СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОМИМЕТИЧЕСКОГО КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНОГО ПОКРЫТИЯ НА СПЛАВАХ ТИТАНА ИЗ МОДЕЛЬНОГО РАСТВОРА СИНОВИАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ЧЕЛОВЕКА
METHOD FOR PREPARING BIOMIMETIC CALCIUM-PHOSPHATE COATING ON TITANIUM ALLOYS FROM STANDARDISED TEST SOLUTION OF HUMAN SYNOVIAL FLUID

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, которые могут быть использованы при создании биоактивных кальций-фосфатных покрытий на имплантатах, при создании бифазных композитов на основе фосфатов кальция и сплавах титана.
4
2
4
3
2
4
2
4
Известен способ нанесения покрытий на изделия из титана (патент RU 2453630), технический результат, в котором достигается за счет обработки поверхности титана углекислым газом, образующимся при реакции разложения гидрокарбоната кальция в водном растворе при соблюдении следующих условий: раствор гидрокарбоната натрия (ч.д.а.) приливают к раствору нитрата или хлорида кальция (х.ч.), соблюдая стехиометрическое соотношение реагентов 2:1. После начала выделения углекислого газа в реакционную смесь помещают титановые или с титановым покрытием изделия, например, пластины или штифты. Для устранения концентрационных потоков при формировании кристаллов смесь периодически перемешивают, при этом начинается более интенсивное выделение пузырьков углекислого газа. Толщина и адгезия покрытия, а также размер образующихся на титане кристаллов карбоната кальция изменяются в зависимости от времени протекания реакции и температуры. Прочные покрытия можно получить как минимум через десять минут после начала реакции при 20°C. Промытые пленки оставляют как минимум на сутки в контакте с раствором 0.6 М (NH)HPO, затем как минимум на сутки в растворе одномолярного Ca(NO), затем как минимум на сутки в растворе 0.6 М (NH)HPO. Образцы промывают дистиллированной водой, сушат на воздухе при температуре 20°C. Для получения композиционных покрытий, содержащих биополимеры, титан с полученным кальцитным покрытием погружают в раствор желатина и/или хондроитинсульфата. Другие модификаторы вводят в систему с самого начала синтеза кальцитного покрытия. Недостатком данного способа является его многостадийность, сложность контролирования величины адгезии и толщины кальцитного покрытия, невозможность получения биомиметического кальций-фосфатного покрытия.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения биомиметического покрытия в среде синтетической жидкости (SBF), (Xiaohua Yu, Mei Wei Controlling Bovine Serum Albumin Release from Biomimetic Calcium Phosphate Coatings // Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, 2011, 2, 28-35). По данному способу пластины титана вертикально помещают в 1,5 мл пробирку, содержащую 1,0 мл M-SBF, затем инкубируют в водяной бане при 42°C в течение 24 час. Затем в каждую пробирку, после того как пластинка была погружена добавляли бычий сывороточный альбумин (BSA), в течение 0, 4, 6 и 8 ч соответственно. В результате чего конечная концентрация бычьего сывороточного альбумина (BSA) соответствовала 50 мкг/мл. После 24 ч инкубации в SBF, все пластинки вынимают, тщательно промывают деионизированной водой и сушат при комнатной температуре. Недостатком данного способа является его сложность и использование дорогостоящих компонентов, например сывороточного альбумина (BSA).
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения биомиметического кальций-фосфатного покрытия на сплавах титана из модельного раствора синовиальной жидкости человека.
2
2
4
2
2
2
2
4
3
1
2
3
Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения биомиметического кальций-фосфатного покрытия на сплавах титана из модельного раствора синовиальной жидкости человека, в котором готовят раствор состава: CaCl - 1.3431 г/л, NaHPO·12HO - 7.4822 г/л, NaCl - 2.8798 г/л, MgCl·6HO - 0.4764 г/л, NaSO - 1.6188 г/л, KCl - 0.3427 г/л, NaHCO - 2.0160 г/л, осаждают две твердые фазы: карбонатгидроксилапатита и октакальция фосфата при температуре Т=22÷25°C, значении pH=7,4±0,05, в течение 7 дней, фильтруют и сушат при T=100°C в течение 2÷3 часов, до удаления химически несвязанной воды, затем готовят водную суспензию при концентрации фосфата кальция ω=5÷10 мас. %, наносят суспензию капиллярным методом на сплав титана, сушат при температуре T=20÷25°C, в течение 24 часов.
Для каждой из суспензии измеряли краевой угол смачивания и поверхностное натяжение приготовленных суспензий. Затем на основании уравнения Юнга-Дюпре рассчитывали энергию адгезии наносимой суспензии фосфата кальция к твердой поверхности титановых образцов.
a
01
W=σ(1+cosΘ),
a
01
где W - энергия адгезии, σ - поверхностное натяжение на границе газ - жидкость cosΘ - косинус краевого угла смачивания.
Полученные расчеты характеристик поверхностного натяжения, угла смачивания, энергии адгезии и когезии представлены в Таблице 1.
Таблица 1
Адгезионные характеристики суспензии фосфата кальция на титане
ω, мас. %
σ01, МДж/м<sup>2</sup>
cosΘ
W<sub>a</sub>, МДж/м<sup>2</sup>
W<sub>k</sub>, МДж/м<sup>2</sup>
W<sub>a</sub>/W<sub>k</sub>
h<sub>покр</sub>, мкм
5
81,40
0,71
139,19
162,80
0,86
220
10
91,90
0,17
107,52
183,80
0,60
320
20
101,75
-0,25
76,31
203,50
0,38
480
Установлено, что с увеличением концентрации фосфата кальция в водной суспензии происходит рост поверхностного натяжения и краевого угла смачивания, это обусловлено частичным растворением полученного фосфата кальция и образованием в растворе неорганических ПИВ (поверхностно инактивных веществ). Что при концентрации суспензии более 10% приводит к несмачиваемости поверхности титанового сплава (табл.1).
k
Для характеристики получаемых покрытий важным является соотношение значений энергии адгезии и когезии. Для установления соотношения между энергиями адгезии и когезии (W) преобразуем уравнения Юнга-Дюпре:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>W</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mi>θ</mi><mo>,</mo><mtext>  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>W</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>σ</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mi>θ</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext>  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>σ</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
так как
, то
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>W</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>W</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mi>θ</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext>  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Известно, что если это соотношение близко к единице, то наблюдается хорошее смачивание и т.д.
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mfrac><mrow><msub><mi>W</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>W</mi><mi>к</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mtext> </mtext><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>ш</mi><mi>е</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> смачивание</mtext><mtext>,</mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mrow><msub><mi>W</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>W</mi><mi>к</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,5</mn><mo>−</mo><mtext> переход</mtext><mtext> </mtext><mtext>к </mtext><mtext> </mtext><mtext>несмачиванию</mtext><mtext>,   </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mtext>W</mtext><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mtext>0- полное</mtext><mtext> </mtext><mtext>несмачивание</mtext><mtext>.</mtext></mtd></mtr></mtable>
При этом установлено, что с ростом концентрации фосфата кальция в наносимой суспензии происходит уменьшение энергии адгезии, которая характеризует взаимодействия наносимой дисперсной системы с поверхностью титанового образца. Так, при увеличении содержания фосфата кальция вдвое, энергия адгезии уменьшается в 1,294 раза, а энергии когезии увеличивается в 1,129 раза, что связано с увеличением толщины покрытия в 1,454 раза с 220 мкм до 320 мкм (табл.1). Для оценки параметров смачивания обычно используют соотношение этих двух энергий, при этом, если оно близко к 1, то наблюдается смачивание, и т.д.
Полученные покрытия были проанализированы с помощью электронной растровой микроскопии. На всех микрофотографиях покрытий, полученных из всего диапазона концентрации фосфата кальция 5÷20 мас.% суспензии присутствуют агрегаты палочкообразные (в виде игл), и глобуллярные (каплеобразные). На фиг.1 представлена микрофотография агрегатов на поверхности титана при концентрации фосфата кальция ω=5 мас.%, на фиг.2 агрегаты при концентрации фосфата кальция ω=10 мас.%, на фиг.3 агрегаты при концентрации ω=20 мас.%. Различие между этими микрофотографиями агрегатов состоит в изменении морфологии и средних абсолютных размеров, которые представлены в виде таблицы 2.
Таблица 2
Геометрические параметры агрегатов на поверхности титана, в зависимости от концентрации водной суспензии фосфата кальция
ω, мас.%
Палочкообразные Длина, мкм
Палочкообразные Ширина, мкм
Глобулярные d, мкм
5
~8
~4
~4
10
~44
~2
~6
20
-37
-1
~7
Данная морфология характерна для октакальция фосфата, карбонатгидроксилапатита, гидроксилапатита. При увеличении концентрации фосфата кальция в используемой суспензии для нанесения покрытия заметно, что агрегаты характеризуются различными размерами, так, геометрические параметры палочкообразных агрегатов уменьшаются, а сферических возрастают (табл.2), вероятно, это обусловлено наличием большего количества центров кристаллизации при более высоких концентрациях фосфата кальция в суспензии.
Таким образом, заявляемый способ позволяет получить качественное покрытие состоящие из двух фаз карбонатгидроксилапатит и октакальция фосфат, при концентрации фосфата кальция в суспензии от 5÷10 мас.%