжигом измельчают и прессуют, а обжиг ведут при температуре 1300°С.