Композиционный материал на основе гидроксиапатита для костных имплантатов и способ его получения
HYDROXYAPATITE-BASED COMPOSITE MATERIAL FOR BONE IMPLANTS AND METHOD FOR ITS PREPARATION

Изобретение относится к области биологически активных фармацевтических и медицинских материалов, используемые в ортопедической хирургии при восстановлении и лечении костной ткани.
3
4
2
3
4
2
Известен композиционный материал на основе гидроксиапатита, который является биосовместимой и эффективной системой доставки лекарственных форм и имеет состав мезопористый нанокомпозит FeO⋅SiO-гидроксиапатит (mFSH), который синтезируют в ультразвуковой ванне в присутствии экстракта плодов земляники (Yasin Orooji, Sobhan Mortazavi-Derazkola, Seyedeh Masoumeh Ghoreishi, Mahnaz Amiri, Masoud Salavati-Niasari “Mesopourous FeO⋅SiO-hydroxyapatite nanocomposite: Green sonochemical synthesis using strawberry fruit extract as a capping agent, characterization and their application in sulfasalazine delivery and cytotoxicity”, Journal of Hazardous Materials 400 (2020) 123140).
Недостатком известного материала являются его узкоспециализированное применение только в качестве системы доставки лекарственных средств.
Известен стоматологический материал для изолирующей прокладки при лечении глубокого кариеса и острого очагового пульпита, включающий  порошок и жидкость. Состав порошка, масс.%: диоксид кремния - 35, оксид алюминия - 15, фторид кальция - 5, фосфат алюминия - 5, сульфат бария - 5, гидроксиапатит кальция - 5, кальция гидроксид - 5, оксид цинка - остальное. Состав жидкости, масс.%: сополимер итаконовой кислоты - 20, изомер винной кислоты - 20, камфорохинон - 10, сополимер винилфосфоновой кислоты - 10, дистиллированная вода - остальное (патент RU 2623863; МПК A61K 6/00; 2017 год).
Недостатком известного материала являются: сложный многокомпонентный состав и наличие в нем соединений токсичного бария.
10
4
6
2
2
3
2
2
Известен биологически активный материал для медицины на основе гидроксиапатита, модифицированного диоксидом циркония и оксидом алюминия, который может быть использован в травматологии, ортопедии и стоматологии. Материал имеет состав Ca(PO)(OH)-AlO-ZrO в виде мелкозернистой прочной керамики с размером частиц менее 0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему ГАП,  прочность материала ~ 380 МПа, но при этом обладает низкой пористостью (площадь пор 0,077 м/г) (патент RU 2741208; МПК A61L 27/32; A61L 27/04; A61L 27/10; 2020 год).
Однако  недостатком известного материала является практически полное отсутствие пор, что затрудняет  прорастание костной ткани в материал при его использовании в качестве имплантата и, следовательно, осложняет вживление имплантата в организм.
Наиболее близким из известных к предлагаемому является композиционный материал на основе фторгидроксиапатита и частично стабилизированного диоксида циркония для замещения костных дефектов, содержащий добавку при следующих соотношениях компонентов в материале, масс.%: фторгидроксиапатит (замещение анионов OH- на ионы F- в количестве 10%) - 40-60, частично стабилизированный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол.%) - 40-60 и добавка силикат натрия в количестве 2-5 масс.%, взятом сверх 100% по отношению к фторгидроксиапатиту и диоксиду циркония, при этом получаемый материал после спекания характеризуется прочностью при изгибе не менее 300 МПа (патент RU 2585954; МПК A61L 27/04, A61L 27/12; 2016 год) (прототип).
Недостатком известного материала является его низкая пористость (менее 2%), что затрудняет  прорастание костной ткани в материал при его использовании в качестве имплантата и, следовательно, осложняет вживление имплантата в организм. Кроме того, недостатком является сложный состав, обусловленный использованием замещенного гидроксиапатита, стабилизированного циркония и дополнительной добавки в виде силиката натрия, которая незначительно снижает температуру спекания (1300°С), при этом при этой температуре  идет разложение апатита с образованием трикальций фосфата, который обладает невысокой биосовместимостью по сравнению с гидроксиапатитом.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать композиционный материал для костных имплантатов, обладающий высокой пористостью наряду с достаточно высокими значениями твердости, что обеспечит высокую биосовместимость с костной тканью и пониженную скорость биодеградации при восстановлении костной ткани.
Поставленная задача решена в предлагаемом композиционном материале на основе гидроксиапатита для костных имплантатов, содержащем диоксид циркония и соединение кремния,  который в качестве соединения кремния содержит оксид кремния при следующем соотношении компонентов (масс.%):
Гидроксиапатит
78.0÷82.0
Диоксид циркония
5.5÷11.0
Оксид кремния
11.0÷12.5
Поставленная задача также решена в способе получения композиционного материала на основе гидроксиапатита для костных имплантатов, содержащем компоненты при следующем соотношении (масс.%): гидроксиапатит – 78.0 ÷ 82.0; диоксид циркония – 5.5 ÷ 11.0; оксид кремния - 11.0 ÷ 12.5, включающий получение исходной порошковой смеси, содержащей (масс.): гидроксиапатит – 75-80; оксид циркония – 5-10; кремниевая кислота – 15-16; при этом размер частиц исходной смеси равен не более 5 мкм, прессование при давлении 20-25 МПа и последующее спекание при температуре 1000–1050°С в течение 1.0-1.5 часа.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен композиционный материал на основе гидроксиапатита для костных имплантатов, содержащий гидроксиапатит, оксид циркония и оксид кремния в предлагаемом соотношении, а также способ его получения, включающий спекание исходной порошковой смеси, содержащей гидроксиапатит, оксид циркония и кремниевую кислоту.
2
2
Исследования, проводимые авторами предлагаемого технического решения, были направлены на получение композиционного материала на основе гидроксиапатита, имеющего высокую пористость, которая обеспечивает в случае  использования  материала в качестве костного имплантата высокую биосовместимость с костной тканью и пониженную скорость биодеградации при восстановлении костной ткани, поскольку высокая пористость имплантата улучшает проникновение и вживление костной ткани в имплантат. В ходе исследований авторами было установлено, что использование кремниевой кислоты в качестве одного из исходных компонентов обеспечивает получение повышенной пористости в конечном продукте, что обусловлено разложением кремниевой кислоты при температуре 1000–1050°С с образованием оксида кремния SiO и воды НО, которая, испаряясь, способствует образованию пустот в композите. Кроме того, образовавшийся оксид кремния и оксид циркония, вводимый в исходную шихту, являются не только упрочнителями, но и стабилизируют основу композита – гидроксиапатит, повышая температуру его разложения с образованием трикальций фосфата. При этом при содержании кремниевой кислоты менее 15 масс.%, а диоксида циркония более  10 масс.% не наблюдается равномерной пористости, а при содержании кремниевой кислоты  более 16 масс.%, а диоксида циркония менее 5 масс.% резко падает прочность биоматериала.  При температуре выше 1050°С резко возрастает степень разложения гидроксиапатита с образованием трикальций фосфата.
10
4
6
2
2
2
2
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом: порошки исходных компонентов гидроксиапатита, диоксида циркония и кремниевой кислоты, взятых в соотношении (масс.%): гидроксиапатит – 75÷80; диоксида циркония – 5÷10; кремниевая кислота – 15÷16, с размером частиц не более 5 мкм, смешивают и полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 20-25 МПа. Затем заготовки помещают в муфельную печь и подвергают отжигу при температуре 1000-1050°С в течение 1 часа. В результате получают композиционный биоматериал Ca(PO)(OH)-SiO-ZrO в виде пористого прочного материала, имеющего площадь пор ~ 4.6 м/г равномерно распределенных по всему объему и имеющего микротвердость 300-320 МПа. Микротвердость определялась микротвердомером ПМТ-3М (нагрузка 0,98 Н (100 г), время нагружения – 10°С), пористость измерялась методом БЭТ. За счет испарения воды при разложении  кремниевой кислоты конечное соотношение компонентов в композиционном материале (масс.%):
Гидроксиапатит
78÷82
Диоксид циркония
5,5÷11
Оксид кремния
11÷12,5
На фиг.1 изображен размолотый  полученный биоматериала (пример 1).
На фиг.2 изображена микроструктура полученного биоматериала (пример 2).
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами:
10
4
6
2
2
2
,
2
Пример 1. Берут 80 грамм порошка гидроксиапатита, 5 грамм порошка диоксида циркония и 15 грамм порошка кремниевой кислоты, что соответствует соотношению, масс.%: гидроксиапатит – 80; оксид циркония – 5; кремниевая кислота – 15, размер частиц всех исходных компонентов не более 5 мкм, тщательно перемешивают до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 20 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 1000°С в течение 1,5 часа. В результате получают композиционный материал Ca(PO)(OH)-SiO-ZrOпри следующем соотношении компонентов (масс.%): гидроксиапатит - 83, оксид циркония – 5,5, оксид кремния – 11,5 в виде пористого прочного материала, имеющего площадь пор 4.64 м/г, равномерно распределенных по всему объему ГАП (фиг.1.), характеризующегося микротвердостью 320 МПа.
10
4
6
2
2
2,
2
Пример 2. Берут 75 грамм порошка гидроксиапатита, 10 грамм порошка диоксида циркония и 15 грамм порошка кремниевой кислоты, что соответствует соотношению, масс.%: гидроксиапатит – 75; оксид циркония – 10; кремниевая кислота – 15,  размер частиц всех исходных компонентов не более 5 мкм, тщательно перемешивают до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 25 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 1050°С в течение 1 часа. В результате получают композиционный материал Ca(PO)(OH)-SiO-ZrO при следующем соотношении компонентов (масс.%): гидроксиапатит - 78, оксид циркония - 11, оксид кремния - 11, в виде пористого прочного материала, имеющего площадь пор 4.6 м/г, равномерно распределенных по всему объему ГАП (фиг.2), характеризующегося микротвердостью 300 МПа.
10
4
6
2
2
2
2
Пример 3. Берут 79 грамм порошка гидроксиапатита, 5 грамм порошка диоксида циркония и 16 грамм порошка кремниевой кислоты, что соответствует соотношению, масс.%: гидроксиапатит – 79; оксид циркония – 5; кремниевая кислота – 16, размер частиц всех исходных компонентов не более 5 мкм, тщательно перемешивают до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 20 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 1000°С в течение 1 часа. В результате получают композиционный материал Ca(PO)(OH)-SiO-ZrO при следующем соотношении компонентов (масс.%): гидроксиапатит - 82, оксид циркония - 6, оксид кремния - 12, в виде пористого прочного материала, имеющего площадь пор 4.65 м/г, равномерно распределенных по всему объему ГАП, характеризующегося микротвердостью 305 МПа.
Таким образом, авторами предлагается простой способ получения биоматериала, обладающего наряду с достаточно высокими значениями механической твердости высокой пористостью,  что повышает его эффективность при использовании в качестве костного имплантата, поскольку обеспечивает высокую биосовместимость с костной тканью.