Биоматериал на основе гидроксиапатита
BIOMATERIAL BASED ON HYDROXYAPATITE

Изобретение относится к области биологически активных фармацевтических и медицинских материалов, которые могут быть использованы в хирургии при восстановлении и лечении костной ткани и ортопедической стоматологии и в качестве носителя биологически активных веществ.
Известен композиционный костно-керамический имплантат, содержащий пористый керамический носитель на основе оксид циркония - оксид алюминия, на носитель нанесен слой гидроксиапатита (ГАП), обогащенный тромбоцитами плазмы. Материал относится к медицине, в частности к травматологии, ортопедии, регенеративной медицине, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии для восстановления структуры и функции костной ткани (патент RU 2542496; МПК A61L 27/54, A61L 27/04, A61L 27/10; 2015 год).
Однако к недостаткам известного материала относится использование керамического носителя на основе оксид циркония - оксид алюминия, который не является биологически резербируемым материалом и как инородное тело останется в организме, не замещенное костной тканью.
о
2
2
3
Известен биоматериал на основе гидроксиапатита, содержащий 15÷30 мас.% порошковой смеси оксида циркония и оксида алюминия, взятых в соотношении 1:1. При этом прочность материала, предварительно отожженного при высоких температурах (выше 1000С), составляет 12÷91 МПа (I. Mobasherpour,M. Solati Hashjin, S.S. Razavi Toosi, R. Darvishi Kamachali “Effect of the addition ZrO-AlO on nanocrystalline hydroxyapatite bending strength and fracture toughness”, Ceramic International 35, 2009, p.p. 1569-1574).
Недостатком известного материала являются его низкие механические характеристики, обусловливающие нежелательность его использования в ортопедии: при восстановлении дефектов костной ткани, для формирования новой костной ткани взамен удаленной, для заполнения полостей костной ткани при удалении новообразований костной ткани.
2
2
3
2
2
3
2
2
3
Наиболее близким из известных к предлагаемому техническому решению является биокерамический материал на основе гидроксиапатита, модифицированный тетрагонально-циркониево-поликристаллическим порошком ZrО, частицы которого покрыты  глиноземом (AlO), при содержании компонентов (об.%): ZrО - 10÷15; AlO-20÷30; при этом прочность композита  равна 200÷300 МПа (Young-Min Kong, Sona Kim, and Hyoun-Ee Kim, In-Seop Lee. Reinforcement of Hydroxyapatite Bioceramic by Addition of ZrO Coated with AlO // Journal of the American Ceramic Society, 1999. Vol. 82. No. 11. Рр.2963-2968) (прототип).
Недостатком известного материала являются его невысокие механические характеристики, обусловленные модифицированием матрицы ГАП частицами оксида циркония с покрытием из оксида алюминия, что снижает действие оксида циркония, как упрочняющей модифицирующей добавки. Кроме того, использование модифицирующих частиц с покрытием в виде агломератов нарушает дисперсионное упрочнение.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать биоматериал, обладающий повышенной механической твердостью наряду с сохранением высокой биосовместимости с костной тканью, обеспечивающей пониженную скорость биодеградации при замене и восстановлении костной ткани при различных костных патологиях.
Поставленная задача решена в  биоматериале на основе гидроксиапатита, модифицированного оксидом циркония и оксидом алюминия,  который содержит компоненты при следующем соотношении (мас.%):
гидроксиапати
- 77,5 ÷ 87,5;
оксид циркония
- 2,5 ÷ 7,5;
оксид алюминия
- 10 ÷ 15;
при этом модифицирующие частицы распределены равномерно по всему объему матрицы и имеют размер не более 0,5 мкм.
В настоящее время из патентной и научно технической литературы не известен биоматериал на основе гидроксиапатита, модифицированный оксидом циркония и оксидом алюминия, содержащий компоненты в предлагаемых пределах с равномерным распределением модифицирующих частиц с размером не более 0,5 мкм  по всему объему матрицы.
о
2
3
2
2
3
2
В ходе исследований, проведенных авторами установленно, что использование смеси порошков исходных компонентов в предлагаемых пределах позволяет получить равномерное распределение модифицирующих частиц по всему объему матрицы ГАП, что позволяет получить биоматериал, обладающий равномерной плотной структурой с высокой степенью кристалличности, устойчивой при термообработке ниже 1000С, что, в свою очередь  предотвращает разложение гидроксиапатита с образованием трикальций фосфата, не являющегося полным аналогом минерализованных костных тканей человека. Кроме того, предлагаемые пределы соотношения компонентов позволяет наряду с достижением высоких значений механической твердости увеличить содержание в биоматериале гидроксиапатита, как компонента, имеющего наибольшее сходство с минерализованной костной тканью. При этом при содержании менее 10мас.% AlO и 2.5мас.% ZrО резко возрастает степень разложения ГАП с образованием трикальций фосфата во время термообработки, а при содержании  более 15 мас.% AlO и 7.5мас.% ZrО происходит падение прочности получаемого биоматериала за счет снижения дисперсионного упрочнения, и включения способствуют образованию трещин.
10
4
6
2
2
3
2
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. В вибромельнице  одновременно смешивают с измельчением порошки исходных компонентов гидроксиапатита, оксида алюминия и оксида циркония взятых в соотношении (мас.%): гидроксиапатит – 77,5÷87,5; оксида алюминия – 10÷15; оксид циркония – 2,5÷7,5. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 200-300 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают отжигу при температуре 950±10°С в течение 1-1,5 часов. В результате получают композиционный материал Ca(PO)(OH)- AlO -ZrO в виде мелкозернистого прочного материал с размером частиц менее 0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему ГАП. Материал аттестуют рентгено-фазовым анализом. Микротвердость определяют микротвердомером ПМТ-3М (нагрузка 0,98 Н (100 г), время нагружения – 10 с).
На фиг.1 изображена микроструктура полученного биоматериала (пример 1).
На фиг.2 изображена микроструктура полученного биоматериала (пример 2).
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами:
10
4
6
2
2
3
2,
Пример 1. Берут 77,5 грамм (77,5 мас.%) порошка гидроксиапатита, 15 грамм (15 мас.%) порошка оксида алюминия и 7,5 грамм (7,5 мас.%) порошка диоксида циркония, помещают в вибромельницу с агатовой ступкой и шариком. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 200 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 940°С в течение 1,5 часов. В результате получают композиционный материал (Ca(PO)(OH)-ΑlO -ZrO в виде плотного мелкозернистого прочного материала с  размером частиц менее 0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему ГАП (фиг.1.), характеризующегося микротвердостью 381 МПа.
10
4
6
2
2
3
2,
Пример 2. Берут 87,5 грамм (87,5 мас.%) порошка гидроксиапатита 10 грамм (10 мас.%) порошка и 2,5 грамма (2,5 мас.%) порошка диоксида циркония, помещают в вибромельницу с агатовой ступкой и шариком. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 300 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 960 °С в течение 1 часа. В результате получают композиционный материал (Ca(PO)(OH)-ΑlO-ZrO в виде плотного мелкозернистого прочного материала с  размером частиц менее 0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему ГАП (фиг.2.), характеризующегося микротвердостью 378 МПа.
Таким образом, авторами предлагается биоматериал материал, обладающий повышенной механической твердостью наряду с сохранением высокой биосовместимости с костной тканью,