Синтез и исследование свойств гидроксиапатитовых цементов

УДК 661.842.455:61

И.В. Ярмошкина, Н.В. Свентская, С.П. Сивков

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГИДРОКСИАПАТИТОВЫХ ЦЕМЕНТОВ

Рассмотрены методы получения дикальций фосфата (ДКФ), трикальций фосфата (ТКФ), тетракальциевого фосфата (ТеКФ) и изучено влияние условий синтеза на свойства конечного продукта. Также исследовано влияние различных факторов на свойства гидроксиапатитовых цементов, а именно Са/Р отношение, вид затворяющей жидкости и состав цементной смеси.

Methods for the synthesis of dicalcium phosphate (DCP), tricalcium phosphate (TCP), tetracalcium phosphate (TTCP) are considered and studied the influence of synthesis conditions on the properties of the final product. It also investigated the influence of various factors on the properties of hydroxyapatite cement, namely, the Ca/P ratio, type of cement liquid and composition of the cement mixture.

Наиболее перспективную и стремительно развивающуюся группу материалов для ортопедии и травматологии представляют кальций-фосфатные материалы, поскольку их химический состав сходен с костной тканью. Процесс ассимиляции такого кальцийфосфатного имплантата в организме сопровождается его частичным или полным растворением, проникновением в имплантат эндогенных протеинов, прорастанием кровеносных сосудов, ростом, размножением и делением клеток с образованием клеточной среды, заполняющей поры имплантата и, наконец, новообразованием костной ткани.

Кальцийфосфатные биоцементы (КФЦ) имеют ряд преимуществ в сравнении с другими биоактивными материалами: возможность адаптации к костному дефекту для обеспечения тесного контакта имплантат - кость, фиксации костных обломков и имплантатов; возможность инъекционного введения, сводящего хирургические манипуляции к минимуму; возможность равномерного распределения по объему введенных в цемент антибиотиков, а также костных морфогенетических белков для улучшения остеоиндук-тивности и их пролонгированного выхода в месте имплантации и, наконец, биорезорбция, которая позволяет проводить лечение без вторичного хирургического вмешательства [1]. Однако, наряду с преимуществами, КФЦ имеют ряд недостатков, к которым можно отнести невысокую механическую прочность, а также обязательное давление при перемешивании [2].

Цель работы - изучение влияния химической и термической предыстории исходных компонентов дикальций фосфата, трехкальциевого фосфата, тетракальциевого фосфата на свойства гидроксиапатитовых цементов; разработка составов гидроксиапатитовых цементов для костнопластической хирургии и исследование их свойств.

На первом этапе работы проводили синтез фосфатов кальция и изучение влияния их химической и термической предыстории на свойства гидроксиапатитовых цементов.

Синтез дикальцийфосфата проводили двухступенчатым способом: первично получали дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД) жидкофазным способом по реакции 1.1 путем порционного введения кальция азотнокислого к аммонию фосфорнокислому до получения продукта стехиометрического соотношения:

Для поддержания уровня рН=4-5, вводили водный аммиак. С целью регулирования размеров кристаллов ДКФД и степени выхода продукта, изменяли температуру синтеза Т=10, 25 и 80°С. Время выдержки при температуре синтеза - 30 минут.

Было установлено, что с повышением температуры синтеза выход продукта увеличивается. Для определения среднего размера частиц проводили гранулометрический анализ. Повышение температуры синтеза способствует увеличению среднего размера частиц от 30до 45 мкм.

ДКФ получали путем прокаливания ДКФД при температуре 250°С в сушильном шкафу БКОЬ 58/350 в течение 5 часов по реакции 1.2: СаНРО4-2Н2О Т=250» СаНРО4 + 2И2О

В соответствии с данными РФА полученный продукт однофазен и представлен ДКФ.

ТКФ и ТеКФ получали жидкофазным и твердофазным методами. Жидкофазный синтез проводили путем смешения гомогенных растворов нитрата кальция и фосфата аммония в стехиометрических количествах. Реакцию проводили при повышенной температуре (:=70-80оС). По окончании реакции осадки выдерживали в маточном растворе в течение двух часов, затем отфильтровывали и сушили при комнатной температуре, далее проводили прокаливание ТКФ при 13000С, а ТеКФ при 14000С.

Синтез ТКФ проводили по реакции 1.3, рН поддерживали на уровне 4-6 введением раствора Н3РО4:

ЗСа^0з)2-4Н20+2(КН4)2НР04+2>1Н40Н^Саз(Р04)2+6КН4К0з+14Н20 (1.3) Синтез ТеКФ проводили по реакции 1.4, рН поддерживали на уровне 6-7, добавлением N114011.:

4Са(Ж)з)2 4Н20-2(ЫН4)2НР04-4ЫН40Н^Са4(Р04)20Н-8ЫН4Ы0^-19Н20 (1.4) ТКФ и ТеКФ твердофазным методом получали смешением порошков СаНРО4 и СаСО3 в стехиометрических количествах, согласно уравнениям реакций 1.5 и 1.6:

2СаНРО4+ СаСОз 1300 „ Саз

14001

2СаНР04+ 2СаСОз-> Са4

Карбонат кальция перед смешиванием подвергали термообработке при 450 °С в течение 2 часов. Порошки смешивали в шаровой мельнице в течение 1 часа без мелющих тел. Смесь в уплотненном состоянии подвергали обработке в электропечи при 1=1400°С в течении 1 часа.

Было выявлено влияние химической и термической предыстории ТКФ и ТеКФ на их реакционную способность. Установлено, что реакционная способность и фазовый состав фосфатов кальция, полученных твердофазным и жидкофазным методом различны. В соответствии с

данными РФА показано, что ТКФ, полученный по жидкофазному синтезу содержит значительное количество Р-Саз(Р04)2, который является менее растворимым и менее активным по сравнению с а-Са3(Р04)2. ТКФ, синтезированный по твердофазному синтезу преимущественно состоит из а-Са3(Р04)2, но также содержит до 30 % фазу Р-Са3(Р04)2. Применение твердофазового метода синтеза также не позволяет получать 100 % чистую высокотемпературную модификацию а-ТКФ, даже при резком охлаждении. В этом случае образуется до 20 % низкотемпературной формы ß-ТКФ. Цементные смеси на основе ТКФжф и ТКФтвф обладали низкой гидравлической активностью.

Порошки ТеКФ полученные по жидкофазному и твердофазному методам синтеза в соответствии с данными РФА полиминеральны и содержат наряду с искомой фазой ТеКФ фазу гидроксиапатита (ГА), при этом в образцах ТеКФтвф пики ГА характеризуются меньшей интенсивностью, в сравнении с образцами ТеКФ жф. Была установлена различная реакционная способность обоих порошков. Так, ТеКФтвф при затворении дистиллированной водой обладал реакционной способностью, в то время, как порошки ТеКФжф плохо схватывались и не обеспечивали формирования прочного цементного камня. Мы предполагаем, что под действием влаги воздуха на поверхности частиц ТеКФ образуется слой ГА, который за счет низкой растворимости препятствует проникновению воды к частице ТеКФ, снижает его реакционную способность и ингибирует образование цементного камня. Поэтому, для получения гидроксиапатитовых цементов подходит ТеКФ полученные по твердофазовому синтезу. Также мы исследовали старение ТеКФ, т.е. способность сохранять свои вяжущие свойства в течение длительного периода времени. Для этого в состав ТеКФ вводили замедлитель схватывания - цитрат натрия в количестве до 10 масс.%. Установлено, что порошки ТеКФ без цитрата натрия уже через 7 сут адсорбируют влагу воздуха на поверхности с образованием слоя апатита в сравнении с порошками ТеКФ+цитрат натрия, фазовый состав которых до 28 сут был представлен только фазами ТеКФ и Na3C6H5O7.

На втором этапе работы на основании синтезированных фосфатов кальция были получены кальций-фосфатные цементы структуры апатита переменного состава с отношением Са/Р от 1.33 до 2. В данном исследовании изучали влияние отношения Са/Р на свойства цементов.

Цементы получали в соответствии с реакциями 2.1-2.6:

• Са4

• Са4

• 2Са4

• Са4

• 3Са4

Фазовый состав данных цементов представлен преимущественно фазой ГА. Исследование данных цементных систем выявило следующую зависимость: с повышением отношения Са/Р продукта реакции от 1,33 до

стехиометрического 1,67, в ряду реакций 2.1-2.5 уменьшается водопотребность смеси и повышается прочность цементного камня. Дальнейшее повышение отношения Са/Р>1,67, реакции 2.5-2.6, способствует повышению водопотребности и снижению прочности цемента, На основании полученных результатов было решено в дальнейшем исследовать влияние вида и концентрации компонентов на свойства ГА цементов с отношением Са/Р=1,67.

На третьем этапе изучали влияние жидкости затворения на свойства конечного продукта. В качестве затворяющей жидкости использовали дистиллированную воду, лимонную кислоту (с = 5 г/л), цитрат натрия (с = 5 г/л). Исследование проводили для на системах 3.1.и 3.2:

• Са4

• 2Са4

Было установлено, что вне зависимости от вида применяемой жидкости затворения рН цементного камня больше 9. Это можно объяснить высокой основностью рассматриваемых цементных систем. При затворении лимонной кислотой цементная смесь схватывалась в течение нескольких секунд. С повышением концентрации раствора лимонной кислоты скорость схватывания увеличивается, что обусловлено типом химической реакции -кислотно-основным. Наиболее высокие прочностные характеристики получили при использовании в качестве затворяющей жидкости раствора цитрата натрия. Так прочность на сжатие на первые сутки для системы 3.2 составляет 6,85 МПа, а для системы 3.1 -3,27 МПа. Важной характеристикой цементного теста является пластичность. При затворении цементных систем водой и раствором лимонной кислоты тесто получается не удобоукладываемым, а при затворении раствором соли лимонной кислоты -пластичное. Поэтому, в качестве затворяющей жидкости в дальнейших исследованиях использовали раствор соли лимонной кислоты, концентрацию варьировали в пределах 0,005-5 г/л. Изменение концентрации соли лимонной кислоты влияло только на пластичность цементного теста, значения пористости и прочности при этом изменялись незначительно.

На четвертом этапе подбирали состав цементной смеси. Исследовали

системы 4.1-4.6:

Са4

2Са4

2Са4

2Са4

Исследования данных систем показали, что рН цементного камня во всех системах больше 9. Наиболее основным является цементный камень, полученный по реакции 4.1, рН которого на 28 сутки составляет 12,55. Установлено, что системы, содержащие МКФМГ обладают более низкими значениями рН в сравнении с системами, содержащими ДКФ. По срокам схватывания практически все системы являются быстросхватывающимися, за исключением последней, которая схватилась в течение 46 минут.

Наиболее высокие прочностные характеристики были установлены в системе 4.1, прочность цементного камня которой на 28 сутки составляет 15 МПа. Таким образом, на основании проведенных исследований было

установлено влияние термической и химической предыстории исходных фосфатов кальция на свойства цементов, и, в качестве основного компонента систем был выбран ТеКФтвф. Изучение влияния отношения Са/Р на свойства цементов выявило, что оптимальными физико-механическими свойствами обладают цементы с Са/Р=1,67. Было изучено влияние вида и концентрации затворяющей жидкости на свойства цементов и выявлено, что в качестве жидкости затворения целесообразно применять растворы цитрата натрия. Из изученных систем наиболее перспективной является ТеКФ+ДКФ+СаО. На основании выявленных закономерностей возможна разработка медицинских кальций-фосфатных цементов, предназначенных для применения в травматологии в виде цементных паст, а также для изготовления на их основе имплантатов холодного твердения.

Библиографические ссылки:

1. Лукина, Ю.С. Инъекционный биорезорбируемый кальцийфосфатный цемент для ортопедии и травматологии/ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва: Автореферат диссертации на соискание степени к.т.н.-2010.-19с.

2. Баринов, С.М. Цементы на основе фосфатов кальция для медицинского применения / С.М. Баринов, В.С. Комлев, А.Н. Гурин, И.В. Фадеева, Н.В.Бакунова, А.С. Фомин.- Нанотехнологии в онкологии: Тез. док.- М., 2010. - С.3-13

УДК 666.3-127.615.46

Е.Ю. Никитина, Б.И. Белецкий, Н.В. Свентская

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И РЕЖИМА СПЕКАНИЯ ОБЪЕМНЫХ АПАТИТО-СИЛИКАТНЫХ ИМПЛАНТАТОВ ДЛЯ КОСТНОПЛАСТИЧЕСКОЙ ХИРУРГИИ

Изучен процесс порообразования в апатито-силикатных композитах БАК-1000 и БАК-РД. Определены составы порошковых смесей и температурно-временные режимы их спекания, обеспечивающие формирование изделий с равномерной поровой структурой.

The process of porous formation of apatito-silicate composites BAK-1000 and BAK-RD is studied. Composition of powder mixes and the turno-time modes of their sintering to formation of products with uniform pore structure are defined.

Биоактивные силикатные стекла получают в системах R2O-RO-SiO2, R2O-RO-SiO2-P2O5, где R2O: Na2O, K2O, RO: CaO, MgO, с целью придания специфических биологических свойств в состав стекла вводят Fe2O3, ZnO, CaF2, MnO, AgO, Al2O3, B2O3, TiO2, ZrO2, M2O3 (M=La, Y, In, Ga). Под действием водных растворов в среде организма на поверхности биоактивных стекол образуются слои гибких силикагелей, участвующие в