LV14492B - Porous hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores and method for manufacturing thereof - Google Patents

Porous hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores and method for manufacturing thereof Download PDF

Info

Publication number
LV14492B
LV14492B LVP-11-178A LV110178A LV14492B LV 14492 B LV14492 B LV 14492B LV 110178 A LV110178 A LV 110178A LV 14492 B LV14492 B LV 14492B
Authority
LV
Latvia
Prior art keywords
ceramic
hap
pore
porosity
ceramics
Prior art date
Application number
LVP-11-178A
Other languages
Latvian (lv)
Other versions
LV14492A (en
Inventor
Jānis LOČS
Vita ZĀLĪTE
Indulis Freimanis
Līga BĒRZIŅA-CIMDIŅA
Andrejs SKAĢERS
Original Assignee
Rīgas Tehniskā Universitāte
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rīgas Tehniskā Universitāte filed Critical Rīgas Tehniskā Universitāte
Priority to LVP-11-178A priority Critical patent/LV14492B/en
Publication of LV14492A publication Critical patent/LV14492A/en
Publication of LV14492B publication Critical patent/LV14492B/en

Links

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

The proposed porous hydroxyapatite ceramics with a bimodal pore distribution and preparation method thereof belongs to field of medicine, traumatic and orthopedics, usable in maxillofacial surgery as scaffolds for tissue engineering or drug delivery systems, as well as fillers in bone (spongy parts) defects. Hydroxyapatite powder is used as basic material, glycerol as plasticizer, de-ionized water as moistening agent, and ammonium bicarbonate as a pore-former substance. Ceramic manufacturing technology is based on the foaming process in situ.The new technical quality of invention is working out ceramics with a bimodal pore distribution and preparation method thereof that provides total porosity of 65 to 75 % containing 53 to 62 % open macro-porosity with pore’s diameter in the range from 50 to 500 micro-meters, and micro-porosity with pore’s diameter in range from 0.05 to 0.2 micro-meters. Closed porosity is 12 to 14 %. Compressive strength of ceramics is 8 to 11 MPa.Composition of ceramic mass and its fabrication method provides implant biocompatibility, porosity with interconnected pore system (macro- and micro-pores), that stimulates the body’s cell growth and increases the adsorption of proteins and mechanical properties that corresponds to quality of trabecular bone.

Description

Piedāvātais izgudrojums attiecas uz medicīnas nozari un pielietojams traumatoloģijā un ortopēdijā, sejas-žokļa kaulu ķirurģijā kā pamatnes kaulaudu inženierijā vai zāļu piegādes sistēmu izveidošanai, kā arī kā pildviela kaulu defektu aizpildīšanai.The present invention relates to the medical field and is useful in traumatology and orthopedics, in facial-jaw bone surgery as a basis for bone tissue engineering or in drug delivery systems, and as a filler for bone defects.

Ir zināms paņēmiens porainu, formējamu izstrādājumu izgatavošanai no metāla, keramikas un kompozītmateriālu pulveriem [1], kurā kā poru veidojošu vielu pielieto amonija sāļus, t.sk. amonija hidrogēnkarbonātu (NH4HCO3), kas termiski sadalās virs 60°C, veidojot materiāla struktūrā poras. Kā virsmas aktīvas vielas masas sastāvā ievada polivinilacetātu vai polietilēnu, bet kā mitrinošās piedevas - absolūto etanolu vai petrolēteri. Iegūtie izstrādājumi pēc šī paņēmiena pielietojami galvenokārt būvmateriālu ražošanas nozarē.There is a known process for the production of porous, moldable articles from metal, ceramic and composite powders [1] using ammonium salts as the pore forming agent, incl. ammonium bicarbonate (NH4HCO3), which decomposes above 60 ° C, forming pores in the material structure. Polyvinyl acetate or polyethylene is administered as a surfactant and absolute ethanol or petroleum ether as the wetting agent. The resulting products are mainly used in the building materials industry.

Zināms arī porainas AI2O3 keramikas iegūšanas tehnoloģiskais paņēmiens, kura pamatā ir poru veidotāja NH4HCO3 sadalīšanās termiskās apstrādes (60-80°C) procesa laikā [2], Kā poru veidojošs komponents masas sastāvā ievadīts NH4HCO3, kā mitrinošais aģents - ūdens. Kā plastificējošā piedeva keramikas sastāvā ievadīta kartupeļu ciete, kas 80°C sekmē suspensijas sarecēšanu (želēšanu), un kā dispersants - viela A6114. Uz šo pētījumu pamata iegūtās porainās AI2O3 keramikas izmantošana medicīnas nozarē ir ierobežota, jo tā klasificējama kā inerts implantmateriāls, ap kuru veidojas saistaudu kapsula, kas ierobežo šo implantu pielietošanu vietās, kas pakļautas dinamiskai slodzei. Plašāku pielietojumu, kā tas norādīts [2], tā guvusi ķīmijas tehnoloģijā un aparātbūvē katalīzes reakcijas paātrinātāju, separācijas filtru un termisko izolatoru izgatavošanai.Also known is the technological process for the production of porous AI2O3 ceramics based on the decomposition of the pore maker NH4HCO3 during the heat treatment (60-80 ° C) process [2]. NH4HCO3 was added as a pore forming component to the mass as water. Potato starch was introduced into the ceramic as a plasticizing additive, which at 80 ° C facilitates the coagulation (gelling) of the suspension, and as a dispersant - substance A6114. The use of porous AI2O3 ceramics obtained from these studies is limited in the medical field because it is classified as an inert implant material around which a connective tissue capsule is formed, which limits the use of these implants in areas subject to dynamic loading. It has gained widespread application, as indicated in [2], in chemical technology and apparatus construction for the manufacture of catalytic reaction accelerators, separation filters and thermal insulators.

Vēl zināmi Nīderlandes zinātnieku pētījumi par makroporainu hidroksilapatīta pamatņu izgatavošanu kaulaudu inženierijai [3]. Porainas HAp keramikas iegūšanai pielieto paņēmienu, kas pamatojas uz divu fāžu - HAp suspensijas un polimēra maisījuma uzputošanu. Kā poru veidojošus aģentus izmanto 25 % karbonātu šķīdumus (NaHCO3, CaCCfi, NH4HCO3) un citronskābi. Kā polimerizācijas iniciatorus izmanto polimetilmetakrilātu (PMMA) un metilmetakrilāta monomēra (MMA) maisījumu. Tehnoloģiskais cikls sastāv no sagatavju žāvēšanas, pirolīzes un apdedzināšanas 1250°C un ilgst ~60 stundas. Iegūto paraugu kopējā porainība ir 50 - 68 %, ar vidējo poru izmēru - 456 pm. Paraugu mikroporainība pēc apdedzināšanas ir 2 %. Kā paņēmiena trūkums atzīmējams tas, ka keramiskās masas sastāvā ievadīto polimerizācijas iniciatoru sadalīšanai un izvadīšanai no masas papildus jāveic pirolīze, kas paildzina tehnoloģisko procesu. Šādā veidā iegūtajai keramikai raksturīga ļoti maza mikroporainība, kas būtiski samazina proteīnu adsorbciju. Jo lielāka būs mikroporainība, jo lielāks implanta virsmas laukums un līdz ar to labāka proteīnu sorbcija. . Paņēmiens vērtējams kā laika un energoietilpīgs, un videi nedraudzīgs ar relatīvi zemu kopējo mikroporu daudzumu.Also known are Dutch scientists' studies on the production of macroporous hydroxylapatite substrates for bone tissue engineering [3]. For the production of porous HAp ceramics, a two-phase foam HAp suspension and polymer blend technique is used. As the pore-forming agent, for 25% carbonate solution (NaHCO 3 CaCCfi, NH4HCO3) and citric acid. A mixture of polymethyl methacrylate (PMMA) and methyl methacrylate monomer (MMA) is used as a polymerization initiator. The technological cycle consists of blast drying, pyrolysis and firing at 1250 ° C for ~ 60 hours. The obtained samples have a total porosity of 50-68% with an average pore size of 456 µm. The microporousness of the samples after calcination is 2%. A disadvantage of the process is that the polymerization initiators introduced into the ceramic mass must be additionally pyrolysed, which prolongs the technological process. The ceramics obtained in this way are characterized by very low microporousity, which significantly reduces protein adsorption. The higher the porosity, the greater the surface area of the implant and the better the sorption of proteins. . The method is considered to be time- and energy-intensive and environmentally unfriendly with relatively low total micropores.

Zināmi arī Anglijas zinātnieku pētījumi par dispersantu koncentrācijas ietekmi uz hidroksilapatīta poru morfoloģiju [4]. Pētījumi veikti ar mērķi noskaidrot keramisko materiālu pielietošanas iespējas kā pamatnes kaulaudu reģenerācijai. Kā poru veidotājs HAp keramikas sastāvā izmantots daudzvērtīgais organiskais spirts - tergitols (Cu^oCh), kā poraino struktūru stabilizējoša viela - metilceluloze. Pēc termiskās apstrādes 65°C temperatūrā, sadaloties tergitolam, veidojas poras, pēc termiskās apstrādes 250°C, izdegot metilcelulozei, poras fiksējas keramikas struktūrā. Konstatēts, ka apdedzināta parauga kopējā porainība sasniedz 85%, poru izmērs 391 - 495 pm. Eksperimentāli pierādīts, ka poru forma un lielums atkarīgi no masas suspensijas viskozitātes, izejvielu komponentu daudzuma un poru veidojošā aģenta putotspējas. Kā paņēmiena trūkums atzīmējama - iegūto keramikas pamatņu zemā spiedes izturība, kas raksturojas ar 1,09 - 1,76 MPa. Līdz ar to tās nav ieteicamas kaulu aizvietošanai slogotās vietās un ir apgrūtināta implanta mehāniska fiksācija. To pielietojums varētu būt selektīvs, t.i. vietās, kur materiāls ekspluatācijas laikā nav pakļauts mehāniskai slodzei.Also known are studies by English scientists on the effect of dispersant concentration on the pore morphology of hydroxylapatite [4]. The aim of the research was to find out the potential of ceramic materials as substrates for bone regeneration. The HAp ceramic used as a pore builder is a polyvalent organic alcohol - tergitol (Cu ^ oCh), as a cellular structure stabilizing agent - methylcellulose. After heat treatment at 65 ° C, pores are formed by decomposition of tergitol, and after heat treatment at 250 ° C, when burned with methylcellulose, the pores are fixed in the ceramic structure. The total porosity of the calcined sample was found to be 85%, pore size 391 - 495 pm. It has been experimentally shown that the shape and size of the pores depend on the viscosity of the bulk suspension, the amount of raw material components and the foaming capacity of the pore forming agent. The drawback is the low compressive strength of the obtained ceramic substrates, which is characterized by 1.09 - 1.76 MPa. As a result, they are not recommended for bone replacement in stressed areas and the mechanical fixation of the implant is difficult. Their use could be selective, i.e. in places where the material is not subjected to mechanical stress during operation.

Zināms arī Vācijas patents [5], atbilstoši kuram porainas kalcija fosfāta (Ca/P=l,5 - 1.7) keramikas iegūšanai kā izejvielu izmanto HAp pulveri ar dažādu daļiņu granulometrisko sastāvu (rupjo daļiņu vidējais izmērs ir no 5 pm līdz 20 pm, smalko daļiņu - mazākas par 1 pm), ūdeni, virsmas aktīvas vielas - malamīdu un/vai metilcelulozi, karboksilmetilcelulozi, polioksietilēnlaurilēteri. Masu homogenizējot un mehāniski putojot notiek poru veidošanās, kā poru veidojošais aģents ir masā iesaistītais atmosfēras gaiss. Pēc uzputošanas iegūto gēlu žāvē 83°C temperatūrā (2 h). Žāvēšanas procesam seko apdedzināšana 1200°C, kuras rezultātā iegūst keramiku ar porainību 85 % un poru izmēriem no 50 - 500 pm. Struktūrā konstatējamas mikroporas ar vidējo diametru 0,8 pm. Mikroporas veido sietveida struktūru, kas sekmē proteīnu sorbēšanos uz keramikas virsmas un pēc tam arī kaulaudu ieaugšanu. Šādus implantus var pielietot kā kaulu defektu pildvielu. Kā izgudrojuma trūkumi minami: materiāla sastāvā ievadīti lielmolekulāri polimēru savienojumi kā virsmas aktīvās vielas un saistvielas, kuri termiskās apstrādes laikā sadalās, izdalot CO2, kas palielina tā emisiju apkārtējā vidē, tehnoloģiski process ir laik- un energoietilpīgs. Kā trūkums jāatzīmē arī tas, ka trabekulārā kaula porainība ir no 55 - 70 % [6], bet pēc šīs metodes iegūtie materiāli raksturojas ar relatīvi lielāku porainību (85 %) un līdz ar to - ar zemāku mehānisko izturību uz spiedi nekā dabiskajam trabekulārajam kaulam. Organiskās un neorganiskās fāzes termiskās izplešanās koeficientu atšķirības rezultātā materiālā rodas plaisas termiskās apstrādes procesā, kas savukārt arī pazemina mehānisko izturību un ilgmūžību.Also known is the German patent [5], which uses HAp powder with various particle size distribution (average particle size from 5 pm to 20 pm, fine particle size) as raw material for the production of porous calcium phosphate (Ca / P = 1.5 - 1.7). particles less than 1 pm), water, surfactants - malamide and / or methylcellulose, carboxylmethylcellulose, polyoxyethylene lauryl ether. By mass homogenizing and mechanically foaming, pore formation occurs, as the pore forming agent is the atmospheric air involved in the mass. After foaming, the resulting gel is dried at 83 ° C (2 h). The drying process is followed by firing at 1200 ° C, which results in ceramics with a porosity of 85% and a pore size of 50-500 µm. The structure exhibits micropores with an average diameter of 0.8 µm. Micropores form a mesh-like structure that promotes sorption of proteins onto the ceramic surface and then the growth of bone tissue. Such implants can be used as filler for bone defects. The disadvantages of the invention are: high molecular weight polymer compounds introduced into the material as surfactants and binders, which decompose during heat treatment to release CO 2 , which increases its emissions to the environment, is technologically and time consuming. A drawback is that the porosity of the trabecular bone is between 55 and 70% [6], but the material obtained by this method is characterized by relatively higher porosity (85%) and consequently lower mechanical strength than natural trabecular bone. . The difference in thermal expansion coefficients between the organic and inorganic phases results in cracks in the material during the heat treatment process, which in turn also reduces the mechanical strength and longevity.

Par prototipu izvēlēta hidroksilapatīta (HAp) keramika ar bimodālu poru sadalījumu un tās izgatavošanas paņēmiens [7]. Paņēmiens pamatojas uz HAp keramikas izgatavošanu no masas sastāva, kas satur HAp un želatīnu (plastificējošā piedeva) attiecībās 1:0,1-0,3. Tehnoloģiskais process vispirms ietver HAp granulu izgatavošanu. Hidroksilapatīta granulas izgatavo ar suspensijas paņēmienu, sajaucot HAp pulveri ar 10 % želatīna šķīdumu ūdenī, iegūto suspensiju disperģē ar lāpstiņveida maisītāju. Virsmas spraiguma spēku iedarbības rezultātā izveidojas sfēriskas formas granulas, kuras atmazgā no eļļas un žāvē. Ar sietu palīdzību atdala frakciju no 500 - 1000 pm. Granulas pēc žāvēšanas presē ar izostatiskās presēšanas paņēmienu ar spiedienu no 10 līdz 100 MPa. Izpresētās sagataves 24 stundas žāvē gaisā un apdedzina gaisa vidē temperatūrā 900 - 1250°C, izturot 0,5 - 5 stundas. Noteicošie tehnoloģiskie parametri, no kuriem atkarīga materiāla porainība un poru sadalījums, ir presēšana un apdedzināšanas režīms. Keramikas tehnoloģiskā procesa rezultātā iegūtā keramika raksturojas ar bimodālu poru sadalījumu, kas ietver slēgtās mikroporas ar diametru <10 pm un vaļējās makroporas, kas veidojas izdegot želatīnam, ar diametru >100 pm. Paraugu kopējā porainība ir 41 - 70 %, tajā skaitā 15-54 % mikroporas ar izmēru no 1 līdz 10 pm un makroporas 4 - 37 % ar izmēru 50 - 150 pm.Hydroxylapatite (HAp) ceramics with bimodal pore partitioning and its manufacturing method have been chosen as the prototype [7]. The method is based on the production of HAp ceramics from a mass composition containing HAp and gelatin (plasticizer) in a ratio of 1: 0.1-0.3. The technological process first involves making HAp pellets. Hydroxylapatite granules are made by slurry mixing the HAp powder with 10% aqueous gelatin solution and dispersing the resulting slurry in a spatula. As a result of surface tension forces, spherical shaped granules are formed, which are washed from oil and dried. The fraction from 500 to 1000 pm is separated by means of a sieve. The pellets are dried in a press in an isostatic pressing process at a pressure of 10 to 100 MPa. The extruded blanks are air-dried for 24 hours and baked in the air at 900 - 1250 ° C for 0.5 to 5 hours. The decisive technological parameters on which the porosity and pore distribution of the material depend are the pressing and firing mode. The ceramics produced by the technological process of ceramics is characterized by bimodal pore size distribution, which includes closed micropores with diameter <10 pm and open macropores formed upon burning of gelatin with diameter> 100 pm. Samples have a total porosity of 41-70%, including 15-54% of micropores between 1 and 10 µm and macropores between 4 and 37% between 50 and 150 µm.

Paņēmiens tehnoloģiski vērtējams kā laikietilpīgs, tā realizācijai nepieciešams patērēt papildus energoresursus pulverveida daļiņu granulēšanai, žāvēšanai. Bez tam, kā izostatiskās presēšanas trūkumi jāatzīmē tas, ka, izostatiski presējot, iespējams iegūt vienkāršas konstrukcijas elementus (plāksnītes, diskus u.c.), kā arī nav iespējams nodrošināt vienmērīgu blīvuma sadalījumu formētajā sagatavē [8].The process is technologically evaluable as it is time consuming, it requires additional energy resources for granulation and drying of powdered particles. In addition, one of the drawbacks of isostatic pressing is the fact that by simple isostatic pressing it is possible to obtain elements of simple construction (plates, discs, etc.) and it is not possible to ensure uniform density distribution in the molded part [8].

Kā būtiskākais trūkums jāatzīmē tas, ka iegūtā keramika raksturojas ar relatīvi zemu atvērto, caurejošo makroporu daudzumu (4 - 37 %) un relatīvi mazu atvērto poru izmēru, kas nenodrošina efektīvu jaunu kaulaudu un asinsvadu ieaugšanu un fiksāciju implanta tilpumā [9], kā arī poru veidošanās process atkarīgs no sagatavju presēšanas spiediena un apdedzināšanas temperatūras.The main disadvantage is that the obtained ceramics is characterized by a relatively low amount of open, permeable macropores (4-37%) and relatively small size of open pores, which does not ensure efficient growth and fixation of new bone and blood vessels in the implant volume [9]. the formation process depends on the pressing pressure and the sintering temperature of the blanks.

Piedāvātā izgudrojuma mērķis ir izstrādāt porainu HAp keramiku ar vienkārši realizējamu tehnoloģiju, kas nodrošina bimodālu poru sadalījumu implantā (makroporas un mikroporas), palielinot makroporu daudzumu un to izmēru diapazonu keramikas struktūrā, kas sekmētu kaulaudu un asinsvadu ieaugšanu materiālā un nodrošinātu to osteokonduktivitāti.The aim of the present invention is to develop porous HAp ceramics with an easy-to-implement technology that provides bimodal pore partitioning in the implant (macropores and micropores) by increasing the size of macropores and their size range in the ceramic structure to facilitate bone growth and vascular growth.

Izgudrojuma mērķis tiek sasniegts, izstrādājot jaunu keramiskās masas sastāvu un keramikas ieguvi no tā ar vienkāršu energo- un materiālus taupošu paņēmienu.The object of the invention is achieved by the development of a new composition of ceramic mass and the extraction of ceramics from it with a simple energy and material saving technique.

Piedāvātais keramiskās masas sastāvs (masas%):Proposed composition of ceramic mass (% by weight):

hidroksilapatīts 45-50 dejon. H2O 4-5 glicerīns 44 - 47hydroxylapatite 45-50 deion. H 2 O 4-5 glycerol 44 - 47

NH4HCO3 2-3NH4HCO3 2-3

Masas izgatavošanai izmantotas sekojošas izejvielas: hidroksilapatīts [10], dejonizēts ūdens (attīrīts ar Crystal E iekārtu (R>0,055 pS/cm); glicerīns (A/S „Bio-Venta”, -Lot. 19041-2009, tīrības pakāpe 99,8 %), amonija hidrogēnkarbonāts (NH4HCO3) (SIA «Enola” EC213-911-5). Keramikas izgatavošanas tehnoloģiskā procesa pamatā, lai veidotos poraina struktūra, ir uzputošanas paņēmiens in situ, t.i., poras struktūrā rodas termiskās apstrādes laikā, kad amonija hidrogēnkarbonāta sadalīšanās rezultātā rodas gāzveida vielas (CO2, NH3, H2O) un notiek suspensijas uzputošana.The following raw materials were used for the production of the mass: hydroxyapatite [10], deionized water (purified by Crystal E machine (R> 0.055 pS / cm)), glycerol (Bio-Venta A / S, Lot 19041-2009, purity 99, 8%), ammonium bicarbonate (NH4HCO3) (Enola Ltd. EC213-911-5) The technological process of ceramic production to form a porous structure is based on the foaming process in situ, ie the pore structure is formed during the heat treatment, when ammonium bicarbonate decomposition results in gaseous substances (CO 2 , NH 3, H 2 O) and foaming of the suspension.

Porainas HAp biokeramikas iegūšanas paņēmiens realizējams sekojošā secībā:The process for obtaining porous HAp bioceramics can be carried out in the following order:

- HAp pulvera sagatavošana (smalcināšana, sijāšana) un dozēšana;- HAp powder preparation (grinding, screening) and dosing;

- glicerīna un ūdens maisījuma pagatavošana;- preparation of a mixture of glycerol and water;

- pakāpeniska HAp pulvera pievienošana sagatavotajam glicerīna-ūdens maisījumam, to nepārtraukti maisot, līdz izveidojas homogēna viskoza plūstoša masa (maisīšanas procesa laikā viskozitāte samazinās no 9-103 Pa-s līdz 0,9-103 Pa-s);- gradual addition of HAp powder to the prepared glycerol-water mixture with continuous stirring until a homogeneous viscous fluid mass is formed (viscosity decreases from 9-10 3 Pa-s to 0.9-10 3 Pa-s during the mixing process);

- poru veidotāja NH4HCO3 pievienošana, suspensiju nepārtraukti maisot (sākotnēji viskozitāte palielinās no 0,17-103 Pa-s līdz 0,2-103 Pa-s, bet, turpinot maisīt, samazinās līdz 0,09-10J Pa-s);- addition of NH4HCO3 pore former with continuous stirring (initially viscosity increases from 0.17-10 3 Pa-s to 0.2-10 3 Pa-s, but decreases to 0.09-10 J Pa-s with continued stirring );

- sagatavotās masas iepildīšana formās, kuras izmērus un konfigurāciju izvēlas atbilstoši nepieciešamā implanta formai un izmēriem;- filling the prepared mass into molds of a size and configuration selected according to the shape and dimensions of the implant required;

- termiskās apstrādes procesa realizēšana 2 stadijās, no kurām pirmajā stadijā 80 °C temperatūrā ar izturēšanas laiku 1 - 2 stundas, keramiskās masas sastāvā notiek intensīva poru veidošanās, sadaloties NH4HCO3 un izdaloties gāzveida vielām. Glicerīna-ūdens sistēma ir tā masas komponente, kas satur kopā HAp daļiņas. Ūdens un glicerīna maisījums aptver pulvera daļiņas un rada lubrikanta efektu, pie tam, HAp daļiņas var viegli pārvietoties masas uzputošanās laikā.Otrajā stadijā, kuru realizē 120 °C ar izturēšanas laiku 20 stundas, no masas izdalās pievienotais ūdens un daļēji sāk iztvaikot glicerīns. Otrajā žāvēšanas stadijā notiek izveidojušās porainās struktūras fiksācija un nostiprināšanās, nozīmīgs parametrs šajā stadijā ir HAp un glicerīna masas attiecība izveidotās masas sastāvā ir 1:0,88-1,04- realization of the heat treatment process in 2 stages, of which in the first stage at 80 ° C with a holding time of 1-2 hours, intense pore formation takes place in the ceramic mass by decomposition of NH4HCO3 and release of gaseous substances. The glycerol-water system is the mass component that contains the HAp particles together. The mixture of water and glycerol covers the powder particles and creates a lubricant effect, in which the HAp particles can easily move during mass foaming. In the second stage, realized at 120 ° C for a holding time of 20 hours, the added water is liberated and partially glycerol begins to evaporate. During the second drying stage, the formation and consolidation of the formed porous structure occurs, an important parameter in this stage is the ratio of HAp to glycerol mass in the formed mass: 1: 0.88-1.04

- paraugu izņemšana no formām un apdedzināšana elektriskajā mufeļkrāsnī gaisa vidē- removal of samples from the molds and roasting in an electric muffle furnace in air

1100 - 1200 °C, maksimālo temperatūru izturot 2 stundas, temperatūras celšanas ātrums - 5°C/min. Apdedzināšanas-atdzesēšanas cikls ilgst 11 stundas.1100-1200 ° C with a maximum temperature of 2 hours and a rise rate of 5 ° C / min. The annealing-cooling cycle lasts 11 hours.

Ietekmējošie faktori, kas nosaka poru daudzumu un to lielumu keramikas struktūrā, ir izejvielu HAp un NH4HCO3 masu attiecība, granulometriskais sastāvs (daļiņu izmēri) un apdedzināšanas temperatūra. Eksperimentāli noskaidrots, HAp daļiņu frakcijas optimālais izmērs ir 45 pm < d < 100 pm, kas nodrošina lielāku kopējo, t.sk. atvērto porainību. Apdedzināšanas procesā smalkākās HAp daļiņas (d<45 pm) nodrošina blīvāku materiāla mikrostruktūru (saķepšanas process), kas samazina atvērto, bet palielina slēgto porainību. Ja poru veidotāja NH4HCO3 daļiņas lielākas par 300 pm, tad iegūtās keramikas struktūrā pēc apdedzināšanas konstatējama mazāka kopējā un atvērtā porainība.The influencing factors that determine the amount of pores and their size in the ceramic structure are the weight ratio of the raw materials HAp and NH4HCO3, the granulometric composition (particle size) and the sintering temperature. The optimum size of the HAp particle fraction has been experimentally determined to be 45 µm <d <100 µm, which provides a higher total, incl. open porosity. During the sintering process, finer HAp particles (d <45 pm) provide a denser microstructure of the material (sintering process), which reduces open but increases closed porosity. If the porosity NH4HCO3 particles are larger than 300 µm, the resulting ceramic structure exhibits less total and open porosity after firing.

Apdedzināšanas temperatūrā, zemākā par 1000°C, keramika nav pietiekoši saķepusi un raksturojas ar zemāku mehānisko izturību, nekā nepieciešams kaula porainās daļas reģenerācijai. Apdedzināšanas temperatūrā virs 1200°C keramikas struktūrā samazinās porainība, kā arī iespējama HAp kristāliskās fāzes daļēja sadalīšanās, veidojot otru kristālisko fāzi - β-trikalcija fosfātu (β-TCP).At firing temperatures below 1000 ° C, the ceramic is not sufficiently sintered and is characterized by a lower mechanical strength than that required for the regeneration of the porous bone. At sintering temperatures above 1200 ° C, the porosity of the ceramic structure is reduced, as well as a possible decomposition of the crystalline phase of HAp to form a second crystalline phase, β-tricalcium phosphate (β-TCP).

Lai keramiskā implanta struktūrā izveidotu bimodālu poru sadalījumu, eksperimentāli konstatēts, ka optimālais HAp aglomerātu daļiņu lielums ir 45-100 pm un NH4HCO3 (pie masu attiecības HApiNHzļHCCb 1:0.04-0.07)- 100-300 pm.The optimum particle size of HAp agglomerates was 45-100 µm and NH4HCO3 (at the weight ratio HApiNHz / HCCb 1: 0.04-0.07) - 100-300 µm to establish bimodal pore size distribution in the ceramic implant structure.

Pie šāda daļiņu izmēra keramikas struktūrā pēc apdedzināšanas 1150°C konstatējamas mikroporas, kuru izmēri ir no 0,05-0,2 pm un makroporas ar izmēriem no 50-500 pm.At this particle size, micropores between 0.05-0.2 pm and macropores between 50-500 pm can be found in the ceramic structure after firing at 1150 ° C.

Kopējā porainība materiāla tilpumā ir 65-75 %, t.sk. atvērtā porainība - 53-62 %, kas ir analoģiska dabīgā kaula porainās daļas (trabekulārā kaula) poru izmēriem un sadalījumam. Tas sekmē kaulaudu veidošanos un ieaugšanu implanta materiālā, kā arī asinsvadu veidošanos, nodrošinot implantu osteokonduktivitāti.The total porosity in the volume of the material is 65-75%, incl. open porosity - 53-62%, which is analogous to the pore size and distribution of the porous portion of the natural bone (trabecular bone). It promotes bone formation and growth in the implant material, as well as the formation of blood vessels, ensuring the osteoconductivity of the implants.

Eksperimentālie keramiskās masas sastāvu piemēri un iegūtās keramikas (apdedz. 1150°C) struktūras un mehāniskās stiprības raksturojums uzrādīts 1. tabulā salīdzinājumā ar prototipu.Experimental examples of the composition of the ceramic mass and characterization of the structure and mechanical strength of the obtained ceramic (cured at 1150 ° C) are shown in Table 1 in comparison with the prototype.

1. tabulaTable 1

Sastāva apzīm. Composition designation Masas sastāvs Mass composition Stru Stru <turas raksturojums <characteristics of the hold Izturība spiedē MPa Endurance juicer MPa Izejviela Raw material Daudzums, masas % Quantity,% by weight Kopējā porainība, % Common porosity, % Vaļēja porainība, % Open porosity, % Slēgtā porainība, % Closed porosity, % Makroporu diametrs, pm Macropore diameter, pm Mikroporu diametrs, pm Micropore diameter, pm 1. 1. HAp H2O Glicerīns NH4HCO3HAp H 2 O Glycerol NH4HCO3 45 5 47 3 45 5 47 3 75 75 62 62 13 13th 50-500 50-500 0,05-0,2 0.05-0.2 9 9th 2. 2. HAp H2O Glicerīns NH4HCO3 HAp H 2 O Glycerol NH 4 HCO 3 46 5 46 3 46 5 46 3 70 70 57 57 13 13th 50-500 50-500 0,05-0,2 0.05-0.2 10 10th 3. 3. HAp H2O Glicerīns NH4HCO3 HAp H 2 O Glycerol NH 4 HCO 3 48 5 45 2 48 5 45 2 68 68 54 54 14 14th 50-500 50-500 0,05-0,2 0.05-0.2 8 8th

4. 4. HAp h2o Glicerīns NH4HCO3HAp h 2 o Glycerol NH4HCO3 50 4 44 2 50 4 44 2 65 65 53 fifty three 12 12th 50-500 50-500 0,05-0,2 0.05-0.2 11 11th Prototips Prototype HAp:želatīns HAp: Gelatin 1:0,1-0,3 1: 0.1-0.3 41-70 41-70 4-37 4-37 15-54 15-54 50-150 50-150 1-10 1-10 - -

Salīdzinot ar prototipu [7], izstrādātās porainās HAp keramikas iegūšanas tehnoloģiskais paņēmiens ir vienkāršs, ekonomisks un nodrošina lielāku atvērto poru izmēru diapazonu un poru daudzumu, kas uzlabo audu ieaugšanu implanta materiālā, jaunu kaulaudu veidošanos, nodrošinot implantu integrāciju organismā.Compared to the prototype [7], the developed porous HAp ceramic technology is simple, economical and provides a greater range of open pore sizes and pore volume, which improves tissue growth in the implant material, new bone formation, ensuring implant integration in the body.

Izstrādātās keramikas biosaderības un citotoksicitātes in vitro testa rezultāti, kā ari sākotnējie pētījumi in vivo, pierādīja, ka materiāls ir biosaderīgs un neuzrāda citotoksisku efektu, turklāt materiāla mikrostruktūrā esošo atvērto un caurejošo poru izmērs ir atbilstošs mugurkaulnieku organisma kaulaudu šūnu izmēriem [6], un tās sekmīgi var pārvietoties materiāla tilpumā. Eksperimenta gaitā konstatēta šūnu augšana un vairošanās, kā arī šūnu morfoloģija atbilst kontroles lauciņā esošajām šūnām.The results of the in vitro ceramic biocompatibility and cytotoxicity test as well as initial in vivo studies demonstrated that the material is biocompatible and does not show cytotoxic effects, and that the microstructure of the material has open and permeable pores corresponding to the size of vertebrate bone cells [6]. can move successfully in the volume of material. Cell growth and proliferation as well as cell morphology observed during the experiment correspond to cells in the control plot.

Mikroporas savukārt palielina kopējo implanta virsmas laukumu un sekmē proteīnu adsorbciju, kā ari nodrošina efektīvu zāļu piegādes sistēmu izveidi, jo ievadīto zāļu izdalīšanās notiek pakāpeniski ilgākā laika periodā.Micropores, in turn, increase the total surface area of the implant and promote protein adsorption, as well as providing efficient drug delivery systems, since the release of administered drugs occurs gradually over a longer period of time.

IZMANTOTĀ LITERATŪRALITERATURE USED

1. Patent DE, N° 19726961C1. Verfahren zur Herstellrung poroser Formkorper aus Metāli, Keramik oder kompositwerkstoffen. Int. cl. C22C 1/08, B 22 F3/11; B29C 67/20; C04B 38/06, 1998.1. Patent DE, N ° 19726961C1. Verfahren zur Herstellrung poroser Formkorper aus Metals, Keramik oder kompositwerkstoffen. Int. cl. C22C 1/08, B 22 F3 / 11; B29C 67/20; C04B 38/06, 1998.

2. T. Banno, Y. Yamada, H. Nagae. Fabrication of porous aluminia ceramies by simultaneus thermal solidification://J. ofthe Ceram. Soc. of Jap., 117 [5], 2009, p 713716.2. T. Banno, Y. Yamada, H. Nagae. Fabrication of Porous Aluminum Ceramies by Simultaneous Thermal Solidification: // J. ofthe Ceram. Soc. of Jap., 117 [5], 2009, p 713716.

3. Shi Hong Li et. al. Synthesis of macroporous hydroxyapatite scaffolds for bone tissue enguneering:// J. of Biomed. Mater. Res., v. 61,1.1., 2002, p. 109-120.3. Shi Hong Li et. al. Synthesis of macroporous hydroxyapatite scaffolds for bone tissue enguneering: // J. of Biomed. Mater. Res., V. 61,1.1., 2002, p. 109-120.

4. Cyster L.A., Grant D.M. et.al. The influence of dispersant contentration on the pore morphology of hydroxyapatite ceramies for bone tissue engineering:// Biomaterials, 26, 2005, p. 697-702.4. Cyster L.A., Grant D.M. et.al. The Influence of Dispersant Contentation on Pore Morphology of Hydroxyapatite Ceramies for Bone Tissue Engineering: // Biomaterials, 26, 2005, p. 697-702.

5. Patent DE, N° 102004057212A1. Porose Calcium-phosphatkeramik und Verfahren uz deren Herstellung. Int. cl. C04B 38/00; C04B 35/447; A61L27/12; Α 61K6/033, 2005.5. Patent DE, N ° 102004057212A1. Porose Calcium-phosphatkeramik und Verfahren to deren Herstellung. Int. cl. C04B 38/00; C04B 35/447; A61L27 / 12; Α 61K6 / 033, 2005.

6. Dorozhkin S.V. Calcium ortophosphates in nature, biology and medicine. Materials, 2, 2009, p. 399-498.6. Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphates in nature, biology and medicine. Materials, 2, 2009, p. 399-498.

7. Π3Τ. RU 2303580C2, Int. cl. C04B 35/477, C04B 35/00; A61L27/12. CnocoS H3roTOBjieHHH ru^poKcnanaTOTOBOH KepaMHKu c 6HMoņanBHbiM pacnpeņeneHneM nop, 2007.7. Π3Τ. RU 2303580C2, Int. cl. C04B 35/477, C04B 35/00; A61L27 / 12. CnocoS H3roTOBjieHHH ru ^ poKcnanaTOTOBOH KepaMHKu c 6HMonanBHbiM pacnpeņeneHneM nop, 2007.

8. ^Haruņa X. ToHKaa TexHnnecKasi KepaMHKa. ElepeB. c an. M.: MeTajiJiyprna, 1986, 278 c.8. ^ Harun X. ToHKaa TexHnnecKasi KepaMHKa. ElepeB. c an. M.: MeTajiJiyprna, 278 (1986).

9. Mandrinos M. et. al. Porogen-based solid freeform fabrication of polycaprolactonecalcium phosphate scaffolds for tissue engineering. Biomaterials, 2006,27, 4399-4408.9. Mandrinos M. et. al. Porogen-based solid freeform fabrication of polycaprolactonecalcium phosphate scaffolds for tissue engineering. Biomaterials, 2006,27, 4399-4408.

10. Salma K., Berzina-Cimdina L., Borodajenko N. Calcium phosphate bioceramics prepared from wet chemically precipitated powders. Proceeding and application of ceamics, 2010, 4(1), p. 45-51.10. Salma K., Berzina-Cimdina L., Borodayenko N. Calcium phosphate bioceramics prepared from wet chemically precipitated powders. Proceeding and Application of Ceamics, 2010, 4 (1), p. 45-51.

PRETENZIJAS

Claims (9)

PRETENZIJAS l. Poraina hidroksilapatīta (HAp) keramika ar bimodālu poru sadalījumu satur HAp, ūdeni, plastifīcējošo piedevu un poru veidotāju un atšķiras ar to, ka kā plastificējošā piedeva izmantots glicerīns CsHsļOHL, bet poru veidotājs - amonija hidrogēnkarbonāts NH4HCO3 sekojošās masas procentuālajās attiecībās (masas%):l. Porous hydroxylapatite (HAp) ceramic with bimodal pore distribution contains HAp, water, plasticizer and pore former and differs in that glycerol CsHslOHL is used as plasticizer and ammonium hydrogen carbonate is used as the pore former in the following percentages by weight: hidroksilapatīts hydroxylapatitis 45-50 45-50 ūdens (dejonizēts) water (deionized) 4-5 4-5 glicerīns glycerol 44-47 44-47 amonija hidrogēnkarbonāts ammonium bicarbonate 2-3 2-3
2. Poraina HAp keramika ar bimodālu poru sadalījumu saskaņā ar l. punktu atšķiras ar to, ka keramiskās masas sastāva izgatavošanai izmantots HAp pulveris ar daļiņu izmēru no 45 pm līdz ĪOO pm, bet NH4HCO3 - ar daļiņu izmēru no 100 pm līdz 300 pm.2. Porous HAp ceramic with bimodal pore distribution according to l. The process of Claim 1 is characterized in that the ceramic mass composition is made up of HAp powder with a particle size of 45 pm to 100 pm and NH4HCO3 with a particle size of 100 pm to 300 pm. 3. Saskaņā ar 2.punktu daļiņu sadalījums izveidotās masas sastāvā atšķiras ar to, ka tas nodrošina keramikas mikrostruktūrā bimodālu poru sadalījumu, jo HAp pulvera un poras veidojošās vielas masas attiecība HApTttLHCCh ir 1:0.04-0.07.3. The particle size distribution according to claim 2, characterized in that it provides bimodal pore partitioning in the ceramic microstructure, since the weight ratio of HAp powder to pore-forming substance HApTttLHCCh is 1: 0.04-0.07. 4. Paņēmiens porainas HAp keramikas iegūšanai satur masas komponentu sasmalcināšanu un sijāšanu un atšķiras ar to, ka masas sastāvā saskaņā ar 1. punktu HAp pulvera un plastificējošās piedevas masu attiecība HAp : glicerīns ir 1:0,881,04.4. The process for producing porous HAp ceramics comprises pulverizing and sieving the weight components and characterized in that the weight ratio of HAp powder to plasticizer additive according to claim 1 is 1: 0.881.04 HAp: glycerol. 5. Keramikas izgatavošanas tehnoloģiskais paņēmiens ietver suspensijas sagatavošanu no masas komponentēm atbilstoši 1. punktā dotajām masas attiecībām un atšķiras ar to, ka izejvielas tiek samaisītas noteiktā secībā, kas nodrošina keramiskās suspensijas homogenitāti un plūstamību (viskozitāte 0,09-103 Pa-s pie bīdes laika 60 s).5. The ceramic manufacturing process involves preparing the slurry from the weight components according to the weight ratios given in paragraph 1, characterized in that the raw materials are mixed in a specific order to ensure homogeneity and fluidity of the ceramic slurry (viscosity 0.09-10 3 Pa-s at shear time 60 s). 6. Keramikas izgatavošanas tehnoloģiskais paņēmiens saskaņā ar 4. punktu atšķiras ar to, ka masas uzputošanu realizē in situ, pievienojot poru veidotāju -NH4HCO3.6. The ceramic manufacturing process of claim 4, wherein the foaming of the mass is accomplished in situ by the addition of a -NH4HCO3 pore former. 7. Paņēmiens porainas HAp keramikas izgatavošanai saskaņā ar 2. - 5. punktā minēto, atšķiras ar to, ka keramiku formē, plūstošo masu iepildot nepieciešamas konfigurācijas formās, tā nodrošinot dažādas konfigurācijas un profilu (atkarībā no praktiskās nepieciešamības) implantmateriālu ieguvi.7. The method of making porous HAp ceramics according to claims 2 to 5, characterized in that the ceramic is formed by filling the fluid in necessary configurations, thus providing implant configurations of different configurations and profiles (depending on practical need). 8. Keramikas izstrādājumu izgatavošanas paņēmiens atbilstoši 6. punktam atšķiras ar to, ka atlietās sagataves termiski apstrādā 80°C (1-2 stundu) un, paaugstinot temperatūru līdz 120°C, termisko apstrādi turpina 20 stundas.8. The method of making ceramic articles according to claim 6, characterized in that the molded parts are heat-treated at 80 ° C (1-2 hours) and, after raising the temperature to 120 ° C, continue the heat treatment for 20 hours. 9. Paņēmiens saskaņā ar 7. punktu atšķiras ar to, ka paraugus apdedzina temperatūrā 1100-1200°C, izturot pie šīs temperatūras 2 stundas. Apdedzināšanas un atdzesēšanas cikls ilgst 11 stundas.9. The method of claim 7, wherein the samples are fired at 1100-1200 ° C for 2 hours. The roasting and cooling cycle lasts 11 hours.
LVP-11-178A 2011-12-28 2011-12-28 Porous hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores and method for manufacturing thereof LV14492B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LVP-11-178A LV14492B (en) 2011-12-28 2011-12-28 Porous hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores and method for manufacturing thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LVP-11-178A LV14492B (en) 2011-12-28 2011-12-28 Porous hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores and method for manufacturing thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
LV14492A LV14492A (en) 2012-03-20
LV14492B true LV14492B (en) 2012-07-20

Family

ID=50152830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
LVP-11-178A LV14492B (en) 2011-12-28 2011-12-28 Porous hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores and method for manufacturing thereof

Country Status (1)

Country Link
LV (1) LV14492B (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015196306A1 (en) * 2014-06-23 2015-12-30 Mathys Ag Bettlach Method for producing porous calcium deficient hydroxyapatite granules

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3038896B1 (en) 2015-07-17 2020-03-06 Centre National De La Recherche Scientifique PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF A POROUS MONOLITHIC MATERIAL

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015196306A1 (en) * 2014-06-23 2015-12-30 Mathys Ag Bettlach Method for producing porous calcium deficient hydroxyapatite granules
WO2015196309A1 (en) * 2014-06-23 2015-12-30 Mathys Ag Bettlach Method for producing porous calcium deficient hydroxyapatite granules
AU2015281761B2 (en) * 2014-06-23 2018-08-09 Bioventus Llc Method for producing porous calcium deficient hydroxyapatite granules
US10131543B2 (en) 2014-06-23 2018-11-20 Bioventus, LLC. Method for producing porous calcium deficient hydroxyapatite granules
US10150672B2 (en) 2014-06-23 2018-12-11 Bioventus, LLC. Porous calcium deficient hydroxyapatite granules
AU2014399287B2 (en) * 2014-06-23 2018-12-20 Bioventus Llc Method for producing porous calcium deficient hydroxyapatite granules
AU2015281761C1 (en) * 2014-06-23 2019-02-07 Bioventus Llc Method for producing porous calcium deficient hydroxyapatite granules
US10807869B2 (en) 2014-06-23 2020-10-20 Mathys Ag Bettlach Method for producing porous calcium deficient hydroxyapatite granules
US11377352B2 (en) * 2014-06-23 2022-07-05 Bioventus, Llc Method for producing porous calcium deficient hydroxyapatite granules

Also Published As

Publication number Publication date
LV14492A (en) 2012-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sánchez-Salcedo et al. Hydroxyapatite/β-tricalcium phosphate/agarose macroporous scaffolds for bone tissue engineering
US8613876B2 (en) Foamed ceramics
Li et al. Novel method to manufacture porous hydroxyapatite by dual‐phase mixing
Mbarki et al. Hydroxyapatite bioceramic with large porosity
Darus et al. Techniques for fabrication and construction of three-dimensional bioceramic scaffolds: Effect on pores size, porosity and compressive strength
JPH07194688A (en) Biomedical implant material and its manufacturing method
Roleček et al. Bioceramic scaffolds fabrication: Indirect 3D printing combined with ice-templating vs. robocasting
Dash et al. Gel casting of hydroxyapatite with naphthalene as pore former
Liu et al. Porous alumina ceramics prepared by slurry infiltration of expanded polystyrene beads
WO2021039892A1 (en) Medical calcium carbonate composition, related medical compositions, and production methods therefor
JP2021118906A (en) Bone substitute material
Wang et al. Three-dimensional fully interconnected highly porous hydroxyapatite scaffolds derived from particle-stabilized emulsions
Zhang et al. Fabrication and properties of porous β-tricalcium phosphate ceramics prepared using a double slip-casting method using slips with different viscosities
Zamanian et al. The effect of sintering temperature on the microstructural and mechanical characteristics of hydroxyapatite macroporous scaffolds prepared via freeze-casting
Lim et al. Comparison study of porous calcium phosphate blocks prepared by piston and screw type extruders for bone scaffold
KR101397043B1 (en) Preparation Method of Porous Bone Substitutes
LV14492B (en) Porous hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores and method for manufacturing thereof
He et al. Porous calcium phosphate composite bioceramic beads
Swain Processing of porous hydroxyapatite scaffold
KR101517691B1 (en) Fabrication method of Porous Calcium Phosphate Ceramics
Sopyan et al. Fabrication of porous ceramic scaffolds via polymeric sponge method using sol-gel derived strontium doped hydroxyapatite powder
KR101923257B1 (en) Method for preparing beta-tricalcium phosphate bone chip with a composition uniformity and bone chip therefrom
Wu et al. Optimizing the processing of porous melt-derived bioactive glass scaffolds
Dede et al. The use of sucrose granule as pore maker in preparation of porous calcium sulfate dihydrate
EP1108698B1 (en) Porous ceramic body