Введение к работе
Актуальность работы
В последнее время значительно интенсифицировались исследования по созданию материалов, предназначенных для замещения дефектов костной ткани Это связано с разработкой новых медицинских методов в хирургии, в частности, при удалении злокачественных опухолей, приводящих к обширным послеоперационным дефектам, а также с созданием принципиально новой, клеточной технологии восстановления костной ткани - так называемой «инженерии костной ткани» Технология основана на имплантировании в место дефекта пористого матрикса с культивированными в нем остеообразующими или стволовыми клетками Требования к материалу матрикса биологическая совместимость, микроструктура, благоприятная для жизнедеятельности клеток, скорость биологической резорбции, совместимая со скоростью формирования новой костной ткани, и уровень механических свойств, обеспечивающих органу возможность нести физиологические нагрузки в период оссификации
Кальций-фосфатные материалы и, в частности, гидроксиапатит (ГА), являются биологически совместимыми и резорбируемыми и рассматриваются как одни из наиболее перспективных для использования в целях восстановления костной ткани Большой вклад в развитие представлений в области химии фосфатов кальция и технологии материалов на их основе внесли отечественные (В П Орловский, Ю Д Третьяков, И В Мелихов, В Я Шевченко, Е С Лукин и др ) и зарубежные ученые (Р Легерос, Л Хенч, У Бонфилд, X Аоки и др ) В конце 80-х годов материалы на основе фосфатов кальция и, в частности, ГА, стали коммерчески доступными для медицинских применений Однако микрокристаллический ГА (МГА) по своим химическим, механическим и биологическим свойствам не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалам для новых технологий восстановления костных тканей Невысокая прочность керамических материалов из МГА, низкая скорость резорбции, слишком высокая температура спекания изделий из МГА (1200-13ООС), приводящая к рекристаллизации и потере биологической активности - все это является сдерживающими факторами при использовании МГА и изделий из него в медицинской практике Эти недостатки, как полагают, удастся преодолеть за счет наноструктурированности керамического материала
Нанопорошки ГА могут иметь самостоятельное применение в качестве средств доставки в организм лекарственных препаратов в терапии на клеточном уровне Наноструктурированные керамические материалы, как установлено в последнее время, обладают специфическими биологическими свойствами высокой адсорбцией протеинов, повышенной функцией остеокластов и остеобластов - клеток, участвующих в процессе
4 ремоделирования костной ткани, и пониженной функцией конкурирующих клеток, в частности фибробластов, ответственных за формирование соединительной ткани Эти свойства связывают с особым энергетическим состоянием и морфологией поверхности нанокристаллической керамики Синтез нанокристаллического ГА (НГА) с заданной морфологией частиц и, особенно, технология, обеспечивающая сохранение нанокристаллического состояния спеченной керамики, являются актуальными и пока еще мало изученными проблемами
Цель работы Разработка методов синтеза наноразмерного гидроксиапатита (НГА), изготовление керамики на его основе, установление особенностей микроструктуры и механических свойств керамики из НГА
Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи
- разработка методов синтеза порошков НГА контролируемых размеров и
морфологии, в том чисте в растворах полимеров,
- установтение влияния анионных замещений (СОз2 и S1O4 ) в структуре ГА на
характеристики порошков, изучение возможности стабилизации карбонат-содержащего
ГА (КГА) посредством катионных замещений Na+—> Са2+,
совершенствование методов сушки порошков НГА для сохранения высокодисперсного состояния,
- сравнительное исследование формирования микроструктуры и свойств пористых
сферическил гранул из НГА и МГА,
- снижение температуры спекания керамики на основе НГА посредством
применения высоких давтений при прессовании и введения спекающих добавок для
получения нанокристаллической керамики
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем
-
Исследовано втияние растворов различных полимеров (крахмал, желатин, почивиниловый спирт), вводимых in situ, и их концентрации на размер и морфологию частиц НГА Установлено, что концентрационные зависимости удельной поверхности продукта синтеза существенно зависят от природы полимера Выявлены условия проведения синтеза, позволяющие получить частицы НГА размером от 5 нм (по данными просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ))
-
Разработаны методы синтеза наноразмерного ГА различной морфологии (изометрические и частицы в форме иголок и пластин) Установлено влияние анионных замещений на характеристики продуктов синтеза, показано, что введение карбонат- и силикат-групп в ГА способствует формированию наносостояния
-
По результатам термогравиметического анализа и Фурье ИК-спектроскопии установлено, что введение натрия в карбонат-содержащии ГА для компенсации зарядового дисбаланса не приводит к повышению термической стабильности, что обусловлено увеличением доли КГА Б-типа замещения с меньшей (по абсолютной величине) энтальпией образования дефекта структуры, по сравнению с КГА АБ-типа замещения
-
По результатам исследования различных сред для сушки наноразмерных порошков ГА установлено, что последовательное замещение среды сушки с понижением поверхностного натяжения (вода —> этанол —» толуол) позволяет повысить значения удельной поверхности порошка, по-видимому, за счет меньшей агломерированное
-
Разработаны составы спекающих добавок в системе карбонатов K2CO3-L12CO3, введение которых в НГА в количестве до 7 % масс приводит к образованию жидкой фазы при спекании, что позволяет получить керамику из НГА при температуре спекания 600С
6) Применение высокого давтения (до 3,5ГПа) при одноосном прессовании порошков
НГА с размером кристаллитов 10-15 нм позволило, в результате интенсификации
спекания за счет увеличения площади контакта частиц, получить при температуре
спекания 640 С керамику с размером кристаллитов 25-50 нм (по данным ПЭМ) при
открытой пористости менее 5%
Практическая ценность работы состоит в стедующем
-
Разработаны условия синтеза и последующие технологические операции, обеспечивающие возможность получения НГА заданной дисперсности и морфологии, для последующего изготовления гранул, в том числе для заполнения дефектов костной ткани и напыления покрытий Гранулы использовали для плазменного напыления покрытий на титановые имплантаты
-
Разработаны основы технологии керамики из НГА с применением активирующих спекающих добавок, обладающей повышенными механическими свойствами по сравнению с микрокристаллической керамикой, для применения в качестве несущих нагрузку имшіантатов
На защиту выносится:
1) Результаты исследования синтеза НГА заданной морфологии и дисперсности в растворах почимеров различной природы, синтеза нанокристаллического анион-замещенного ГА, исследования термической стабильности натрий-содержащего карбонатгидроксиапатита
-
Результаты исследований по технологии гранул и керамики из НГА
-
Результаты исследования микроструктуры, фазового состава, механических свойств керамики из НГА
Апробация работы и публикации
Материалы диссертационной работы доложены на Международной конференции «Деформация и разрушение конструкционных порошковых материалов», Стара Лесна, Словакия, 2005, Выставках и конференциях МКНТ Правительства Москвы «NTMEX 2005, 2006» (диплом и грамота), Всероссийском совещании «Биокерамика в медицине», Москва,
2006, 4-й Международной конференции «Керамика, клетки, ткани», Франция, Италия,
2007, Международной конференции «Науки о наноматериалах и нанотехнологии»,
Тессалоники, Греция, 2007
Работа выпочнена в соответствии с планами НИР Института физико-химических проблем керамических материалов РАН, поддержана программами Президиума РАН Ш, ОХНМ РАН 3 ОХ, грантами РФФИ № 06-03-32192, 06-03-08028, ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», Госконтракт № 02 513 11 3159
Основное содержание работы изложено в публикациях в виде 6 статей и 4 тезисов докладов
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 115 наименований Диссертация содержит 131 страницу, в том числе 10 таблиц, 51 рисунок
