СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ ИЗ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ДЕФЕКТОВ КОСТНОЙ ТКАНИ
METHOD OF PRODUCING POROUS CERAMIC FROM CALCIUM PHOSPHATES FOR TREATING BONE TISSUE DEFECTS

Изобретение относится к медицине, конкретно к способу получения пористой керамики, которая может использоваться в реконструктивно-пластической хирургии в качестве материала для замещения костных дефектов, в стоматологии. Активно развивающийся подход к лечению поврежденных тканей организма - тканевая инженерия - основан на способности организма самостоятельно восстанавливать утраченные фрагменты тканей при условии, что для этого созданы необходимые условия, а именно: тканевой дефект заполнен материалом, подвергающимся биорезорбции в среде организма, материал содержит факторы роста, например, морфогенетические белки, стволовые клетки.
Особая роль в инженерии костных тканей отводится материалу: кроме биосовместимости с тканями организма и отсутствия токсичности, которые являются общими требованиями для всех биоматериалов, определяющим требованием является скорость биорезорбции керамического материала (растворения керамики в жидкостях организма), сопоставимая со скоростью образования новой костной ткани. Наиболее перспективными в качестве материалов для инженерии костной ткани являются фосфаты кальция, что связано с близостью их химического состава к минеральной составляющей костной ткани (Баринов С.М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины. - Успехи химии. - 2010. - Т. 79. - №1. - С. 15-32). Помимо химического состава материала, важнейшим свойством является пористость и размер пор керамики: различного размера поры необходимы как для адгезии протеинов (поры размером от нескольких десятков до сотни нанометров), так и для циркуляции в матриксе межтканевой жидкости (взаимосвязанные поры от 10 до 200-300 мкм).
Пористая керамика может быть изготовлена различными способами - методом выгорающих добавок, методом растворимых добавок, методом вспенивающих добавок. В качестве выгорающих добавок используют материалы на основе органических веществ - сажу, опилки, муку. При спекании керамики выгорающая добавка (в данном случае, микроцеллюлоза) сгорает, образуя углекислый газ и пары воды, которые удаляются из образца, формируя в нем систему взаимосвязанных открытых пор. Введением в состав керамической шихты солей, разлагающихся при нагревании, например, карбоната или гидрокарбоната аммония, также можно создать систему взаимосвязанных пор в спеченном образце. При этом поры формируются за счет выделения газообразных продуктов разложения (Fabrication and cellular biocompatibility of porous carbonated biphasic calcium phosphate ceramics with a nanostructure /B.Li, X.Chen, B.Guo et al // Acta Biomaterialia. 2009. V. 5. P. 134-143).
Описан способ получения пористой керамической подложки для нанесения мембран (Патент РФ C1 №2349373 B01D 71/02. Композиционная пористая подложка для оксидно-керамических мембран и способ ее получения/ Зырянов В.В. (Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук) №2007138240/15. Заявл. 15.10.2007). Подложки получают литьем суспензий на основе отобранных беложгущихся каолинов и глин с добавками микрокристаллической целлюлозы. Способ получения включает обжиг подготовленной и сформованной суспензии, микрокристаллическая целлюлоза выполняет функцию выгорающей добавки.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту являются пористые матриксы на основе карбоната кальция для имплантации, получаемые пропиткой пористых керамических матриц жидким шликером на основе порошка карбоната кальция, с последующей сушкой и термической обработкой при 540-620°C. (Смирнов В.В., Гольдберг М.А., Петракова Н.В., Баринов С.М. «Способ получения пористого керамического матрикса на основе карбоната кальция для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях». Патент РФ №2542439). Недостатком данного материала является слишком высокая скорость биорезорбции, превосходящая скорость образования новой костной ткани, что приводит к преждевременной потере матрикса и создает возможность зарастания костного дефекта соединительной тканью.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение пористой керамики на основе фосфатов кальция с пористостью от 60 до 90 об. % и размером пор от 0,1 мкм до 1500 мкм, прочностью при сжатии 5-12 МПа.
Технический результат достигается тем, что пористую керамику из фосфатов кальция для лечения дефектов костной ткани, согласно изобретению, изготавливают, используя операции пропитки пористого органического материала керамическим шликером на водной основе, содержащим порошок фосфата кальция в количестве 10-60% масс, спекающую добавку на основе карбонатов щелочных и щелочно-земельных металлов, взятую в количестве 5-10% масс, водорастворимый органический полимер, разлагающийся при 500-600°С, с последующей сушкой при 180-200°C и термической обработкой в камерной печи в температурном интервале от 850 до 1200°C, образующаяся в результате термической обработки пористая керамика из фосфатов кальция характеризуется пористостью 60-90%, размером пор от 0,1 до 1500 мкм и прочностью при сжатии 5-12 МПа.
Увеличение температуры термообработки пористого органического материала, пропитанного керамическим шликером, приводит к увеличению размера частиц и к снижению пористости в результате усиления диффузионных процессов при повышении температуры.
Уменьшение температуры термической обработки ниже 850°C не позволяет возникнуть контактам между частицами фосфатов кальция, в результате чего прочность керамики снижается до менее 1 МПа.
Увеличение содержания фосфатов кальция свыше 60% масс, в шликере способствует неравномерному распределению фосфата кальция в шликере, а уменьшение количества фосфатов кальция менее 10% снижает прочность полученного в результате термической обработки керамики до 1 МПа и менее.
Уменьшение количества спекающей добавки менее 5% не позволяет получить достаточно прочную керамику: прочность спеченной керамики снижается до 0,1 МПа, а увеличение количества спекающей добавки более 10% приводит к снижению пористости и уменьшению размера пор.
Пример 1. Пористую матрицу из полиэтилена с пористостью 70% пропитывали водным шликером, содержащим 40 масс. % порошка карбонатгидроксиапатита, 5% масс. спекающей добавки на основе карбонатов калия и кальция и карбоксиметилцеллюлозу. После сушки проводили термическую обработку полученных заготовок в камерной печи с силитовыми нагревателями до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 850°C. В результате получали пористую керамику из карбонатгидроксиапатита, характеризующуюся пористостью 40% и прочностью при сжатии 5 МПа.
Пример 2. Пористую матрицу из полиэтилена с пористостью 80% пропитывали водным шликером, содержащим 55% масс., порошка кремнийзамещенного гидроксиапатита, 8%масс. спекающей добавки на основе карбонатов калия и кальция и полиакриламид. После сушки проводили термическую обработку полученных заготовок в камерной печи с силитовыми нагревателями до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 900°C. В результате получали пористую керамику из кремнийзамещенного гидроксиапатита, характеризующуюся пористостью 40% и прочностью при сжатии 7 МПа.
Пример 3. Пористую матрицу из полиэтилена с пористостью 60% пропитывали водным шликером, содержащим 9% масс., порошка карбонатгидроксиапатита, 5% масс. спекающей добавки на основе карбонатов калия и кальция и полиакриламид. После сушки проводили термическую обработку полученных заготовок в камерной печи с силитовыми нагревателями до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 900°C. В результате получали пористую керамику из карбонатгидроксиапатита, характеризующуюся прочностью при сжатии менее 1 МПа.