ИСТИНА

Несмотря на большой прогресс в разработке керамических материалов на основе фосфатов кальция, в настоящее время повышение резорбируемости биоматериалов является одной из главных задач материаловедения. В идеале имплантат должен постепенно растворяться в среде организма, выполняя при этом свои вспомогательные функции, и на его месте должна образовываться новая костная ткань. В связи с этим ключевой характеристикой материала является его способность резорбироваться в среде организма. Традиционно используемый гидроксиапатит (ГАП) Ca10(PO4)6(OH)2 (Ca/P = 1,67), обладает самой низкой растворимостью среди фосфатов кальция. В случае регенеративного подхода к лечению костной ткани в состав материалов для костных имплантатов вводят биорезорбируемые фазы, которые по сравнению с ГАП обладают большей резорбцией, а именно трикальциевый фосфат (ТКФ) Ca3(PO4)2 (Ca/P = 1,5), пирофосфат кальция (ПФК) Ca2P2O7 (Ca/P = 1), тромелит Ca4P6O19 (Ca/P = 0,66), полифосфат кальция Ca(PO3)2 (Ca/P = 0,5), Na-замещенный трикальцийфосфат Ca10Na(PO4)7, K-замещенный трикальцийфосфат Ca10K(PO4)7, натриевый ренанит CaNaPO4 и калиевый ренанит CaKPO4. Необходимым элементом любой стратегии улучшения растворимости соединения с ионной природой химической связи является снижение энергии кристаллической решетки. Последовательная реализация этого подхода приводит к двум направлениям увеличения резорбции кальцийфосфатных материалов: (а) переход к фосфатам кальция с соотношением Ca/P ниже, чем у ГАП; (б) модификация химического состава, связанная с заменой катиона Ca2+ в структуре фосфата. Современные керамические материалы для регенеративной медицины должны обладать значительной общей (≥40–50%) и при этом бимодальной пористостью. Первая мода пор (≥100 мкм) необходима для обеспечения остеокондуктивности материала. Вторая мода пор (≈1–10 мкм) необходима, чтобы костные клетки могли закрепиться на шероховатой поверхности импланта. Существует несколько методов получения макропористых материалов для костных имплантов: 1) метод удаляемых добавок; 2) метод реплики, предполагающий пропитку органической (полиуретановой) пены суспензией неорганического порошка и последующий обжиг; 3) метод вспенивания суспензий; 4) спекание порошков стекла, которые содержат порообразующие добавки (карбонаты) в количестве 1–5 мас. %. Удобным способом создания макропористой структуры керамических материалов является использование экструзионной 3Д-печати прекерамических изделий/образцов. Для создания шероховатой (микропористой) поверхности керамического материала используют незавершенное спекание, химическое травление. Известен также способ создания микропористой структуры керамики при использовании в качестве исходных порошковых смесей, включающих столбчатые или пластинчатые частицы, из-за своей формы и расположения, препятствующих уплотнению при спекании. Керамические материалы в системах CaO-P2O5, Na2O-CaO-P2O5 и K2O-CaO-P2O5 могут быть получены обжигом цементно-солевого камня, сформованного из высококонцентрированных твердеющих суспензий (ВКТС), включающие прекурсоры целевых фаз. В таких суспензиях между частицами действуют силы, приводящие к образованию структуры. Данный метод получения керамики для биомедицинских применений ранее не рассматривался. Преимуществом данного способа получения керамических материалов является возможность осуществлять пластическое формование и экструзионную 3D печать, которые позволяют получать изделия сложной формы и геометрии. Таким образом, целью данной работы является разработка физико-химических основ получения биосовместимых керамических материалов в системе M2O-CaO-P2O5 (M=Na, K) с заданным фазовым составом, включающим пирофосфат кальция β-Ca2P2O7, трикальциевый фосфат β-Ca3(PO4)2, натриевый и калиевый ренаниты (β-CaNaPO4 и β-CaKPO4), двойные пирофосфаты натрия-кальция и калия-кальция (Na2CaP2O7 и K2CaP2O7), натрий и калий замещённые трикальциевые фосфаты (Ca10Na(PO4)7 и Ca10K(PO4)7) обжигом порошковых полуфабрикатов, сформованных из высококонцентрированных твердеющих суспензий (ВКТС). Такие материалы могут быть использованы для создания костных имплантатов для использования в регенеративных методах лечения дефектов костной ткани. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Исследование физико-химических свойств ВКТС, включающих компоненты основного (гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2, цитрат кальция тетрагидрат Ca3(C6H5O7)2∙4H2O) и кислого характера (дигидрофосфаты кальция Ca(H2PO4)2∙H2O, натрия NaH2PO4 и калия KH2PO4). 2. Исследование процессов, протекающих при формировании образцов цементно-солевого камня из цитрата кальция тетрагидрата Ca3(C6H5O7)2∙4H2O и компонентов кислого характера (дигидрофосфаты кальция Ca(H2PO4)2∙H2O, натрия NaH2PO4 и калия KH2PO4). 3. Исследование процессов формирования фазового состава и микроструктуры керамики в системах CaO-P2O5, Na2O-CaO-P2O5 и K2O-CaO-P2O5, протекающих при нагревании образцов цементно-солевого камня, включающего гидрофосфаты кальция, сопутствующие продукты реакции и компоненты, не вступившие в реакцию химического связывания. 4. Исследование свойств (прочность, плотность, усадка) и биосовместимости керамических материалов в системах CaO-P2O5, Na2O-CaO-P2O5 и K2O-CaO-P2O5 методами ионометрии, in vitro и in vivo. Объектами исследования являются: 1. ВКТС, включающие компоненты основного (Ca10(PO4)6(OH)2, Ca3(C6H5O7)2∙4H2O) и кислого характера (Ca(H2PO4)2∙H2O, NaH2PO4 и KH2PO4); 2. образцы цементно-солевого камня, приготовленные при добавлении жидкости затворения из порошковых смесей, включающих в различном соотношении ГАП Ca10(PO4)6(OH)2, цитрат кальция тетрагидрат Ca3(C6H5O7)2∙4H2O, МКФМ Ca(H2PO4)2∙H2O, дигидрофосфаты натрия и калия (NaH2PO4 и KH2PO4); 3. образцы керамики в системах CaO-P2O5, Na2O-CaO-P2O5 и K2O-CaO-P2O5 на основе β-ТКФ, β-ПФК, натриевого и калиевого ренанитов (β-CaNaPO4 и β-CaKPO4), полученных обжигом при 500-1100 оС цементно-солевого камня. Научная новизна данной работы заключается в следующих положениях: 1. Показано, что благодаря присутствию цитрат-ионов в цементной пасте, которые являются замедлителем твердения брушитных цементов, пластическая прочность ВКТС во времени изменялась медленно, что приводило к увеличению продолжительности процесса твердения и позволяло обеспечить возможность экструзионной 3D-печати. 2. Определена последовательность гетерофазных превращений фазового состава цементно-солевого камня, включавшего брушит CaHPO4∙2H2O, монетит CaHPO4, цитрат кальция тетрагидрат, кислые цитраты натрия и калия, обеспечивающих формирование заданного фазового состава керамических материалов в системах СaO-P2O5, Na2O-СaO-P2O5 и K2O-СaO-P2O5, включающего ПФК Ca2P2O7, ТКФ Ca3(PO4)2, калиевый ренанит CaKPO4, натриевый ренанит CaNaPO4, Na-замещённый ТКФ Ca10Na(PO4)7, K-замещённый ТКФ Ca10K(PO4)7, двойные пирофосфаты натрия-кальция Na2CaP2O7 и калия-кальция K2CaP2O7 в результате термического разложения компонентов цементно-солевого камня до γ-Ca2P2O7, CaCO3, CaO, Na2CO3, K2CO3, NaPO3, KPO3 и протекания твердофазных реакций между ними. 3. Установлено, что введение низкоплавкой фазы полифосфата кальция Са(РО3)2, через избыток дигидрофосфата кальция Ca(H2PO4)2∙H2O относительно реакции синтеза брушита из дигидрофосфата кальция и цитрата кальция, снижает температуру спекания. 4. Была получена ультрапористая (более 79% пористости), субмикронная (200-600 нм) керамика на основе β-Ca3(PO4)2 обжигом цементно-солевого камня, подготовленного из порошковой смеси с мольным соотношением Са/Р=1,5, включающей Ca10(PO4)6(OH)2, Ca3(C6H5O7)2·4H2O и Ca(H2PO4)2·H2O. Формирование субмикронной микроструктуры из цементно-солевого камня, включающего брушит, монетит ГАП, МКФМ и цитрат кальция стало возможным благодаря сдерживанию роста зерен из-за гетерофазных взаимодействий между компонентами, имеющими разное мольное соотношение Са/Р, а именно: CaO (Са/Р = ∞), СаСО3 (Са/Р = ∞), Ca10(PO4)6(OH)2 (Са/Р = 1.67) и β-Ca2P2O7 (Са/Р = 1), приводящих к формированию β-Ca3(PO4)2. Практическая значимость данной работы заключается в следующих пунктах: 1. Созданы ВКТС, пригодные для осуществления послойной экструзионной печати прекерамических образцов с использованием 3D-принтера. 2. Впервые разработаны методы получения керамических материалов в системах СaO-P2O5, Na2O-СaO-P2O5 и K2O-СaO-P2O5 обжигом цементно-солевого камня, включающего гидрофосфаты кальция в качестве основной фазы, приготовленных из порошковых смесей, включающих Ca3(C6H5O7)2∙4H2O, Ca(H2PO4)2∙H2O, дигидрофосфатов NaH2PO4 и KH2PO4. 3. Предложен метод получения ультрапористой, субмикронной, биосовместимой и биорезорбируемой керамики на основе β-Ca3(PO4)2 с относительной плотностью 20-21%, размером зерна 200-600 нм и прочностью на сжатие 1,6 - 1,8 МПа, полученной обжигом при 1000 оС цементно-солевого камня, приготовленного из порошковой смеси с мольным соотношением Са/Р=1,5, включающей Ca10(PO4)6(OH)2, Ca3(C6H5O7)2∙4H2O и Ca(H2PO4)2∙H2O. 4. Полученные в рамках данной работы керамические материалы, которые являются биосовместимыми и обладают более высокой способностью к биорезорбции по сравнению с Ca10(PO4)6(OH)2 фазы β-Ca3(PO4)2, β-Ca2P2O7, β-CaNaPO4 и β-CaKPO4, могут быть рекомендованы для применения в регенеративной медицине для лечения дефектов костной ткани. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Возможность получения цементно-солевого камня из ВКТС на основе компонентов кислого (дигидрофосфаты кальция Ca(H2PO4)2∙H2O, натрия NaH2PO4 и калия KH2PO4) и основного (гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2, цитрат кальция тетрагидрат Ca3(C6H5O7)2∙4H2O) характера. 2. Последовательность превращений, приводящих к формированию заданного фазового состава керамических материалов в системах CaO-P2O5, Na2O-CaO-P2O5 и K2O-CaO-P2O5. 3. Условия получения ультрапористой, субмикронной и биорезорбируемой керамики на основе β-Ca3(PO4)2, полученной обжигом при 1000 оС цементно-солевого камня, приготовленного из порошковой смеси, включающей Ca10(PO4)6(OH)2, Ca3(C6H5O7)2∙4H2O и Ca(H2PO4)2∙H2O. 4. Изменение прочности керамических материалов в системах CaO-P2O5, Na2O-CaO-P2O5 и K2O-CaO-P2O5 в зависимости от состава. Прочностные свойства керамики на основе Ca3(PO4)2, β-Ca2P2O7, β-CaNaPO4 и β-CaKPO4. 5. Результаты исследования биосовместимости методами ионометрии, in vitro и in vivo керамических материалов в системе CaO-P2O5.