Способ получения пористого биокерамического волластонита
METHOD FOR PRODUCING POROUS BIOCERAMIC WOLLASTONITE

Изобретение относится к области биологически активных керамических медицинских материалов и может быть использовано в имплантационной хирургии, в травматологии, ортопедии стоматологии и других областях медицины для восстановления, замещения и реконструкции поврежденных твердых тканей в живом организме в ходе хирургического лечения переломов и дефектов костной ткани для обеспечения внутреннего остеосинтеза, при протезировании и изготовлении искусственных костей.
Для костных имплантатов, применяемых в имплантационной хирургии, нужны биосовместимые и биологически активные, притом обладающие достаточной механической прочностью материалы. Иерархически пористая конструкционно прочная керамика является матрицей для врастания костной ткани при остеоинтеграции - восстановлении целостности утраченных тканевых структур в живом организме в присутствии имплантата, при этом ее прочность должна быть оптимальной для равномерного распределения механической нагрузки между настоящей и искусственной костью для исключения вероятности разрушения костной ткани. Глубина прорастания костной ткани в имплантат и, соответственно, интенсивность остеоинтеграции зависит, в первую очередь, от размера, количества и степени взаимосвязанности пор в имплантате.
Таким образом, для практической биомедицины необходима устойчивая к нагрузкам керамика с иерархическим распределением пор (кроме пор размером 100-135 мкм, которые отвечают за прорастания костной ткани и сосудов, требуется также наличие субмикронных и наноразмерных пор, соизмеримых по размеру с протеинами плазмы крови эффективной остеогенных клеток).
Волластонитовая керамика по типу химической связи близка к неорганическому матриксу кости, не оказывает токсического воздействия на организм, коррозионно устойчива, термически стабильна, химически инертна или биологически активна в условиях длительного пребывания в биоорганических средах.
2
Известен способ получения обладающего высокой прочностью (3,8-4,2 кг/мм) и открытой сквозной пористостью (150-250 мм) пористого материала, для костного имплантата (RU 2108069, опубл. 1994.04.10), согласно которому для стабильности химического состава и исключения влияния вредных для живого организма примесей гидроксиапатит (ГАП) и волластонит получают из химически чистых компонентов, затем смешивают их с глицерином качестве связующего и прогревают при 250-300°С в течение 40-60 мин, после чего полученную массу подвергают обжигу при 1200-1250°С в течение 60-120 мин и охлаждают до комнатной температуры. Однако известный способ не обеспечивает достаточно высокого качества получаемого керамического материала, поскольку высокая температура термообработки приводит к нарушению микроструктуры керамики, деструкции пористого объема и росту зерна, при этом ГАП при температуре выше 1000°С становится нестабильным.
2
2
5
2
3
2
2
Известен керамический биоактивный материал для остеосинтеза (RU 2105529, опубл. 1998.02.27) с пористостью 20-60% при диаметре пор 30-300 мкм, включающий волластонит, гидроксиапатит и стеклофазу при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: гидроксиапатит 10-40, стеклофаза 0-10, волластонит - остальное, при этом используют стекло состава, мас. %: 50-72 SiO; 3-8 СаО; 3-6 PO; 14-18 AlO; 0,1-3 MgO; 7-12 KO; 1-3 NaO. Для получения известного материала исходные волластонит с волокнами длиной 0,1-0,5 мм, гидроксиапатит и стекло с размером частиц <60 мкм перемешивают в смесителе до гомогенной массы, добавляют жидкое связующее, например, раствор крахмала (до влажности массы 6-9%), после повторного перемешивания выдерживают полученную реакционную массу в течение суток в эксикаторе. Затем прессуют из нее образцы заданной формы при удельном давлении прессования 5-25 МПа, высушивают в сушильном шкафу до остаточной влажности менее 1% и спекают в электрической печи со скоростью нагрева 2-5°С/мин до температуры 1200-1380°С с выдержкой при конечной температуре 0,5-2,0 ч. Термообработка при указанной температуре приводит к нарушению микроструктуры спекаемого материала, уменьшению его пористости, к изменению свойств гидроксиапатита, при этом сохраняющееся содержание фосфора и кальция в материале не является доказательством сохранения его структуры.
Известен способ получения кальцийфосфатной пористой биокерамики на основе гидроксиапатита и минерала игольчатой формы, в качестве которого используют волластонит (RU 2225380, опубл. 2004.03.10), включающий подготовку шихты, содержащей, масс. %: 5-55 тонкодисперсного гидроксиапатита, 40-95 воластонита игольчатой формы с длиной кристаллов 0,3-1,0 мм, 0-20 легкоплавкого стекла, перемешивание и формование изделия методом полусухого прессования (влажность 5-7%). Полученные изделия, помещенные на пористую либо дисперсную кварцевую подложку, сушат и обжигают при 1150-1400°С с выдержкой при конечной температуре 0,5-2,5 ч. Пористая структура известной керамики образуется за счет расплавления при нагревании и вытекания маловязкой составляющей. Образование жидкой фазы зависит от температуры, ее количество в ходе обжига изменяется и не обеспечивает при вытекании формирования достаточно равномерной и стабильной пористой структуры. Кроме того, термообработка при высокой температуре приводит к тому, что часть пор, в том числе сквозных закрывается, укрупняется зерно получаемой керамики, становится нестабильным гидроксиапатит, что в целом препятствует формированию биокерамики с высокими биологически активными свойствами, механическая прочность которой сохраняется только благодаря жесткости каркаса из кристаллов волластонита.
3
2
2
2
Наиболее близким к заявляемому является способ получения биологического материала, содержащего волластонит и β-трикальцийфосфат (TCP - tricalcium phosphate) (CN 1171644, опубл. 2004.10.20), включающий приготовление аморфной смеси исходных компонентов и ее последующее спекание. Упомянутую смесь получают из растворов, содержащих гидратированный силикат натрия либо кремнезем в качестве источника кремния и Са(NO), CaCl или Са(ОН) в качестве источника кальция при заданных значениях концентрации и рН, с добавлением соответствующего количества β-трикальцийфосфата. После тщательного перемешивания реакционной смеси отделяют полученный в результате химического соосаждения осадок, содержащий гидратированный силикат кальция, промывают дистиллированной водой и этанолом, сушат при 80-120°С в течение 12-24 ч, после чего прокаливают при 800-900°С в течение 2-5 часов с получением дисперсного композита, содержащего волластонит и β-TCP, который гранулируют и формуют прессованием, затем спекают при температуре 1300-1400°С без давления в атмосфере воздуха в течение 2-5 часов с получением биокерамического волластонита с кальцийфосфатной биологически активной добавкой.
Известный способ включает сложную последовательность операций, является трудоемким, энергоемким и длительным. Значительные затраты времени связаны с необходимостью тщательной подготовки аморфного композита, от гомогенности пористой структуры которого существенно зависит качество получаемой биокерамики, а также с двукратной сушкой, в общей сложности занимающей до двух суток, и с двукратной, причем продолжительной, термообработкой. Термическое воздействие при 1300-1400°С нарушает тонкую структуру получаемой керамики, при этом наблюдается деструкция пористого объема и рост зерна, ухудшаются биологически активные свойства керамики. Кроме того, основным свойством трикальций фосфата в качестве компонента, повышающего биологическую активность материала для протезирования, является способность к резорбции и замещению регенерирующими тканями. Способность к поверхностному связыванию с тканью (биоактивной фиксации), крайне важная при протезирования, у него, в отличие от гидроксиапатита, выражена слабо.
Задачей изобретения является создание способа получения равномерно пористой прочной кальцийфосфатной биокерамики на основе волластонита кристаллического типа с высокими биологически активными свойствами.
Технический результат способа заключается в повышении прочностных качеств кальцийфосфатной биокерамики на основе волластонита за счет увеличения гомогенности ее пористой структуры, в усилении ее биологически активных свойств за счет снижения температуры и сокращения времени термического воздействия на обрабатываемый материал при одновременном уменьшении затрат времени и трудозатрат на осуществление способа.
Указанный технический результат достигают способом получения пористого биокерамического волластонита, включающим приготовление аморфного композитного материала на основе гидратированного силиката путем соосаждения из кальций- и кремнийсодержащих растворов с соответствующим количеством биологически активной кальцийфосфатной добавки, прессование и спекание полученного осадка после его промывания, в котором, в отличие от известного, аморфный композитный материал, содержащий аморфную смесь дисперсного гидратированного силиката кальция и гидроксиапатита, получают золь-гель методом с применением латексного темплата, прессование при значении давления прессования 24-25 МПа проводят в вакууме одновременно со спеканием, при этом спекание осуществляют при помощи электроимпульсного разогрева со скоростью 160-170°С/мин до температуры 800-900°С с выдержкой при достигнутой температуре в течение 4,5-5,0 мин, электроимпульсный разогрев осуществляют в режиме низковольтных импульсов при силе тока 470-500 А и напряжении 1,9-2,0 В, после спекания полученной биокерамике дают остыть, затем нагревают ее в атмосфере воздуха со скоростью 4,5-5,0°С/мин до 800-850°С и выдерживают при достигнутой температуре в течение 4,5-5,0 мин.
Способ осуществляют следующим образом.
Получение волластонитовой керамики с кальцийфосфатной добавкой проводят в две последовательные стадии: 1) золь-гель синтез аморфного композитного материала на основе гидратированного силиката кальция в смеси с гидроксиапатитом (ГАП) с использованием латексного темплата; 2) консолидация полученного композитного материала по технологии искрового плазменного спекания (ИПС) в вакууме при механической нагрузке и удаление темплата.
2
2
3
Для получения аморфного композита к водному раствору силоксан-акрилатного латекса при интенсивном перемешивании приливают несколькими порциями расчетные количества раствора хлорида кальция CaCl и раствора метасиликата натрия NaSiO, перемешивают реакционную смесь в течение 2,5-3,0 часов при 90-100°С с получением густого геля. К остывшему до комнатной температуры гелю приливают отмеренные количества 1М раствора хлорида кальция и 1М раствора гидрофосфата аммония, перемешивают в течение не менее 1 часа.
Исходные компоненты берут в расчетных количествах в соответствии со стехиометрическими соотношениями следующих уравнений реакции:
3
В результате, согласно уравнениям (1) и (2), получают гель, содержащий аморфную смесь дисперсного гидратированного силиката кальция (химический состав CaSiCO) и гидроксиапатита при массовом соотношении 5:1; отфильтровывают, промывают дистиллированной водой до отрицательной реакции на хлорид ионы и сушат 4,5-5,0 часов при 90-95°С.
Выделенный аморфный материал подвергают термообработке в вакууме с в условиях скоростного электроимпульсного разогрева до температуры 800-900°С с выдержкой при достигнутой температуре в течение 4,5-5,0 мин. Скорость разогрева - 160-170°С/мин. Обработку осуществляют в режиме низковольтных импульсов при силе тока 470-500 А и напряжении 1,9-2,0 В.
Для обеспечения высокой плотности и механической прочности консолидируемого материала термическое воздействие на обрабатываемый образец осуществляют при постоянном в течение всего процесса давлении прессования 24,0-25,0 МПа.
С целью удаления темплата полученной биокерамике дают остыть, затем нагревают ее в атмосфере воздуха со скоростью 4,5-5,0°С/мин до 800-850°С и выдерживают при достигнутой температуре в течение 4,5-5,0 минут.
Высокоскоростной электроимпульсный разогрев реакционной смеси в условиях предлагаемого способа под давлением прессования инициирует твердофазную реакцию в консолидируемом материале с образованием фактически нового продукта: быстрый фазовый переход дисперсного аморфного материала в кристаллическую модификацию приводит к формированию волластонита с иерархически пористым и конструкционно прочным керамическим каркасом.
Равномерное введение порообразующего коллоидного темплата в объем гидратированного композита в процессе золь-гель синтеза обеспечивает последующее гомогенное формирование пор в объеме получаемой керамики. Синтез гидроксиапатита через золь-гель процесс, также позволяет достигать его равномерного распределения в составе получаемого волластонита, что также повышает прочность пористого керамического изделия.
Примеры конкретного осуществления способа
2
3
2
2
2
4
2
4
⋅
Для синтеза силиката кальция в качестве основных прекурсоров были использованы гидратированный метасиликат натрия NaSiO5HO, кальций хлористый CaCl⋅2HO, гидрофосфат аммония (NH)HPO (все реактивы марки «хч»). В качестве порообразующего темплата применяли промышленный силоксан-акрилатный латекс КЭ 13-36 с содержанием твердой фазы 50% и средним размером частиц 160 нм производства ООО «Астрохим» (г.Электросталь).
2
2
4
2
4
К 150 мл водного раствора силоксан-акрилатного латекса (соотношение латекс : вода 1:30) при интенсивном перемешивании несколькими порциями приливали 50 мл 1.0 М раствора хлорида кальция и 50 мл 1.0 М раствора метасиликата натрия. Полученную реакционную смесь перемешивали в течение 3 часов при 100°С. К образовавшемуся гелю после его охлаждения до 24°С прилили 16,6 мл 1,0 М раствора CaCl⋅2HO и 10 мл 1,0 М раствора (NH)HPO, перемешали на магнитной мешалке в течение 1 часа при той же температуре. Полученный гель отфильтровали, промыли дистиллированной водой до отрицательной реакции на хлорид ионы и сушили 5 часов при 90°С.
Порошок полученного композитного материала (фракция 0,1-0,5 мм) в количестве 3 г засыпали в графитовую пресс-форму диаметром 15,5 мм, подпрессовали при давлении 20,7 МПа. Заготовку поместили в вакуумную камеру (давление 6 Па) и подвергли спеканию. Для предотвращения припекания порошка к пресс-форме и плунжерам, а также для легкого извлечения полученного компаунда использовали графитовую фольгу толщиной 200 мкм. Пресс-форму оборачивали в теплоизолирующую ткань для снижения теплопотерь при разогреве.
Высокоскоростной разогрев обеспечивали в условиях низковольтных импульсов, генерируемых в режиме «вкл/выкл» с периодичностью 12/2, с длительностью пакета импульсов 39,6 мс и паузой между пакетами 3,3 мс. В течение всего процесса спекания температуру контролировали с помощью оптического пирометра, сфокусированного на отверстии, расположенном на середине внешней стенке пресс-формы при заглублении 5,5 мм.
Пример 1
Максимальная сила тока при спекании составляла 500 А, напряжение 2,0 В.
Температуру спекания повышали со скоростью 170°С/мин до 900°С и выдерживали спекаемый образец при этой температуре в течение 5,0 мин, при этом давление прессования при спекании было постоянным - 24,0 МПа.
Охлажденный до комнатной температуры спеченный образец с целью удаления темплата нагревали в атмосфере воздуха со скоростью 4,5°С/мин до 850°С и выдерживали при достигнутой температуре в течение 5,0 мин.
Пример 2
Получение пористого биокерамического волластонита осуществляли по примеру 1, при этом максимальная сила тока при спекании составляла 470 А, напряжение 1,9 В.
Температуру спекания повышали со скоростью 160°С/мин до 800°С и выдерживали спекаемый образец при этой температуре в течение 4,5 мин, при давлении прессования 25,0 МПа.
После спекания охлажденный до комнатной температуры образец нагревали в атмосфере воздуха со скоростью 5,0°С/мин до 800°С и выдерживали при достигнутой температуре в течение 4,5 мин.
Идентификацию кристаллических фаз в исходных порошках и спеченных образцах проводили с помощью рентгенофазового анализа (CuKα-излучение) на многоцелевом рентгеновском дифрактометре D8 Advance Bruker AXS (Германия).
Дифрактограммы исходного композитного материала и керамических образцов на его основе, полученных предлагаемым способом с помощью высокоскоростного электроимпульсного разогрева при различной температуре спекания, показаны на фиг. 1. Как видно, фазовый состав образцов представлен кристаллической модификацией волластонита в смеси с ГАП, который остается неизменным при температуре спекания до 900°С, а также после дополнительной термообработки на воздухе при 800°С.
Удельную поверхность определяли на анализаторе низкотемпературной адсорбции азота приборе AutosorbIQ фирмы Quantochrome (США), для расчета результатов применяли модель БЭТ. Распределение пор по размерам определяли на ртутном поромере AutoPore IV MicromeriticsGmbH (США).
Механическую прочность образцов цилиндрической формы (диаметр 15.3 мм и высотой 3-6 мм) определяли путем раздавливания со скоростью 0.5 мм/мин на разрывной машине AutographAG-Xplus 100 kNShimadzu (Япония).
Изображения структуры исследуемых материалов были получены методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на приборе Carl Zeiss Ultra 55 (Германия).
уд
сж
уд
2
3
Получен пористый (S=8,56-12,7 м/г) биокерамический материал на основе волластонита, содержащий 20 масс. % гидроксиапатита, обладающий высокой конструкционной прочностью (σ=201,1-393,2 МПа) и плотностью (ρ=2,75-2,86 г/см).
Термическое воздействие, которое сопровождается удалением несвязанной воды, разложением порообразующего темплата и образованием кристаллического волластонита из силиката кальция (ксонотлита) аморфной модификации), отражается на динамике спекания и физико-химических характеристиках образцов.
уд
2
Увеличение температуры спекания керамического композита свыше 700°С приводит к существенному уплотнению образцов и увеличению их прочности (осж). Повышение температуры до 900°С приводит к снижению S до 8,56 м/г, что вызвано прямым спеканием частиц порошка, которое сопровождается деформацией материала, а также удалением из него свободного пористого пространства.
Механическая прочность (фиг. 2) и плотность (фиг. 3) спекаемой керамики увеличиваются прямо пропорционально температуре спекания, при этом механическая прочность при 900°С достигает величины 393,3 МПа
Показанные на фиг. 4 РЭМ изображения свидетельствуют о том, что в ходе термической обработки и активной консолидации образцов при 800-900°С происходит значительное снижение открытой пористости, что согласуется с характеристиками, представленными на фиг. 2 и 3.
Микробиологическое исследование по оценке формирования бактериальной биопленки на поверхности образцов керамики, полученных предлагаемым способом, и образцов волластонита без добавки ГАП с использованием синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa, которая активно формирует биопленки, распространена во внешней среде, и в то же время является одним из ведущих представителей возбудителей инфекционного процесса после хирургических вмешательств, выявило заметную разницу в формировании упомянутой пленки. По результатам РЭМ обнаружена заметная разница в формировании биопленки на исследуемых образцах.
На волластонитной керамике без добавки ГАП (фиг.5а, 5а*) преимущественно наблюдаются отдельно расположенные бактериальные клетки, а также присутствуют отдельные небольшие участки сформированной биопленки. Бактерии (как отдельные, так и в составе биопленки) покрыты плотным слоем внеклеточного полимерного матрикса, защищающего их от воздействия негативных факторов окружающей среды. Адгезивные пили не сформированы. Это свидетельствует об угнетении жизнедеятельности и размножения бактерий и замедлении формирования биопленки.
На керамике, полученной предлагаемым способом, наблюдается объемный слой бактериальной биопленки, содержащий большое количество матрикса с четко различимыми адгезивными пилями.
Слой является толстым и достаточно рыхлым за счет структуры матрикса и отпочковывающихся планктонных форм бактерий, что является признаком зрелости биопленки и активности ее распространения. Это косвенно подтверждает повышенную биосовместимость тестируемого образца. Однако при этом следует учитывать, что при такой бактериальной предрасположенности возрастает риск развития инфекционного процесса при применении полученного биокерамического волластонита в импланталогии. Нельзя забывать, что он требует дополнительной процедуры противобактериальной обработки либо нуждается в повышении антибактериальных свойств изделий на основе такой керамики.