Способ получения пористой керамики на основе трикальцийфосфата по изготовленным трехмерным моделям методом послойного наплавления с использованием фотополимеризации
METHOD FOR PRODUCING POROUS CERAMICS BASED ON TRICALCIUM PHOSPHATE BASED ON FABRICATED THREE-DIMENSIONAL MODELS BY LAYER-BY-LAYER DEPOSITION USING PHOTOPOLYMERIZATION

Настоящее изобретение относится к способу получения пористых керамических изделий на основе материалов из трикальцийфосфата, предназначенных для медицинского применения в качестве биорезорбируемых костных имплантатов. Наиболее перспективными в настоящее время в качестве материалов для имплантатов для замещения дефектов костной ткани являются биоматериалы на основе трикальцийфосфата (ТКФ). Их отличает от других фосфатов кальция высокая биосовместимость, остеокондуктивность и биорезорбируемость [Gurin, A.N., Komlev, V.S., Fadeeva, I.V., Petrakiva, N.V., Varda, N.S. A comparative study of bone regeneration potency of alfa and beta-tricalcium phosphate bone substitute materials // Stomatologiia. - 2012. - V. 91. - №6. - P. 16-21]. При этом, более высокие биологические характеристики достигаются путем формирования пористой структуры имплантатов, благодаря которой повышается пролиферация остеообразующих клеток и васкуляризация [Ahangar P., Cooke М.Е., Weber М.Н., Rosenzweig D.H. Current biomedical applications of 3D printing and additive manufacturing. Review Appl Sci. 2019;9(8):1713. doi: 10.3390/app9081713].
В работе [Кос N., Timucin M., Korkusuz F. Fabrication and characterization of porous tricalcium phosphate ceramics // Ceramics International. - 2004. - T. 30. - №2. - C. 205-211] пористую керамику на основе β-трикальцийфосфата получали путем шликерного литья. Для этого, сначала готовили шликер из порошка ТКФ в количестве 60 масс. % с добавлением дефлокулянта Dolapix РС33 в количестве 0,5-3,0 масс. %. В полученный шликер добавляли гранулы ПММА и механически перемешивали, затем заливали в тефлоновые формы на гипсовые блоки и сушили в течение 24 часов. Удаление полимера проводили в атмосфере азота при температуре 600°С и обжигали при температуре 1000°С в течение 2 часов. Максимальная пористость полученной керамики составляла 65%, размер пор достигал 190 мкм. При этом авторы не приводят значение механической прочности полученной керамики, возможно, температура заключительной термической обработки недостаточна для получения прочной керамики, что является недостатком. Из уровня техники известно, что в работе [Баринов С.М. и др. Способ изготовления пористых керамических изделий из β-трикальцийфосфата для медицинского применения. - 2013] получали β-трикальцийфосфатный пористый керамический материал с помощью конверсии гипсовых заготовок в растворе фосфата аммония с последующей термообработкой. Для этого предварительно заготовленную пористую гипсовую форму обжигали при температуре 200°С в течение 2-2,5 часов. Затем, полученную заготовку гипса подвергали конверсии в гидроксиапатит при выдержке в 1 молярном растворе фосфата аммония в течение 24 часов. Термическую обработку конвертированных заготовок проводили при температуре 970-1030°С. Механическая прочность полученного керамического изделия составляла около 2,2 МПа. При этом, авторами работы не приводится значение пористости и размера пор полученного материала, что, возможно, связано со сложностью изготовления высокопористых гипсовых заготовок, что является недостатком.
Авторами работы [Вартанян М.А. и др. Аддитивные технологии в производстве изделий из керамики: перспективы и опыт практического использования // Современные методы и технологии создания и обработки материалов. - 2017. - С. 27-33] были получены керамические изделия из ТКФ методом шликерного литья в заданную форму. Предварительно разработанные трехмерные модели печатали на принтере-экструдере. Шликер готовили путем смешения порошка трикальцийфосфата в количестве до 30-50 об.% с парафином. При этом, для улучшения смачивания твердых частиц парафином, в шликер добавляли поверхностно-активные вещества (ПАВ (BYK W 969, BYK Additives&Instruments; олеиновая кислота) в соотношении ПАВ:ТКФ=1:100 по массе. Изделия формовали с помощью установки Corver Model С при температуре литья 60-80°С с шагом 10°С и давлении прессования 8 и 14 МПа. Обжиг образцов проводили по описанному в работе [Evdokimov P.V. Dvoinye fosfaty Са(3-х)М2х(PO4)2 (М=Na, K) как osnova makroporistoy biokeramiki so spetsial'noy arkhitekturoy [Double Ca(3-x)M2x(PO4)2 (M=Na, K) phosphates as a basis for macroporous bioceramics with tailored architecture]. PhD thesis. Moscow: MSU, 2015. (in Russian)] режиму, подобранному с учетом данных термогравиметрического анализа, при температуре 1100°С с выдержкой 3 ч. Авторами не приводятся никакие механические характеристики, а также значения пористости, при этом указано, что образцы, отлитые из шликеров с содержанием ТКФ 30 и 40 об.%, разрушались при обжиге, что возможно связано с недостаточной температурой термообработки керамических изделий, и недостаточным процентным содержанием порошкового компонента, которое не дает плотного контакта между частицами, что является недостатком.
2
2
7
2
2
7
2
4
2
2
Из уровня техники известно, что в работе [Filippov Y.Y. et al. Colloidal forming of macroporous calcium pyrophosphate bioceramics in 3D-printed molds // Bioactive Materials. - 2020. - T. 5. - №2. - C. 309-317] получали макропористую керамику на основе CaPO методом литья под низким давлением. Технология изготовления керамики состояла из следующих этапов: изготовление пластиковой формы методом DFM 3D-печати, получение глицериново-водного шликера путем механического смешения порошковых компонентов (СаРО и Са(HPO)⋅HO) и жидкости (смесь глицерина и дистиллированной воды) в соотношении порошок: жидкость=2:1 по весу, отливка шликера в напечатанную форму под давлением 0,5 МПа, затем заготовку оставляли на воздухе не менее чем на 24 часа. Полученные таким образом отливки подвергали термической обработке при температуре 1000°С в течение 1 и 3 часов для формирования композитной керамики желаемой структуры (скорость нагрева 2°С/мин). В результате была получена макропористая керамика с размером макропор 2-4 мм. При этом, авторами не указана пористость изделия, только плотность (22±2%), а механическая прочностью составляла всего 1,4±0,1 МПа, что является недостатком. Из литературных данных известно, что брушит, формирование которого происходило во время термообработки изделия, характеризуется низкой механической прочностью, по сравнению с другими фосфатами кальция, что, возможно, может приводить к разупрочнению керамики [Баринов С.М., Комлев B.C. Биокерамика на основе фосфатов кальция. - М.: Наука, 2005. - 204 с. ].
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является способ получения пористого керамическое изделия на основе β-трикальцийфосфата, содержащее ПММА, [Song, Н.Y., Youn, М.Н., Kim, Y.Н., Min, Y.К., Yang, Н.М., Lee, В.Т. Fabrication of porous β-ТСР bone graft substitutes using PMMA powder and their biocompatibility study // Korean Journal of Materials Research. - 2007. - Т. 17. - №6. - С. 318-322] с прочностью 5 МПа, микротвердостью 182 HV, и размером пор 200-250 мкм. Пористость достигается за счет добавления в порошок β-трикальцийфосфата второго компонента - ПММА (порошок синтетического метилметакрилата) в количестве до 60 об.%. Для получения керамического изделия необходимо провести ряд процедур, а именно: помол смеси порошков в шаровой мельнице в течение 24 часов в этаноле с последующей сушкой, одноосное формованием дисков размером 15×5 мм; дебайдинг при 700°С (подъем со скоростью 6°С/мин, выдержка 2 часа); обжиг при температуре 1500°С (подъем со скоростью 6°С/мин, выдержка 2 часа). Недостатками данного метода являются длительный помол в среде этанола, что может негативно повлиять на фазовый состав трикальцийфосфата, высокая температура обжига керамического изделия, а также низкие механические свойства. При этом указано только значение плотности изделия (46%).
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание эффективного и сравнительно простого в осуществлении способа получения пористой керамики на основе трикальцийфосфата по изготовленным трехмерным моделям методом послойного наплавления с использованием фотополимеризации.
Техническим результатом способа является повышение механической прочности до 22±1 МПа, микротвердости до 583±29 HV и сохранение пористой структуры (открытая пористость 43%).
Технический результат достигается тем, что в способе получения пористой керамики на основе трикальцийфосфата по изготовленным трехмерным моделям методом послойного наплавления с использованием фотополимеризации, включающий операции изготовления литниковой формы из термопластичного полимера с помощью послойного наплавления на экструзионном принтере, введения в исходный трехкальцийфосфатный порошок 2 масс. % литийсодержащей легкоплавкой добавки, получения суспензии при помощи смешения порошкового трикальцийфосфата с фотоактивным акриловым полимером, заполнения суспензией литниковой формы и последующей фотополимеризации ультрафиолетовым излучением с длиной волны 405 нм, дебайдинга и обжига, согласно изобретению, в исходный порошок трикальцийфосфата вводят 2 масс. % легкоплавкой литийсодержащей добавки, затем порошок трикальцийфосфата смешивают с жидким фотоактивным акриловым полимером, полученную суспензию формуют в литниковую форму при помощи шпателя и проводят фотополимеризацию с помощью ультрафиолетового излучения 405 нм, при следующем соотношении компонентов суспензии, % об.:
Трикальцийфосфат (с содержанием 2 масс. % литийсодержащей легкоплавкой добавки) 50-75
Фотоактивный акриловый полимер 25-50
с последующим дебайдингом при температуре 450°С и обжигом при температуре 1200°С.
Пример 1
2
Керамику получали из порошка ТКФ с площадью удельной поверхности 42±2 м/г. В керамический порошок вводили 2 масс. % литийсодержащую легкоплавкую добавку и смешивали с фотоактивным акриловым полимером в соотношении 75/25 об.% на предметном стекле. Полученную суспензию формовали в литниковую форму (заранее изготовленную методом послойного наплавления) и проводили фотополимеризацию ультрафиолетовым излучением с длиной волны 405 нм в течение 10-20 сек. Образец подвергали процедуре дебайдинга: нагревали до температуры 450°С со скоростью 10°С/мин и выдерживали 420 часов. В заключительной стадии проводили обжиг при температуре 1200°С (скорость нагрева 10°С/мин) и выдерживали 2 часа. После охлаждения были проведены механические испытания прочности при трехточечном изгибе, измерение микротвердости и открытой пористости образца. Полученная пористая керамика характеризовалась прочностью при трехточечном изгибе 18±1 МПа, микротвердостью 785±39 HV и открытой пористостью 10%, размер пор составлял не более 50 мкм. При данных технологических параметрах пористость керамического изделия была недостаточной, что, возможно, связано с большим введением порошкового компонента в суспензию.
Пример 2
2
Керамику получали из порошка ТКФ с площадью удельной поверхности 32±1 м/г. В керамический порошок вводили 2 масс. % литийсодержащую легкоплавкую добавку и смешивали с фотоактивным акриловым полимером в соотношении 50/50 об.% на предметном стекле. Полученную суспензию формовали в литниковую форму трехмерной модели (заранее изготовленную методом послойного наплавления) и проводили фотополимеризацию ультрафиолетовым излучением с длиной волны 405 нм в течение 10-20 сек. Образец подвергали процедуре дебайдинга: нагревали до температуры 450°С со скоростью 10°С/мин и выдерживали 420 часов. В заключительной стадии проводили обжиг при температуре 1200°С (скорость нагрева 10°С/мин) и выдерживали 2 часа. После охлаждения были проведены механические испытания при трехточечном изгибе, измерение микротвердости и открытой пористости образца. Полученная пористая керамика характеризовалась прочностью при трехточечном изгибе 22±1 МПа, микротвердостью 583±29 HV и открытой пористостью не менее 43%, размер пор лежал в диапазоне от 1 до 100 мкм.
Сущность изобретения заключается во введении в исходный трехкальцийфосфатный керамический порошок 2 масс. % литийсодержащей легкоплавкой добавки, равномерном распределении трикальцийфосфатного порошка по всему объему изделия и его прочном фиксировании за счет фотополимеризации, что приводит к повышению механической прочности и микротвердости. При этом в процессе дебайдинга и обжига, за счет удаления фотоактивного акрилового полимера, формируется пористая структура. Таким образом, были изготовлены трикальцийфосфатные керамические образцы, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты технологических характеристик керамических образцов представлены в таблице 1. Микрофотография пористой структуры представлена на рисунке 1.