Биокерамические покрытия с высоким содержанием кальция для медицины

Биокерамические покрытия с высоким содержанием кальция для медицины

Г.А. Шашкина, М.Б. Иванов, Е.В. Легостаева, Ю.П. Шаркеев, Ю.Р. Колобов,

И.А. Хлусов1, Н.С. Поженько1, А.В. Карлов1

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Центр ортопедии и медицинского материаловедения ТНЦ СО РАМН, Томск, 634029, Россия

В данной работе представлены результаты разработки и исследований биокерамических кальций-фосфатных покрытий с высоким содержанием кальция. Фазовый, элементный состав и микроструктура были исследованы методами рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии. Механические свойства оценивались по результатам измерений микротвердости, поведению при растяжении и накоплению микропластической деформации. Биологические свойства были определены по стандартным методикам. Исследования показали, что покрытия имеют сложный полифазовый состав на основе кальцийсодержащих соединений. Нанесение Са-Р покрытий повышает эксплуатационные характеристики и придает имплантату биоактивные свойства, что улучшает способность имплантата к интеграции с костной тканью.

Bioceramic coatings with high Ca concentration for medicine

G.A. Shashkina, M.B. Ivanov, E.V. Legostaeva, Yu.P. Sharkeev, Yu.R. Kolobov I.A. Khlusov, N.S. Pozhenko, and A.V. Karlov

The results of development and investigation of bioceramic calcium-phosphate coatings with high concentration of calcium for medicine are given in this paper. Phase and element composition and morphology of calcium-phosphate coatings have been examined by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Mechanical properties have been estimated with using microhardness test, tensile test and fatigue deformation test. Biological properties have been valued by in vitro and in vivo methods. It was concluded that calciumphosphate coatings have polyphase composition which is based on Ca-containing compounds. Calcium-phosphate coatings improve the operating performance and biologic properties of titanium implants, thereby increasing the bone tissue and implant integration ability.

1. Введение

Несмотря на огромный успех в области внешней фиксации переломов, существует проблема расшатывания элементов аппаратов внешней фиксации, связанная с ухудшением границы кость/имплантат. В связи с этим появились металлические имплантаты с покрытиями из разнообразных фосфатов кальция, которые имитируют поверхность костной ткани [1, 2]. Благодаря пористой структуре кальций-фосфатных (Са-Р) покрытий кость врастает в поверхность имплантата и фиксирует его. Формирование на поверхности имплантата Са-Р керамического покрытия придает имплантатам биоактивные свойства, что способствует долговечному соединению протеза с костью [3]. При этом фазовый состав Са-Р покрытий должен быть аналогичен минеральному составу костной ткани. На сегодняшний день

существует множество разнообразных методов формирования Са-Р покрытий на поверхности металлов [4]. Однако наиболее технологичным и все чаще применяемым является микродуговой метод формирования покрытий в водных растворах электролитов [5].

Отметим, что имплантаты с таким покрытием хорошо исследованы и обладают удовлетворительным комплексом необходимых свойств (механических, химических и биологических) [6]. Основными недостатками этих покрытий являются наличие свободного титана в покрытии при формировании его на поверхности титановых имплантатов и чрезвычайно низкое соотношение [Са]2+/[Р04]3- = 0.13, что может отрицательно сказываться на биологических свойствах имплантатов [3]. Для минеральной составляющей естественной кости соотношение [Са]2+/[Р04]3- составляет 1.67. Таким об-

© Шашкина Г.А., Иванов М.Б., Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П., Колобов Ю.Р., Хлусов И.Л., Поженько Н.С., Карлов А.В., 2004

Таблица 1

Характеристики сформированных Са-Р покрытий

Параметр Покрытие

Режим 1 Режим 2

Состав электролита Н3РО4 + гидроксилапатит Н3РО4 + гидроксилапатит + СаСО3

Максимальная толщина покрытия 15-30 мкм 50-80 мкм

Соотношение [Са]2+/ [РО4]3- 0.13 0.45

Фазовый состав СаТ14(Р04)б, Т1Р2О7, Т102, Т1 Са3(Р04)2, СаТ14(Р04)б, Т1Р207, СаТ104

разом, создание и исследование Са-Р покрытий с соотношением [Са]2+/ [РО4]3-, близким к 1.67, является актуальной задачей.

В настоящей работе представлены результаты разработки технологического режима создания Са-Р покрытий с высоким содержанием кальция и результаты исследований полученных покрытий.

2. Материалы и методы

В качестве матрицы был выбран технически чистый титан ВТ1-0 в субмикрокристаллическом состоянии. Субмикрокристаллическое состояние было сформировано методами равноканального углового прессования и многоступенчатого всестороннего прессования со сменой оси деформации. Для создания покрытий использовалась установка микродугового оксидирования, разработанная в ИФПМ СО РАН, со следующими характеристиками: длительность импульса 100 мкс; частота следования импульсов 100 Гц; начальная плотность тока 0.2-0.25 А/мм2; конечное напряжение 300 В.

Покрытия наносились по двум режимам: традиционному (1) и модифицированному (2). Для нанесения Са-Р покрытий по традиционному режиму 1 был использован электролит на основе ортофосфорной кислоты с добавлением гидроксилапатита. В случае модифицированного режима 2 в состав электролита был введен карбонат кальция (СаСО3) с целью увеличения значения соотношения [Са]2+/[Р04]3- и повышения содержания кальция.

Измерения толщины Са-Р покрытий были проведены с помощью вихретокового толщиномера ВТ-1. Фазовый состав Са-Р покрытий был определен методом рентгенофазового анализа. Элементный количественный состав был получен из анализа характеристических спектров рентгеновского излучения. Морфология поверхности была исследована методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Механические свойства оценивались по результатам измерений микротвердости, поведению при растяжении и накоплению микро-пластической деформации при квазистатическом и циклическом нагружениях.

3. Результаты эксперимента и обсуждение

3.1. Фазовый состав Са-Р покрытий

Технологические параметры и некоторые характеристики исследуемых Са-Р покрытий, сформированных по традиционному режиму 1 и модифицированному режиму 2, представлены в табл. 1. Толщина покрытий, в зависимости от режима, варьировалась от 15 до 80 мкм.

Фазовый состав Са-Р покрытий был исследован как непосредственно после формирования покрытий (Т = = 20 °С), так и после обжига композита субмикрокрис-таллический Т1 - Са-Р (Т = 200 °С, 2 часа). Расшифровка полученных дифрактограмм указывает на то, что Са-Р покрытия (Т = 20 °С) находятся в рентгеноаморфном состоянии, т.е. размер кристаллитов не превышает 600 нм. На данных дифрактограммах присутствуют только линии а-титана. Идентифицировать кристаллическую составляющую Са-Р покрытий не удалось. Возможно, это обусловлено пористостью, малым объемом кристаллической фазы и/или незначительными размерами кристаллитов в исследуемых Са-Р покрытиях.

Рентгенофазовый анализ, проведенный в СоК^-из-лучении, образцов, подвергнутых обжигу, показал, что в ходе обжига в Са-Р покрытиях протекают процессы кристаллизации фаз и роста кристаллов. Основной фазой Са-Р покрытий, сформированных в режиме 1, является двойной фосфат титана-кальция СаТ14(РО4)6. В состав также входят пирофосфат титана Т1Р2О7 и диоксид титана ТЮ2 в модификациях анатаза и рутила. Помимо этого на дифрактограмме идентифицируются линии свободного а-титана. Присутствие а-титана, по мнению ряда исследователей [4], может нежелательно сказаться на биологических свойствах покрытия.

В ходе обжига в Са-Р покрытии, нанесенном в режиме 2, формируется полифазовый состав: трикальций-фосфат Са3(РО4)2 в Р-модификации (Р-ТКФ), двойной фосфат титана-кальция СаТ14(РО4)6, титанат кальция СаТЮ4 и пирофосфат титана Т1Р2О7. Согласно данным расшифровки дифрактограммы, свободный а-титан в исследуемом Са-Р покрытии отсутствует. Согласно [4], структура Са3(РО4)2 аналогична ранней структуре минерализующейся кости, и, следовательно, Р-ТКФ обладает высокой биосовместимостью с живым организмом.

Таким образом, в состав Са-Р покрытия, нанесенного по модифицированному режиму 2, входят три каль-

Таблица 2

Элементный состав исследуемых покрытий

Композит Элемент, вес. %

О Са р Т1

Субмикрокристаллический Т1 + + Са-Р покрытие (режим 1) 88.0 1.9 6.5 3.6

Субмикрокристаллический Т1 + + Са-Р покрытие (режим 2) 86.7 3.4 6.6 3.3

цийсодержащих фазы (Са3(РО4)2, СаТ14(РО4)6, СаТ1О4), в то время как Са-Р покрытия, нанесенные по традиционному режиму 1, содержат всего лишь одну фазу (СаТЦРО^).

3.2. Элементный состав Са-Р покрытий

В таблице 2 приведены результаты анализа спектров характеристического рентгеновского излучения исследуемых покрытий, сформированных по режимам 1 и 2 на поверхности субмикрокристаллического титана.

Из таблицы 2 видно, что содержание кальция в Са-Р покрытиях, сформированных в режиме 2, практически в 2 раза выше, чем в Са-Р покрытиях, сформированных в режиме 1. В то же время, содержание титана в исследуемых Са-Р покрытиях приблизительно одинаково для обоих режимов. Вероятно, свободный титан, присутствующий в Са-Р покрытии, сформированном в режиме 1, перешел в связанное состояние при формировании покрытия в режиме 2. Следует также отметить, что содержание фосфора в исследуемых Са-Р покрытиях также приблизительно одинаково. Таким образом, более высокое содержание кальция в Са-Р по-

крытиях, сформированных в режиме 2, должно благоприятно сказываться на биологических свойствах данного композита.

3.3. Морфология Са-Р покрытий

На рис. 1-4 приведены РЭМ-изображения поверхности композита «субмикрокристаллический титан -Са-Р покрытие», сформированного по традиционному режиму 1 (рис. 1, 2) и модифицированному режиму 2 (рис. 3, 4). Из микрофотографий видно, что Са-Р покрытия формируются слоями, которые соединены между собой перемычками, и частично объединенными сквозными порами. Основные элементы структуры Са-Р покрытий, нанесенных по обоим режимам, — сфе-ролиты, размер которых составляет 5-10 мкм. Кроме того, Са-Р покрытия обладают достаточно развитой пористостью; поры, в основном, находятся в сферолитах (рис. 2), имеют округлую форму и не связаны между собой.

Помимо сферолитов в покрытиях присутствуют обломочные фрагменты структур, наличие которых свидетельствует о том, что в ходе формирования покрытия

Рис. 2. Са-Р покрытие на субмикрокристаллическом титане, режим 1

Рис. 4. Са-Р покрытие на субмикрокристаллическом титане, режим 2

одновременно в микроплазменных разрядах протекают как процессы синтеза новых фаз, так и процессы осаждения соединений из объема электролита.

Структура Са-Р покрытий, сформированных на суб-микрокристаллическом титане как по традиционному режиму 1, так и в модифицированном режиме 2, аналогична. Однако Са-Р покрытия, нанесенные по режиму 2, более равномерны по толщине, однородны и обладают более развитой пористостью. Кроме того, в этих покрытиях чешуйчатых элементов больше, чем сферо-литов (рис. 4), а также отсутствуют сквозные поры, что должно благоприятно сказаться на биологических свойствах данного композита.

Таким образом, исследования методом растровой электронной микроскопии показали, что Са-Р покрытия, сформированные как в режиме 1, так и в режиме 2, имеют очень развитый пористый рельеф и по своей структуре аналогичны. Необходимо отметить, что СаР покрытия не имеют трещин, что положительно сказывается на механических свойствах композитов.

3.4. Механические свойства композитов «субмикро-кристаллический титан - Са-Р покрытие»

Исследование микротвердости показало, что нанесение Са-Р покрытий по режиму 2 несколько повышает микротвердость материала с 9 800 МПа (Са-Р покрытие, режим 1) до 10200 МПа (Са-Р покрытие, режим 2). Нанесение Са-Р покрытий повышает сопротивление микропластической деформации при циклическом нагружении, о чем свидетельствуют проведенные усталостные исследования субмикрокристаллического титана с нанесенными на них Са-Р покрытиями [2, 5]. Испытания на растяжение показали, что нанесение Са-Р покрытий на поверхность субмикрокристаллического титана не ухудшает его прочностные характеристики. Первые трещины в Са-Р покрытиях при испытаниях на растяжение появляются при деформации 0.5 %, что свидетельствует об удовлетворительной пластичности самих Са-Р покрытий.

Проведенные биологические исследования показали, что Са-Р покрытия являются биологически совместимыми и биоактивными. Кроме того, Са-Р покрытия, сформированные в режиме 2, способны инициировать рост костной ткани на своей поверхности в тесте экто-лического костеобразования.

4. Заключение

Таким образом, нанесение на поверхность субмикрокристаллического титана Са-Р покрытий микродуго-вым методом в модифицированном режиме 2 значительно повышает его эксплуатационные свойства, что продлевает срок службы имплантата в целом. Модифицированный режим 2 микродугового нанесения позволяет формировать Са-Р покрытия с повышенным содержанием кальция. Исследование фазового состава полученных Са-Р покрытий методом рентгенофазового анализа показало, что соотношение [Са]2+/ [Р04]3 для покрытия, сформированного по режиму 2, возросло более чем в 2 раза по сравнению с Са-Р покрытием, нанесенным по режиму 1. Кроме того, полученные Са-Р покрытия не содержат свободный а-титан, что положительно сказывается на биологических свойствах имплантата.

Формирование на поверхности субмикрокристалли-ческого титана Са-Р покрытия в модифицированном режиме 2 придает композиту биоактивные свойства, улучшает способность титанового имплантата интегрироваться клетками костного мозга, способными формировать костную ткань на поверхности покрытия.

Работа выполнялась при финансовой поддержке по Программе Президиума РАН «Фундаментальные науки — медицине», проект 11.1.

Литература

1. Medical applications of titanium and its alloys: the material and biological issues. - American Society for Testing and Materials, USA, 1996. - P. 163-178.

2. Сагымбаев E.E., Колобов Ю.Р., Кашин О.А., Бушнев Л.С., Дударев Е.Ф., Карлов А.В. Комплексное исследование структуры и свойств композита «субмикрокристаллический титан - биопокрытие» // Труды Второй Междунар. науч.-техн. конф. ЭМФ’2001, Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2001. - С. 197-204.

3. Kay J.F., Cook S.D. Biological profile of calcium-phosphate coatings // Hydroxylapatite coatings in orthopaedics surgery. - New-York, 1993.- P. 89-106.

4. Lacefield W. An introduction in bioceramics. - New-York, 1996. - 375 p.

5. Шашкина Г.А., Легостаева Е.В., Ерошенко А.Ю., Иванов М.Б., Поженъко Н.С. Исследование структуры и свойств композиционных материалов медицинского назначения: титан/керамическое покрытие // Сборник трудов 2-ой Всерос. научной молодежной конф. «Материаловедение, технология и экология в третьем тысячелетии». - Томск: ИФПМ СО РАН, 2003. - С. 115-118.

6. Калита В.И. Физика и химия формирования биоинертных и биоактивных поверхностей на имплантатах // Физика и химия обработки материалов. - 2000. - № 3. - С. 28-45.