НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут проблем матеріалознавства імені І.М.Францевича

На правах рукопису

Пінчук Наталія Дмитрівна

УДК 546.41.185 335.338 611.711.5.086-0.539

ПРОЦЕСИ ПРЕСУВАННЯ І СПІКАННЯ ПОРОШКОВИХ СУМІШЕЙ на основі гідроксиапатитУ І СКЛОУТВОРЮЮЧИХ КОМПОНЕНТІВ

І РОЗРОБКА НОВОГО композиційнОГО біоматеріалУ

05.16.06 - порошкова металургія та композиційні матеріали

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства

ім. І.М.Францевича Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

провідний науковий співробітник

Іванченко Ліана Анатоліївна,

Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М.Францевича НАН України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Уварова Ірина Володимирівна,

зав.відділом Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича

Національної академії наук України

кандидат технічних наук Бєсов Анатолій Володимирович,

доцент кафедри високотемпературних матеріалів та порошкової металургії

Національного технічного університету України “КПІ”

Провідна установа:

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля Національної академії наук України,

відділ технології виробництва твердих сплавів і композиційних матеріалів

Захист відбудеться “24” червня 2003 року о _____ годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д.26.207.03 по захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича Національної академії наук України за адресою: 03142, Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича Національної академії наук України за адресою: 03680, Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Автореферат розісланий “____” ___________ 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Мінакова Р.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи

Сучасний рівень випереджаючого розвитку матеріалознавства потребує наявності нових матеріалів з унікальними властивостями. Особливо актуальною ця проблема є для медичного матеріалознавства.

На даний час існує велика кількість різноманітних штучно створених біоматеріалів для імплантації, що застосовуються у кістковій хірургії, ортопедії та стоматології для заміни кісткової тканини. Найбільш перспективними серед них є біологічно активні матеріали, які поступово розчиняються у фізіологічному середовищі організму, приймають участь у його обмінних процесах та сприяють утворенню нової кісткової тканини. До них відносять кальційфосфатні біоматеріали: біоскло, склокераміку, синтетичний гідроксиапатит (СГАп), біологічний гідроксиапатит (БГАп), трикальційфосфат (ТКФ) та кераміку на їх основі. Важливе місце серед них займають композиційні матеріали (КМ) на основі СГАп та склофази, які поєднують у собі унікальні властивості обох компонентів. Найважливішою характеристикою біоактивних матеріалів є їх остеокондуктивність, під якою розуміють властивість оптимального сприяння вростанню остеогенної тканини в імплантат та його заміщення новоутвореною кістковою тканиною з певною швидкістю. В даний час можна вважати експериментально доведеним, що за зростанням остеокондуктивності кальційфосфатні матеріали можуть бути розміщені в такій послідовності: СГАп-кераміка>кераміка на основі СГАп+ТКФ>біоскло>КМ типу СГАп/біоскло>БГАп.

Саме тому є актуальною розробка матеріалознавчого підходу до реалізації ідеї створення нових біоматеріалів для імплантації на основі композитів гідроксиапатит/склофаза, що при створенні таких композитів можна варіювати в значних межах їх остеокондуктивність та резорбцію за рахунок варіації їх складу, порової структури і властивостей. Виходячи з того, що гранули БГАп проявляють найбільш високу остеокондуктивність у порівнянні з аналогічними зразками інших біоактивних кальційфосфатних матеріалів, зокрема, СГАп та деяких композитів на його основі, слід очікувати прояв високої біоактивності в КМ типу БГАп/склофаза.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

В дисертації узагальнено результати досліджень, які виконувались в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України у відповідності з науковими темами:

1. Тема 1.6.2.27-96 ІПМ НАН України “Дослідження структурних, хімічних і кристалохімічних факторів, що визначають фізико-хімічні властивості остеотропної кераміки на основі гідроксилпатиту та її поведінку при імплантації в живий організм”, розділ “Дослідження розчинності різних видів кераміки на основі гідроксилапатиту в розчинах, що моделюють хімічне середовище організму” (№ Держрегістрації U004386);

2. Тема Ц/17-02 ІПМ НАН України “Розробка і удосконалення матеріалів і конструкцій імплантатів для відновлення кісткової тканини і функцій опорно-рухового апарату”, розділ “Розробка технології одержання зразків композитів у вигляді блоків довільної форми, вміщуючих не менше 50мас.) гідроксиапатиту” (№ Держрегістрації .02U001243).

З урахуванням вищесказаного були сформульовані мета роботи та основні задачі дослідження.

Мета роботи – встановлення особливостей створення біоактивних пористих КМ типу ГАп/склофаза і оптимізація технологічного процесу одержання зразків із заданими мікроструктурою та основними властивостями.

Основні задачі дослідження Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

1. Дослідження особливостей пресування і спікання вихідних порошкових сумішей на основі БГАп та склоутворюючих компонентів для приготування композитів.

2. Дослідження складу та мікроструктури зразків композитів, одержаних за різними технологічними режимами.

3. Вивчення основних фізико-хімічних і механічних показників композитів та їх взаємозв’язку з технологічними режимами одержання.

4. Експериментально-клінічні дослідження біоактивних КМ “in vivo” на тваринах.

Об’єкт дослідження: остеокондуктивні композиційні матеріали з вмістом кристалічної фази гідроксиапатиту в матриці склофази на основі оксидів кремнію, натрію та бору.

Предмет дослідження: встановлення взаємозв’язку між особливостями пресування і спікання остеокондуктивних КМ та їх основними фізико-механічними та хіміко-біологічними параметрами.

Наукова новизна дисертаційної роботи

Розроблено матеріалознавчий підхід до реалізації ідеї створення нових біоматеріалів для імплантації на основі композитів гідроксиапатит/склофаза методами порошкової металургії з використанням порошкової суміші ГАп і склоутворюючих компонентів з акцентом на одержанні остеокондуктивних матеріалів типу БГАп/склофаза.

Встановлені наступні особливості спікання порошкових сумішей БГАп і склоутворюючої шихти для приготування композитів:

- спікання систем БГАп/склоутворюючі компоненти - це рідкофазне спікання з добре змочуючою рідкою фазою, яке ускладнене процесами газовиділення з втратою маси і пружною релаксацією;

- спінення розплавленої скломаси при спіканні, утворення в ній значної кількості закритих пор, анізотропія об’ємних змін зразків зі збільшенням їх об’єму.

Встановлена наявність поліпористої структури КМ типу ГАп/склофаза, яка формується в процесі рідкофазного спікання і обумовлена використанням в складі вихідної шихти композитів сполук, що виконують функції склоутворювача, газоутворювача і пороутворювача.

Результати, отриманні в роботі, дають нові знання про процеси утворення склокристалічних біоматеріалів типу ГАп/склофаза та взаємозв’язок їх фізико-хімічних параметрів і мікроструктури з особливостями технології їх створення.

Практичне значення одержаних результатів

Практичним результатом роботи є одержання нових біоактивних композиційних матеріалів, які можуть бути використані в медицині в якості імплантатів для заміни кісткової тканини людини, з високою остеокондуктивністю та міцністю, близькою до міцності нативних кісток. Матеріали пройшли успішні клінічні випробування при лікуванні пацієнтів з пухлиноподібними захворюваннями кінцівок в Луганському державному медичному університеті. Передбачається створити напівпромислову серію зразків остеокондуктивних біоматеріалів типу гідроксиапатит/склофаза, провести їх медико-технічні випробування та одержати дозвіл Міністерства охорони здоров’я України на їх практичне використання у якості матеріалів для остеопластики.

Особистий внесок здобувача

Розрахунки хімічного складу композитів, виготовлення зразків КМ, корекція технологічних режимів, проведення визначення густини та загальної пористості композитів, вивчення їх стійкості в штучних фізіологічних середовищах, спектроскопічні дослідження, обробка і розрахунки всіх експериментальних даних проводились автором. Постановка задачі дослідження і обгрунтування одержаних результатів проводилось автором спільно з керівником роботи д.ф._м.н. Л.А.Іванченко. Вклад автора в роботи, які виконано в співавторстві, полягає в постановці й проведенні основних експериментів, а також в аналізі та інтерпретації одержаних результатів. Приготування шихти для композитів виконано разом з Кобилочною Л.Г., Воробей В.В., Лаврентьєвою О.В., Лагуновою І.А., Гуменюк А.М., Ткачовою Т.М., первинне спікання композитів при високих температурах - разом з к.т.н. Фальковською Т.І. Дослідження особливостей спікання композитів виконано разом з Радченко П.Я., електронномікроскопічні дослідження виконано разом з Даниленко Н.В., Верещака В.М., рентгенофазові дослідження були проведені у співавторстві з Зиріним А.В., хімічний аналіз – разом з Кузьменко Л.М., дослідження механічних характеристик – разом з Вербило Д.Г. Визначення особливостей порової структури зразків композитів було проведено у співавторстві з к.т.н. Гетьман О.І. і д.т.н. Панічкіною В.В. Медичні дослідження проведено у співавторстві з д.м.н. Бруско А.Т., к.м.н. Сулимою В.С., д.м.н. Подрушняком Є.П., д.м.н. Івченко В.К., Івченко А.В.

Апробація результатів дисертації

Основні положення і результати дисертаційної роботи викладені на Міжнародній конференції “Перспективные материалы”, симпозиум А: инженерия композитов: исследования, технологии, перспективы, м. Київ, 1999 р., на Міжнародній конференції “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”, с. Кацівелі (Крим), 2000 р., на 2 Міжнародній науково-технічній конференції “Композиційні матеріали”, 5-7 червня 2001 р, м. Київ, на Міжнародній конференції “Передовая керамика - третьему тысячелетию”, 5-9 листопада 2001 р., на Міжнародній конференції “Nanostructured Materials and Coatings for Biomedical and Sensor Applications”, 4-8 серпня 2002 р., м. Київ, на Міжнародній конференції “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”, 4-8 листопада 2002 р.

Публікації

За матеріалами дисертації опубліковано 6 робіт, з них – 2 статті в спеціалізованому журналі “Порошковая металлургия”, 1 стаття – в спеціалізованому збірнику “Нанокристаллические материалы”, 3 статті– в журналі “Проблеми остеології”.

Структура дисертації

Дисертаційна робота включає: вступ, п’ять розділів, які мають загалом 24 підрозділи, висновки, перелік використаних джерел. Повний обсяг роботи 172 сторінки. Дисертаційна робота містить 75 рисунків, 39 таблиць, перелік використаних літературних джерел складається з 115 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено актуальність теми, мету роботи, наукову новизну, особистий вклад автора, наукову новизну та практичну цінність.

РОЗДІЛ 1. Огляд літератури і вибір напрямків досліджень

Проведено аналіз робіт вітчизняних та зарубіжних авторів, присвячених технологічним процесам отримання та дослідженню основних властивостей кальційфосфатних біоактивних матеріалів, що можуть бути використані як матеріали для імплантації в дефектні частини кісткової тканини. Вказані матеріали після імплантації беруть участь у процесах обміну речовин організму, резорбуються і згодом заміщаються новоутвореною кістковою тканиною. З аналізу літературних даних про лабораторні та клінічні досліди характеру взаємодії біоактивних матеріалів із середовищем живого організму можна сформулювати основні вимоги до матеріалів для імплантації: 1) медичні, обумовлені цілями і задачами реконструктивно-відбудовних операцій, індивідуальними особливостями пацієнта; 2) технологічні, обумовлені фізико-механічними і конструкційними параметрами імплантатів, пов'язані з особливостями одержання й обробки матеріалів, що дозволяють створювати ефективні і зручні для застосування імплантати; 3) економічні, обумовлені вартістю вихідної сировини й енергетичних витрат на виробництво матеріалів для імплантації. Для забезпечення вказаних вимог технологи використовують різні методи одержання біоматеріалів. З технологічної точки зору кожен метод володіє своїми перевагами, якщо дає можливість створення біоматеріалів з оптимальним сполученням ведучих властивостей, а саме високої біологічної активності, потрібної пористої структури і необхідних механічних характеристик.

Оптимальне сполучення пористої структури та потрібної для імплантатів механічної міцності може бути досягнуто при створенні біоматеріалів, в яких кристалічна фаза СГАп знаходиться в матриці аморфної склофази (РХТУ ім. Д.І.Менделєєва, Москва, Росія). Проте, на наш погляд, можна досягнути найбільшої остеокондуктивності при використанні БГАп, як кристалічної складової КМ вказаного типу з оптимальним поєднанням структури та механічної міцності. З вищесказаного витікає основний напрямок досліджень - розробка матеріалознавчого підходу до реалізації ідеї створення засобами порошкової металургії нових біоматеріалів, які являють собою синтез кристалічного біологічного гідроксиапатиту та аморфної склофази, який внесе нові знання про механізми утворення склокристалічних біоматеріалів з заданими властивостями. Не менш важливим напрямком досліджень даної роботи є встановлення поведінки розроблених матеріалів в умовах штучних фізіологічних середовищ та середовища живого організму (дослідження “in vitro” і ”in vivo).

РОЗДІЛ 2. Виклад загальної методики і основних методів досліджень

В цьому розділі проведено виклад:

- загальної методики фізико-механічних досліджень вихідних та проміжних порошкових сумішей для приготування композитів, яка включає в себе дослідження технологічних властивостей порошкових сумішей, їх особливостей пресування та процесів спікання;

- методики аналізу та досліджень складу та структури одержаних композитів на основі БГАп, які включали в себе хімічний, рентгенографічний фазовий, оптичний емісійний спектральний аналіз та скануючу електронну мікроскопію, комп’ютерний аналіз зображень за допомогою програми SIAMS-600 для дослідження мікроструктури композитів, метод абсорбційної спектроскопії (діапазон 0,2-20 мкм);

- методики визначення фізико-хімічних показників отриманих композитів, які включали в себе визначення розрахункової, уявної та пікнометричної густини, дослідження загальної пористості, частки відкритих пор, порової структури, визначення міцності зразків на стиск та на згин, дослідження “in vitro” (поведінки композитів в штучних фізіологічних середовищах за зміною маси композитів та зміною рН розчину, насичення композитів лікарськими препаратами).

РОЗДІЛ 3. Дослідження особливостей пресування і спікання композитів

Вихідний склад КМ можна представити загальною формулою, %мол.):

45SiO2·25Na2O·(18-27)B2O3·(2,5-12)Ca9,84(PO4)6(OH)2

де Ca10-Х(PO4)6(OH)2 ? БГАп (Ca/P=1,63-1,65), масова кількість якого змінювалась у межах 28,6-68,5мас.).

До складу вихідної шихти КМ БГАп вводився: 1) у вигляді мінералу кісткової тканини; 2) у вигляді кісткової муки за ТУ У .15 246-97 (БГАп з органічною складовою). Таким чином було одержано 12 основних складів композитів з різним співвідношенням БГАп/склофаза, для порівняння були зроблені зразки КМ 1 складу з використанням СГАп. Склоутворююча шихта складалась з SiO2, Na2CO3, H3BO3.

В даному розділі було досліджено і проаналізовано пресування та спікання порошків БГАп і склоутворюючої шихти окремо та їх загальних порошкових сумішей для приготування композитів певного складу.

Встановлено, що порошок БГАп має насипну масу і масу утряски більші, ніж такі для суміші склоутворюючих компонентів, при цьому насипна маса і маса утряски вихідної шихти КМ дуже близька до таких характеристик для порошку БГАп. Проте пористість шихти КМ нижча, ніж пористості її окремих складових, що пояснюється більш щільним укладанням частинок загальної шихти. При дослідженні пресування порошкових сумішей БГАп і склоутворюючої шихти для приготування композитів виявлена незвичайна поведінка цієї суміші. Встановлено, що вказана суміш при пресуванні ущільнюється значно краще, ніж компоненти цієї суміші – порошок БГАп і порошок склоутворюючої шихти (рис. а).

Встановлена наявність розшарування спресованих окремо порошків БГАп і склоутворюючої шихти і відсутність розшарування їх загальної суміші при пресуванні. Це можна пояснити тим, що щільність утряски вказаної суміші значно вища, ніж щільність утряски БГАп і склоутворюючої шихти окремо. Можливо, у загальній суміші при пресуванні формується більша однорідність розподілу пружних напружень.

а | б | Рис. . Пористість пресованих зразків БГАп, склоутворюючої шихти і композита до та після спікання: 1 – об’ємна частка пор, %; 2 – об’ємна частка композиційного матеріалу, %.

Встановлено, що спікання порошкових сумішей БГАп і склоутворюючої шихти для приготування композитів відноситься до рідкофазного спікання з добре змочуючою рідкою фазою, яке ускладнене процесами газовиділення і пружною релаксацією. Спікання вихідної шихти композитів супроводжується великою втратою маси (до 17яка обумовлена газоутворенням і виділенням газоподібних продуктів. Встановлена структура та кількість газоподібних втрат, які, наприклад, для складу КМ типу ОК з приблизно однаковим вмістом як БГАп, так і склофази, становили: Н2О – до 7,0мас.), В2О3 – до 3,6мас.), СО2 – до 6,8мас.). Вихідна пориста структура пресовки із повною відкритою пористістю трансформується в процесі спікання в систему з переважно закритою пористістю. Це пояснюється просоченням більшості відкритих пор спіненою рідкою скломасою, що приводить до заміни відкритих пор закритими. Важливим результатом, на наш погляд, є встановлене зростання загальної пористості пресованих зразків композитів після спікання завдяки значному газовиділенню внаслідок використання у складі вихідної шихти композитів газоутворюючих сполук (рис. б).

Встановлено, що зразки КМ правильної геометричної форми з необхідною механічною міцністю можуть бути одержані при температурах спікання не вище 800 С. Для одержання зразків правильної форми з необхідною механічною міцністю був використаний технологічний режим двостадійного спікання, при якому відбувається попереднє спікання вихідної шихти композитів при Т1=780-1300 С з одержанням спеченого матеріалу, його подрібнення до певного розміру частинок, пресування зразків і їх кінцеве ізотермічне спікання при 780 С для всіх типів КМ (схема подана на рис. ).

При спіканні пресованих зразків вихідної порошкової суміші КМ (І випадок) і пресованих зразків з попередньо спеченого і подрібненого матеріалу цієї ж суміші (ІІ випадок) спостерігається деяка анізотропія об’ємних змін – в радіальному напрямку відбувається усадка матеріалу, а по висоті – значне зростання, яке досягає 35(рис.1б). В І випадку аксіальне зростання обумовлене розпираючою однонаправленою дією газів, які через ймовірну анізотропію включень утвореної рідкої склофази в зразку при спіканні мають можливість вільного виходу в радіальному напрямку і не мають такої можливості в аксіальному напрямку. В ІІ випадку, що характеризується відсутністю газовиділення і масовтрат при спіканні, аксіальне зростання пояснюється пружною післядією, релаксацією пружних напружень, набутих при пресуванні, при термічній активації.

Технологічний процес одержання КМ гідроксиапатит/склофаза може мати три різновиди в залежності від використання вихідних сировинних матеріалів:

1) одержання КМ з ГАп та готового скла (відомо з літератури);

2) одержання КМ з ГАп та склоутворюючих компонентів;

3) одержання КМ з БГАп з органічною складовою (кісткова мука) та склоутворюючих компонентів.

Одержання зразків композитів за трьома різновидами технологічного процесу, дослідженими в роботі, можна узагальнити в технологічній схемі, поданій на рис. . Запропонована в роботі схема одержання КМ типу гідроксиапатит/склофаза є, на наш погляд, універсальною, тому що дозволяє одержати зразки біоматеріалів типу СГАп/скло з набором оптимальних параметрів для імплантаційних матеріалів.

РОЗДІЛ 4. Дослідження складу і структури одержаних зразків композитів та їх фізико-хімічні і механічні параметри

Практично для всіх складів композитів вміст кремнію та кальцію, що контролювався методами хімічного аналізу, співпадає з розрахунковими значеннями в межах похибки визначення. Додатковий аналіз КМ на вміст вуглецю показав, що матеріал КМ, що містив до спікання БГАп з органікою, після попереднього спікання міг вміщувати до 12,5мас.) вуглецю. Але вже після кінцевого спікання його кількість значно зменшувалась (не більше 0,21мас.)). Звичайно в зразках КМ вміст вуглецю не перевищував 0,1мас.).

Аналіз дебаєграм зразків КМ вказує на переважно кристалічну структуру БГАп, яка практично співпадає з тою, що встановлена для Ca10(PO4)6(OH)2 та на відсутність закристалізованої склофази а бо продуктів взаємодії склоутворюючих сполук з ГАп.

БГАп

або кісткова мука за ТУ У .15 246-97 | + | Суміш склоутворюючих компонентів | дозування, подрібнення до L1 і змішування | формовані зразки | вільно насипаний порошок | спікання при Т1?800 °С | попереднє спікання при Т1 | Зразки композитів | спечений матеріал | подрібнення до розміру частинок L2

| Формування зразків | Гранули матеріалу | кінцеве спікання при Т2 | | Зразки композитів | подрібнення | Гранули матеріалу | Рис. . Технологічна схема одержання зразків композитів типу гідроксиапатит/склофаза.

Основні смуги поглинання, визначені за допомогою інфрачервоної спектроскопії, характерні саме для БГАп, але є дещо розширеними внаслідок присутності аморфної склофази. На спектри оптичного відбиття R(v) композитів в ультрафіолетовій і видимій частинах спектру також мають вплив майже всі складові частини КМ. Характерним для всіх цих спектрів є наявність мінімуму R(v) в УФ-частині і зростання відбиття зі збільшенням довжини оптичних хвиль. Аналіз вказаних спектрів R(v) для зразків, одержаних в різних технологічних умовах, вказує на наявність більшої поверхневої взаємодії між компонентами композитів, одержаних з суміші вихідних компонентів скла і БГАп, ніж для композитів, одержаних з суміші готового скла і БГАп в процесі спікання.

Для мікроструктури зразків композитів з різним вмістом ГАп і склофази, оціненої за допомогою скануючої електронної мікроскопії, характерна наявність склофази, як темного фону на мікрофотографіях, і більш світлої частини з окремими зернами, які є кристалічною складовою (БГАп) та глибоких темних проміжків між ними, що є порами. Елементний аналіз композитів вказує на присутність іонів кальцію, фосфору, кремнію i натрію як у світлих зернинах, так і в темних проміжках між ними. Відносна кількість іонів кальцію, фосфору в зернинах дещо більша, ніж в тих частинах зразка, які вважаються скловидною фазою, при цьому поверхнева частина зразків композитів містить більше склофази, ніж внутрішня частина. Узагальнюючи, можна сказати, що загальна структура композитів являє собою пористий каркас зі скляною матрицею, в якому дисперговані кристалічні частинки БГАп.

За допомогою комп’ютерного аналізатора зображень SIAMS-600 встановлено, що мікроструктура композитів, яка формується в процесі рідкофазного спікання завдяки використанню у складі вихідної шихти композитів сполук, що виконують функції склоутворювача і газоутворюючого пороутворювача, характеризується наявністю пор, розмір яких знаходиться у межах від 1 мкм до 300 мкм. Практично для всіх складів композитів характерна поліпориста структура, приклад якої подано на рис. . Як видно з рис. , для кількісного розподілу пор за розмірами характерна наявність трьох основних груп пор з максимумами поблизу 2, 10 та 40 мкм.

Порівняльне дослідження порової структури мінералу кісткової тканини і такої для зразків композитів дозволило встановити їх якісну подібність. Тримодальний розподіл пор за розмірами, що найбільш часто зустрічається в композитах, в кількісному відношенні відрізняється від такого в мінералі кістки лише у розмірах великих пор (>40 мкм).

Рис. . Розподіл пор за розмірами для складу ОК (Т1=1100 °С) в подвійних логарифмічних координатах. |

Встановлено, що уявна густина композитів на основі БГАп знаходиться у межах 1,694-2,301 г/см3, межі уявної густини КМ на основі кісткової муки інші (1,154-1,575 г/см3), в обох випадках вони залежать від температури попереднього спікання зразків.

Збільшення температури попереднього спікання приводило до одержання КМ з більшою уявною густиною, що можна пояснити більш інтенсивним протіканням процесу рідкофазного спікання при меншій в’язкості системи і меншою пористістю вказаних зразків. Характерним є зростання пікнометричної густини матеріалу до 2,97 г/см3 разом зі збільшенням вмісту БГАп у вихідній шихті композитів, яке пояснюється найвищим значенням пікнометричної густини БГАп серед вихідних компонентів шихти. Спостерігалась деяка тенденція до збільшення пікнометричної густини КМ при використанні частинок матеріалу менших розмірів перед кінцевим спіканням. Розрахункові значення зміни густини для зразків КМ із різним співвідношенням БГАп/склофаза знаходились у межах 2,724-2,858 г/см3, одержані експериментальні значення пікнометричної густини були найближчими до вказаних меж для тих зразків, при синтезі яких Т1=1100 °С. Деякі параметри таких зразків подані в табл. .

Таблиця  .

Деякі параметри зразків КМ типу БГАп/склофаза

Назва складу | ГАп, %(мас.) | Середня пористість, ±5 | Густина, ± ,01г/см3Розчинність у фізіологічному розчині, ± 5г/см2діб | Максимальна міцність, ±  МПа | Уявна | Пікнометрична | на стиск | на згин | ОК 

32,809 | 18 | 2,26 | 2,75 | 11,0 | 184 | 34 | ОК 

50,274 | 23 | 2,03 | 2,86 | 10,6 | 131 | 25 | ОК 

68,508 | 25 | 1,85 | 2,87 | 76,7 | 91 | 12 | ОК 

(СГАп) | 45,436 | 38 | 1,80 | 2,79 | 53,0 | 29 | 23 | ОК с

(кісткова мука) | 50,274 | 55 | 1,15 | 2,51 | 45,0 | 21 | 5 | СГАп/скло

(РХТУ, Росія) | 50,000 | 58 | 1,00 | - | - | 12,5 | 5 |

Загальна пористість зразків композитів знаходилась у межах 12-60Найменша пористість композитів встановлена для зразків з найбільшою температурою попереднього спікання 1300 °С (12-25Найбільша загальна пористість встановлена для зразків композитів на основі кісткової муки (37_як, наприклад, зразок ОК с в табл. . Головною причиною значної пористості таких зразків було використання БГАп з органічною складовою у вихідній шихті, в результаті чого відбувалось видалення органіки при попередньому спіканні, та при кінцевому спіканні видалення вуглецю, вміст якого в матеріалі після попереднього спікання міг бути до 12мас.). Визначення типу пористості (відкрита чи закрита) зразків композитів показало, що для більшості зразків переважає частка закритої пористості, при цьому частка відкритої пористості знаходиться у межах 2-25загальної пористості зразків.

Встановлена тенденція зміни механічної міцності зразків композитів в залежності від масового співвідношення БГАп/склофаза в їх складі. Міцність на стиск всіх зразків композитів на основі БГАп знаходилась у межах 47-217 МПа та переважно знижувалась при збільшенні БГАп у складі КМ, що можна пояснити збільшенням загальної пористості таких зразків (табл. ). Аналогічне явище зниження міцності на стиск зразків виникає зі зменшенням їх температури попереднього спікання. Міцність зразків на стиск з вмістом БГАп 45-58мас.) змінюється практично у межах похибки, хоча й має тенденцію до зниження зі зменшенням вмісту склофази. Міцність зразків композитів на основі кісткової муки (БГАп з органічною складовою) була значно меншою внаслідок значної пористості зразків і не перевищувала 50 МПа. Модуль Юнга для деяких складів зразків КМ знаходився у межах 23,5-34,0 ГПа та був дещо вище, ніж відомі з літератури дані для кістки (10-22 ГПа) і подібних КМ СГАп/скло, РХТУ, Росія (1,8-5,0 ГПа).

Порівняння міцності КМ з літературними даними з міцності натуральної кістки показало, що міцність на стиск композитів знаходиться у таких межах, які відповідають міцності як губчатої так і кортикальної кістки і, відповідно, можуть бути використані для її заміни.

Міцність на стиск зразків КМ з практично однаковим вмістом БГАп і склофази при максимальній загальній пористості близько 55перевищує таку аналогічних КМ типу СГАп/склофаза, отриманих розробниками РХТУ ім. Д.І.Менделєєва (Москва, Росія) (табл. ).

Поведінка композитів при контакті зі штучними фізіологічними середовищами (“in vitro”), такими як фізіологічний розчин та плазма при температурі 37 С протягом певного проміжку часу була оцінена за зміною маси зразків матеріалу та за зміною рН середовища. Встановлено, що протягом перших 2 діб маса зразків КМ переважно зменшувалась (0,02-0,22мас.)/добу), що в деякій мірі залежало від об’єму пор зразків. Після перебування в середовищі протягом 7 діб зразки могли як втрачати, так і набирати масу. Особливо це було характерно для КМ на основі кісткової муки, на поверхні яких протягом перших двох діб утворювався гелевидний шар, хімічний аналіз якого показав значний вміст кальцію та меншу кількість фосфору та кремнію.

Підтвердженням того, що спостерігається активна взаємодія фізіологічного розчину із поверхнею композитів є зміна його рН вже через 5 хвилин. Абсолютні значення зміни рН складають від 0,5 до 1,6. Значення рН після двох діб були практично однаковими для всіх досліджуваних зразків, абсолютна зміна рН складала від 2,2 до 2,5. Абсолютні значення рН розчинів не залежали від структури зразків, тобто від розміру частинок матеріалу перед кінцевим спіканням. Значення рН розчинів після двох діб знаходились у межах 8,98-9,16, що відповідає величині рН розчину БГАп з різним співвідношенням Са/Р.

Встановлено, що досліджувані композити мають значні сорбційні властивості (переважно поверхнева сорбція з елементами хімічної взаємодії КМ та антибіотиків), які залежать від розміру частинок матеріалу перед кінцевим спіканням, загальної пористості. Тому при потребі вони можуть бути попередньо насичені лікарським препаратом перед імплантацією.

РОЗДІЛ 5. Медичні дослідження композиційних матеріалів

Дослідження “in vivo” (поведінка КМ в живому організмі) проведені на різних тваринах на клініко-біологічній базі Івано-Франківської медичної академії та на клініко-біологічній базі Інституту геронтології АМН України. Всі морфологічні та гістологічні дослідження проведені під керівництвом завідуючого лабораторією паталогоанатомії і морфології Інституту ортопедії і травматології АМН України проф. Бруско А.Т. Проведені дослідження свідчать про біосумісність, толерантність до оточуючих їх кісткових та м’якотканинних структур, відсутність негативного впливу на окремі частини кісткової системи тварин і на організм в цілому.

Досліди “in vivo” проведені на 25 дорослих собаках, яким імплантати були введені у вигляді гранул БГАп різного розміру і гранул композиту, що містив менше 30мас.) склофази (КМ типу ОК , табл. ). При термінах спостережень від 3 до 30 тижнів взаємодії імплантатів із організмом тварин виявлено, що більша кількість новоутвореної кісткової тканини спостерігається довкола гранул КМ у порівнянні з гранулами чистого БГАп в ранні терміни спостереження. Це може вказувати на прискорення процесу формування кісткової тканини в ранні терміни при імплантації гранул КМ, як більш біоактивних у порівнянні з імплантованими гранулами БГАп без склофази.

Імплантація зразків КМ у вигляді блоків з різним вмістом БГАп та склофази, що була проведена на кролях, також підтвердила їх біосумісність. Було встановлено, що через 5 тижнів контакту імплантатів із кісткою має місце глибоке вростання фіброзно-ретикулярної тканини по усьому периметру, а місцями - остеогенної тканини, відмічена наявність кровоносних судин, місць скупчення клітинних елементів, це свідчило про наявність процесу кісткоутворення. Через 15 тижнів контакту процес кісткоутворення наростає, про що свідчила більша кількість фіброзно-ретикулярних та клітинних комплексів. Після 25 тижнів контакту виявлені елементи формування, подібні до зрілої кістки. Кількісне та якісне нарощування фіброзно-з’єднувальних та кісткотканинних біоструктур мало місце в більшій мірі в об’ємах тих кісток, в які було імплантовано зразок КМ з більшим вмістом БГАп (типу ОК , табл. ), що вказує на високу кісткоутворюючу роль БГАп в процесах остеогенезу.

Клінічні випробування композитів були проведені на базі Луганського державного медичного університету при хірургічному лікуванні пацієнтів з пухлиноподібними захворюваннями та доброякісними пухлинами кісток. Основним принципом при хірургічному лікуванні пухлиноподібних захворювань та доброякісних пухлин кісток є видалення патологічної тканини. Для її заміщення використовували наступні біоматеріали з різним співвідношенням БГАп/склофаза: гранули з розмірами 80-250 мкм, 250-500 мкм, 1000-5000 мкм, пористо-гранульований матеріал (1000-5000 мкм), пористі блоки (низькопористі < 20 і високопористі > ). Прооперовано 23 хворих. Спостереження за хворими велося клінічними, рентгенологічними, біохімічними методами. Віддалені результати лікування оцінювали з онкологічного та ортопедичного погляду. Рецидивів захворювань не було. При використанні для імплантації гранул КМ з вмістом склофази менше 30мас.) з розмірами 80-250 мкм рентгенологічні ознаки резорбції імплантатів визначалися з 3-го місяці після операції. У вказаний термін мали місце послаблення інтенсивності тіні пластичного матеріалу і формування кортикального шару кістки. При використанні для імплантації гранул складу ОК з розмірами 250-500, 500-1000 мкм та високопористих блоків типу ОК подібні ознаки резорбції з’являлись в різні строки з 3-го по 6-й місяці після операції.

Проведені клінічні випробування свідчили, що розроблені КМ можуть бути використані як пластичний матеріал при заповненні дефектів кісток після видалення пухлин чи пухлиноподібних захворювань, а також ортопедичних операції, де потрібна пластика дефектів.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено матеріалознавчий підхід до реалізації ідеї створення нових біоматеріалів для імплантації на основі композитів гідроксиапатит/склофаза, яка передбачає використання гідроксиапатиту біологічного походження, цілком тотожного за складом мінералу кісткової тканини людини.

На основі дослідження особливостей пресування і спікання порошкових композитів і генезису їх пористої структури оптимізовані склади і технологічні режими одержання композитів з підвищеними механічною міцністю і біоактивністю та реалізована успішна апробація цих матеріалів в хірургічній практиці.

2. При дослідженні пресування порошкових сумішей біологічного гідроксиапатиту (Ca10-Х(PO4)6(OH)2, Ca/P=1,63-1,65) і склоутворюючої шихти (SiO2, Na2CO3, H3BO3) для приготування композитів виявлені такі особливості:

- порошкова суміш Ca10-Х(PO4)6(OH)2 + (SiO2, Na2CO3, H3BO3) при пресуванні ущільнюється значно краще, ніж окремі компоненти цієї суміші – гідроксиапатит біологічний і склоутворююча шихта, що пояснюється вищою щільністю утряски загальної суміші всіх компонентів (Ca10-Х(PO4)6(OH)2, SiO2, Na2CO3, H3BO3);

- при наявності розшарування при окремо пресованих порошків гідроксиапатиту і суміші склоутворюючих компонентів їх загальна суміш не має розшарування при пресуванні, що може бути пов’язано з меншою неоднорідністю розподілу пружних напружень у загальній суміші при пресуванні.

3. Встановлені особливості спікання порошкових сумішей біологічного гідроксиапатиту і склоутворюючої шихти для приготування композитів, які дозволяють ототожнити цей процес з процесом одержання пористих силікатних будівельних заповнювачів типу перлітів:

- наявність ознак рідкофазного спікання з добре змочуючою рідкою фазою, яке ускладнене процесами газовиділення і пружною релаксацією;

- супроводження спікання великою втратою маси (до 17яка обумовлена газоутворенням і виділенням газоподібних продуктів: Н2О, В2О3, СО2;

- газоподібні продукти в процесі спікання спінюють розплавлену скломасу, утворюючи в ній закриті пори, розмір яких залежить від характеристики в’язкості скломаси і поверхневого натягу;

- вихідна пориста структура пресовки з повною відкритою пористістю, трансформується в процесі спікання в систему з переважно закритою пористістю внаслідок просочення відкритих пор спіненою рідкою скломасою;

- при спіканні пресованих зразків вихідної порошкової шихти КМ спостерігається деяка анізотропія об’ємних змін: усадка матеріалу в радіальному напрямку і зростання у висоту до 35Аксіальне зростання може бути обумовлене розпираючою однонаправленою дією газів через анізотропію включень утвореної рідкої склофази в зразку, що спікається. У випадку спікання пресованих зразків з порошку попередньо спеченого матеріалу цієї ж суміші, який характеризується практичною відсутністю газовиділення при спіканні аксіальне зростання пояснюється пружною післядією, що реалізується при термічній активації.

4. Встановлено, що використання в складі вихідної шихти композитів сполук, що виконують подвійну функцію склоутворювача і газоутворюючого пороутворювача, приводить до формування поліпористої структури в процесі рідкофазного спікання порошків з максимумами розподілу основних груп пор поблизу 2, 10 і 40 мкм.

Порівняльне дослідження порової структури для зразків композитів і такої мінералу кісткової тканини дозволило встановити їх якісну подібність. Тримодальний розподіл пор за розмірами в композитах, в кількісному відношенні відрізняється від такого в мінералі кістки лише у розмірах великих пор (більше 40 мкм).

5. В результаті комплексу проведених досліджень розроблена технологія одержання нових композиційних матеріалів типу гідроксиапатит/склофаза з поліпористою структурою та широким діапазоном властивостей. Одержані та досліджені зразки композитів 12 основних складів з вмістом гідроксиапатиту (30-70)мас.) характеризуються пікнометричною густиною від 2,58 до 2,94 г/см3, загальною пористістю від 12 до 60розмірами пор до 300 мкм, значною сорбційною здатністю насичення лікарськими препаратами до 0,50мас.)/см2, міцністю на стиск до 220 МПа, на згин до 34 МПа, модуль Юнга до 34 ГПа.

Була розроблена технічна документація (Технічні умови та Технологічна інструкція) для подальшого впровадження в практику технології одержання склокристалічних біоматеріалів.

6. Клінічні дослідження біоматеріалів (“in vivo”) підтвердили результати проведених раніше дослідів “in vitro”, які встановили їх значну взаємодію із штучним фізіологічним середовищем.

Дослідження заміщення кісткових дефектів тварин імплантатами з композитів типу гідроксиапатит/склофаза, підтвердили їх високі біоактивні властивості, а саме: в період 3-5 тижнів після імплантації вростання остеогенної тканини та кровоносних судин в пори матеріалу з наступною його резорбцією, швидке формування густої мережі клітин-попередників та утворення нової кісткової тканини.

Клінічні дослідження заповнення кісткових порожнин біоматеріалами з вмістом гідроксиапатиту більше 50мас.) у пацієнтів з пухлиноподібними захворюваннями кінцівок підтвердили можливість їх використання як пластичного матеріалу у вигляді гранул та блоків для заміщення дефектів кісткової тканини в хірургічній практиці.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1 | Іванченко Л.А., Фальковська Т.І., Даниленко Н.В., Зирін А.В., Кобилочна Л.Г., Пінчук Н.Д., Воробей В.В. Структура і деякі властивості високопористої склокераміки, яка вміщує біологічний гідроксиапатит // Порошковая металлургия. – 1999. - № . – С. . | 2 | Iванченко Л.А., Фальковська Т.I., Кузьменко Л.М., Пінчук Н.Д., Воробей В.В., Лаврентьєва О.В., Логунова І.А. Вплив нанозеренної структури біологічного гідроксиапатиту на механічну міцність вміщуючих його композитів // Нанокристаллические материалы: Труды Института пробл. материаловедения им. Францевича НАН Украины. Серия Физико-химические основы технологии порошковых материалов. – Киев, - 2002, С. . | 3 | Иванченко Л.А., Фальковская Т.И., Пинчук Н.Д., Лаврентьева О.В., Логунова И.А. Получение и свойства упрочненного стеклофазой гидроксиапатита // Порошковая металлургия. – 2003, № 1-2, - С.62-68. | 4 | Подрушняк Є.П., Іванченко Л.А., Фальковська Т.І., Гуменюк О.М., Кобилочна Л.Г., Пінчук Н.Д., Ткачова Т.М. Нові біокомпозити на основі кісткового гідроксиапатиту та можливості їх використання в біології і медицині // Проблеми остеології – 1998. - т.1, № . - С. .

5 | Подрушняк Є.П., Іванченко Л.А., Бруско А.Т., Пінчук Н.Д. Біосумісність із кістковою тканиною та остеотропність композиційних матеріалів на основі біологічного гідроксиапатиту - остеоапатиту // Тези школи-семінару. - Проблеми остеології. – 2000. - т.3, № 4, - С. . | 6 | Пінчук Н.Д, Сулима В.С. Биоматериалы для остеопластики // Проблеми остеології. - т.3, № 4, 2000. - С. . | 7 | Сулима В.С., Бруско А.Т., Грицай М.П., Iванченко Л.А., Пінчук Н.Д.

Морфологiчне обгрунтування можливостi замiщення дефектiв кiсток бiоматерiалами на основi бiологiчного остеоапатиту // Проблеми остеологii. – 2001. - т. 4, №4.-С. . | 8 | L.A.Ivanchenko, V.P.Maiboroda, T.I.Falkovska, V.V.Vorobey, L.G.Cobilichnaya, N.D.Pinchuk. Manufacture properties and outlook of using of composites with the silicate-phoshate matrix // Abstracts International conference “Advanced Materials”. – Kiev. – 1999. – P.  | 9 | Л.А.Иванченко, В.А.Дубок, Т.И.Фальковская, Н.Д.Пинчук. Получение и свойства гидроксиапатитной керамики упрочненной стеклофазой // Тез. докл. Межд. конф. Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”. – Кацивели, Крым. – 2000. – С. . | 10 | Л.А.Иванченко, Н.Д.Пинчук, В.В.Воробей. Некоторые свойства низкотемпературной стеклокерамики, содержащей гидроксиапатит // Тез. докл. Межд. конф. Передовая керамика – третьему тысячелетию” (Сеram-2001). – Киев. – 2001. – С. . | 11 | Л.А.Іванченко, Т.І.Фальковська, Н.Д.Пінчук, Л.М.Кузьменко, О.В.Близнюк, О.М.Журба, К.В.Логунов. Одержання і характеристики гідроксіапатитової кераміки // Сборник трудов 2 Межд. научно-техн. Конф. “Композиционные материалы”. – Киев. – 2001. – С. . | 12 | Л.А.Іванченко, Т.І.Фальковська, В.С.Сулима, Н.Д.Пінчук. Деякі властивості композиційних матеріалів на основі “Остеоапатиту” // Сборник трудов 2 Межд. научно-техн. Конф. “Композиционные материалы”. – Киев. – 2001. – С. . | 13 | L.A.Ivanchenko, T.I.Falkovska, N.D.Pinchuk. New Composite Biomaterials Based on Hydroxyapatite // Materials Week 2002 Procedings. – Frankfurt (Germany). – 2002.14 | L.A.Ivanchenko, T.I.Falkovska, N.D.Pinchuk, O.V.Blyznuk. Melt-sinteringprocessing of hydroxyapatite biocomposites // Proc. of International conference “Science for Materials in the Prontier of Centuries: Advantages and Challenges”. – Kyiv. – 2002. – P. . 15 | L.A.Ivanchenko, N.D.Pinchuk. Research Behavior of Hydroxyapatite Biomaterials in Simulated Body Fluids