Оптимизация состава и режима спекания объемных апатито-силикатных имплантатов для костнопластической хирургии

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

закреплении всех видов биологических молекул, белков и клеток. Продукты резорбции биоактивных стекол оказывают генетический контроль жизнедеятельности остеогенных клеток - способствуют повышению их жизнеспособности и выработке в культуре клеток коллагена, ускоряют формирование остеоида [1, 2], а так же его минерализацию. Другим установленным свойством биоактивных стекол является способность формировать связь не только с костными, но и с хрящевой и мышечной тканями, связками, сухожилиями. На основе биоактивных стекол возможно создание композитов с фосфатами кальция, обладающих различным уровнем растворимости, пористости и скорости связывания с костью.

Целью настоящей работы является разработка составов и технологии получения объемных пористых апатито-силикатных биокомпозиционных материалов для костно-пластической хирургии; установление путей регулирования в них поровой структуры и механических свойств.

В качестве объектов исследований были выбраны биокомпозиты БАК-1000 (биологически активный апатито-силикатный композит с объемной массой

1 г/см3) на основе стекла НС-2А и БАК-РД (регенеративного действия) на основе высокощелочного стекла 50Б25Ш0С5Р.

На первом этапе изучали возможность получения пористых изделий объемом до500 см на основе БАК-1000.

Биокомпозит БАК-1000 внесен в Реестр государственных стандартов России за № 200/017852 и разрешен к серийному производству и медицинскому применению в специализированных клиниках на всей территории РФ. Ранее на его основе были разработаны наборы имплантатов для челюстно-лицевой и нейрохирургии с предельным размером заготовок до 20 см3 [3, 4]. БАК-1000 состоит из стекломатрицы - нейтрального алюмоборо-силикатного стекла НС-2А, состав (здесь и далее масс %): БЮ2

- 73,0, АЬОз - 3,5, В2О3 - 2,5, MgO - 1,0, СаО - 7,0, ^О - 11,0 К2О - 2,0, наполнителя - гидроксиапатита кальция Са1о(РО4)б(ОИ)2 и порообразователя

- карбоната кальция. Соотношение компонентов НС-2А : ГА : СаСО3 находится в пределах: 50-80 : 19-46 : 1-4. Технология изготовления заготовок небольших размеров основана на процессе вспенивания образцов в интервале температур, соответствующих вязко-пластическому состоянию стекла, т.е. при Т=750-8500С в течение 15-60 мин. В данном интервале температур стекломатрица НС-2А не подвергается кристаллизации, процесс спекания протекает по жидкофазовому типу. Ниже Т=7800С отмечается плохое спекание заготовок без вспенивания, а выше Т=8500С - укрупнение пор, снижение объемной массы.

Сложность изготовления изделий больших размеров и объемов на основе БАК-1000 обусловлена следующими причинами: низкая теплопроводность стекла, способствующая неравномерному прогреву заготовки, формированию пониженного градиента температур от поверхностных слоев к центру при нагревании и повышенного градиента температур от поверхностных слоев к центру при охлаждении.

Для оптимизации параметров технологического процесса варьировали следующие параметры: содержание карбоната кальция в порошковой смеси компонентов, режим перемешивания компонентов, укладка порошковой смеси в форму, режим спекания. Было установлено, что при получении объемных образцов необходимо: снижать содержание карбоната кальция до 2-2,5%; проводить двухстадийное смешение компонентов в течение 30-60 мин, при этом на первом этапе происходит смешение, а на втором - увлажнение смеси; в процессе укладки необходимо уплотнять изделие в форме; режим термообработки заготовок многостадийный и представлен на рис. 1.

В отличие от режима одностадийной термообработки изделий малого размера, режим термообработки объемных изделий протекает ступенчато и ограничен предельными температурами вспенивания. При этом, на первом этапе происходит нагрев и выдержка при Тсп=750оС, в течение 20-40 мин, что обеспечивает равномерный прогрев заготовки, формирование воздухонепроницаемой стекловидной пленки (остекловывание) и спекание частиц стекломатрицы и наполнителя. Повышение температуры и выдержка при Т1всп=800оС в течение 40-60 мин способствует дальнейшему протеканию процесса спекания, реакций разложения карбоната кальция и порообразования в поверхностных слоях изделия. Дальнейшее повышение температуры до Т2всп=850оС и выдержка в течение 40-60 мин - объемному вспениванию изделия. Затем проводят стабилизацию поровой структуры путем резкого охлаждения и отжиг заготовки.

Полученные изделия были хорошо спечены, обладали равномерной открытой поровой структурой Поткр=50%, водопоглощением W=40%, размер пор увеличивался от 500-800 мкм в поверхностных слоях до 800-2000 мкм в центральных, прочность на сжатие осж=20 МПа.

Т:°С

Т^ЕСЛ

Т1бсл

Теп

Тер

Т5

Тне

1] Т2Т3 Тд'Сз Т6 I, мин

Рис. 1. Режим термообработки объемных заготовок БАК-1000

Таким образом, нами были отработаны технологические параметры получения объемных биокомпозитов БАК-1000. Показано, что изделия объемом до 500 см полученные по многостадийному режиму термообработки обладали полным комплексом физико-механических и химических свойств, присущих изделиям малых объемов до 20 см3. На

основе данной технологии и аппаратов прототипирования возможно изготавливать цельные имплантаты большой протяженности для восстановления обширных сложных дефектов челюстно-лицевой области.

На втором этапе изучали возможность получения пористых цилиндрических изделий объемом до 20 см3 и изделий объемом до 200 см3 на основе биоактивного стекла 50S25N20C5P и биокомпозита БАК-РД.

Биокомпозит БАК-РД состоит из стекломатрицы 50S25N20C5P состава: 50Si02, 25Na2O, 20CaO, 5P2O5 и наполнителя: кальций-дефицитного гидроксиапатита с Са/Р=1,33-1,65, СадГА, или Р-трехкальциевого фосфата с Са/Р=1,5, Р-ТКФ. Состав композита стекломатрица : наполнитель возможно регулировать в пределах 50-95 : 5-50. Важная особенность биокомпозита БАК-РД - высокощелочная стекломатрица, под действием водных растворов высокодисперсный порошок 50S25N20C5P подвергается гидратации с формированием поверхностных гидратных оболочек силикатов натрия, состава xNa20ySi02mH20, которые обеспечивают склеивание, гидравлическую активность смеси и уплотнение при укладке в формы. За счет образования данных клеющих оболочек из технологического процесса исключаются органические вяжущие, такие как коллаген, поливиниловый спирт и другие, неполное выгорание которых в процессе спекания отрицательно сказывается на биоактивности имплантата. Формирующиеся гидратные оболочки выступают в роли плавня, понижая температуру спекания заготовок и повышая скорость спекания.

По технологическим и эксплуатационным свойствам биокомпозит БАК-РД обладает рядом преимуществ в сравнении с БАК-1000: способен к резорбции в водных средах, обладает выраженной баиоактивностью in vitro: способствует формированию под действием SBF (simulated body fluid) слоев карбонат-апатита в течение 1-2 сут, по механическим свойствам в 2-3 раза превосходит БАК-1000. Технология получения данного материала включает следующие основные этапы: гранулирование порошковой смеси компонентов, прессование, спекание. Однако, предельный объем образцов, полученных по данной технологии не превышает 10-15 см3 [5, 6].

Для изготовления объемных и цилиндрических имплантатов на основе биокомпозита БАК-РД с целью их применения в травматологии была также опробована технология вспенивания на карбонатных порообразователях. Для оптимизации технологического процесса варьировали следующие параметры: вид и концентрацию порообразователя: CaC03, Na2C03, совместного введения CaC03+Na2C03; совместный / раздельный помол стекла с порообразователем; количество увлажняющей жидкости; степень уплотнения порошковой смеси; режим термообработки.

Следовало установить режим спекания и вспенивания стекломатрицы. Сложность порообразования стекла 50S25N20C5P обусловлена следующими причинами: во-первых, в интервале температур разложения карбонатного порообразователя при Т=700-850°С происходит интенсивная кристаллизация стекла, способствующая повышению вязкости в системе и препятствующая порообразованию. Во-вторых, состав стекла обеднен несвязанным Si02, который участвуют в реакции разложения карбонатов.

В результате исследования были определены оптимальные параметры технологического процесса изготовления материала. Установили, что для вспенивания стекла 50Б25№0С5Р пригодны двойные карбонаты, температурный интервал разложения которых соответствует

температурному интервалу спекания стекла, при содержании СаС03 и №2С03 до 5-8%. Раздельное применение данных порообразователей не обеспечивает вспенивания стекломатрицы. Образцы, обладающие открытой поровой структурой с равномерным распределением пор получаются в случае совместного помола стекла с порообразователями. Оптимальное количество воды, необходимое для увлажнения порошковой смеси составляет - 5-15%. Увлажненные порошковые смеси компонентов необходимо уплотнять в формах перед спеканием, при этом, степень уплотнения, отношение объемной массы уплотненной смеси к исходной, 1,2-1,3. Отсутствие увлажнения приводит к тому, что образцы не спекаются даже при Т=900оС и представляют собой закристаллизованный порошковый агломерат. Увеличение увлажнения выше 15%, а также увеличение степени уплотнения выше 1,4 при температуре спекания Т=650-750оС приводит к формированию изделий с пористостью на уровне 25-30% и размером пор 520 мкм. Те же образцы, спеченные при Т=750-900оС, дают усадку до 35 %, и в объеме образца образуются трещины.

Режим термообработки заготовок является многоступенчатый и соответствует режиму спекания биокомпозита БАК-1000. Отличительная особенность режима термообработки стекла состоит в следующем: на первом этапе проводится медленный нагрев до Т=500оС и выдержка при заданной температуре в течение 20-40 мин обеспечивающая протекание термохимической реакции между карбонатами натрия и кальция с образованием бикарбоната. В дальнейшем режим термообработки аналогичен таковому для БАК-1000 и отличается только температурами вспенивания, так Т1всп=850 оС, а Т2всп=900 оС.

Образцы на основе биоактивного стекла 50Б25№0С5Р, полученные при оптимальных технологических условиях обладают открытой поровой структурой, Поткр=38-47%, W=30-40%, поры имеют бимодальное распределение по размерам, при этом крупные 100-500 мкм образованы разложением порообразователя, а мелкие - до 10 мкм - за счет межзерновых пустот. Прочность образцов на сжатие достигает 60 МПа.

На основе установленных оптимальных условий порообразования стекла 50Б25№0С5Р была показана возможность вспенивания композиций с СадГА, соотношение стекломатрица : наполнитель : порообразователи равно 75 : 20 : 5. Образцы характеризуются значениями пористости и водопоглащения на том же уровне, что и для биоактивного стекла - Поткр=32-40%, W=25-30%, размер пор - до 100 мкм, прочность образцов - до 50 МПа. На основе композиций 50Б25№0С5Р и СадГА возможно получение цилиндрических изделий объемом до 20 см3, на основании стекломатрицы без кальций-фосфатных наполнителей возможно получение и цилиндрических образцов и изделий объемом до 200 см3.

В заключение отметим, что в настоящей работе представлены экспериментально установленные технологические условия и температурно-временные режимы получения высокопористых изделий на основе биокомпозита БАК-1000 объемом до 500 см ; условия получения пористых цилиндрических образцов на основе БАК-РД объемом до 20 см3; отработаны условия получения пористых цилиндрических и крупных образцов на основе биоактивного стекла 50S25N20C5P объемом до 200 см . Данные материалы предназначены для изготовления сложных по форме имплантатов для замещения трубчатых и плоских фрагментов костного скелета, а также восстановления сложных 2х и 3-х мерных обширных костных дефектов в челюстно-лицевой хирургии и травматологии.

Библиографические ссылки:

1. Valerio, P. The Effect of Ionic Products from Bioactive Glass Dissolution on 0steoblast Proliferation and Collagen Production / P. Valerio, M. Pereira, A. Goes, F. Leite. - Biomaterials.-2004.-V.25.-P.2941-2948.

2. Xynos, I. Gene-Expression Profiling of Human 0steblasts Following Treatment with the Ionic Products of Bioglass 45S5 Dissolution / I. Xynos, A. Edgar, L. Hench a. o.-Journal of Biomedical Materials Research-2001.-V.55-P.151-157.

3. Патент РФ№ 93050910/14 от 10.11.1993.

4. Патент РФ № 2007119647/15 от 28.05.2007.

5. Патент РФ№ 2010153460 от 28.12.2010.

6. Свентская, Н.В. Силикофосфатные биокомпозиционные материалы с регулируемой поровой структурой для костно-пластической хирургии / РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва: Автореферат диссертации на соискание степени к.т.н.-2011.-16с.

УДК 661.842.455:61

Н.В. Свентская, П.В. Голикова, Ю.С. Лукина, С.П. Сивков, Б.И. Белецкий

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

КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕ ДИКАЛЬЦИЙФОСФАТА ДИГИДРАТА И БИОАКТИВНОГО СТЕКЛА ДЛЯ ОРТОПЕДИИ И ТРАВМАТОЛОГИИ

Исследованы композиции на основе дикальцийфосфата дигидрата и биоактивного стеклаю Изучено влияние давления прессования на пористость, прочность и растворимость полученных композиций. Полученные композиции обладают биосовместимостью, обеспечивают остеоинтеграцию и высокую скорость резорбции.

Compositions on a base dicalciumphosphate dihydrate and bioactive glass are investigated. The influence of pressure of composition on porosity, durability and solubility is studied. The compositions possess biocompatibility, provide osteointegration and high speed of a resorption.