RU2303580C2 - Method for manufacturing hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores - Google Patents

Method for manufacturing hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores Download PDF

Info

Publication number
RU2303580C2
RU2303580C2 RU2005131361/03A RU2005131361A RU2303580C2 RU 2303580 C2 RU2303580 C2 RU 2303580C2 RU 2005131361/03 A RU2005131361/03 A RU 2005131361/03A RU 2005131361 A RU2005131361 A RU 2005131361A RU 2303580 C2 RU2303580 C2 RU 2303580C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pores
hydroxyapatite
microns
manufacturing
gelatin
Prior art date
Application number
RU2005131361/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2005131361A (en
Inventor
Владимир Сергеевич Комлев (RU)
Владимир Сергеевич Комлев
Сергей Миронович Баринов (RU)
Сергей Миронович Баринов
Original Assignee
Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН
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 Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН filed Critical Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН
Priority to RU2005131361/03A priority Critical patent/RU2303580C2/en
Publication of RU2005131361A publication Critical patent/RU2005131361A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2303580C2 publication Critical patent/RU2303580C2/en

Links

Abstract

FIELD: medicine, orthopedics, oral surgery, surgical stomatology.
SUBSTANCE: the present innovation refers to the system of delivering medicinal preparations and could be applied for filling in osseous defects or as a matrix for cell cultures. Porous hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores contains thin intragranular (under 10 mcm diameter) and large-scale interpenetrating intergranular pores, the size being above 100 mcm, at total quantity of about 41-70 rot.%. The method deals with manufacturing spherical granules of about 400-600 mcm diameter that contain hydroxyapatite powder and gelatin, pressing these spherical granules under 10-100 MPa pressure and thermal treatment at about 900-1250°C at keeping from 30 to 300 min. The innovation enables to create ceramics with bimodal distribution of pores.
EFFECT: higher efficiency of manufacturing.
2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области керамических материалов для медицины, а именно к травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, и может использоваться для изготовления материалов, предназначенных для заполнения костных дефектов.The invention relates to the field of ceramic materials for medicine, namely to traumatology and orthopedics, maxillofacial surgery and surgical dentistry, and can be used for the manufacture of materials designed to fill bone defects.

Керамика медицинского назначения должна иметь взаимопроникающие поры диаметром не менее 100-135 мкм, чтобы обеспечивать доступ крови к контактным поверхностям, а также прорастание и фиксацию костной ткани [1]. Поры размера менее 50 мкм также необходимы, поскольку они способствуют повышению адсорбции протеинов и адгезии остеогенных клеток.Ceramics for medical purposes should have interpenetrating pores with a diameter of at least 100-135 microns to ensure access of blood to contact surfaces, as well as germination and fixation of bone tissue [1]. Pores smaller than 50 microns are also necessary because they contribute to increased protein adsorption and adhesion of osteogenic cells.

Известно большое число исследований по технологии пористой керамики на основе гидроксиапатита. Пористую керамику получают, в основном, методом выгорающих добавок; пропиткой и последующим обжигом органических (полиуретановых) губок, либо вспениванием, например при введении пероксида водорода [2-7]. При этом пористость, например, при использовании додецилбензолсульфоната натрия достигает до 50-60%, а в случае глицина или агар-агара - порядка 80% [8]. Также используют коралл (основное вещество СаСО3), который в ходе гидротермальной обработки переходит в гидроксиапатит (250°С, 24-48 ч), сохраняя исходную микроструктуру и открытую пористость [9]. Известно использование желатина при получении микрогранул гидроксиапатит - желатин [10]. При нагревании свыше 160°С желатин удаляют, образуя поры.A large number of studies are known on the technology of porous ceramics based on hydroxyapatite. Porous ceramics are obtained mainly by the method of burnable additives; impregnation and subsequent firing of organic (polyurethane) sponges, or foaming, for example, with the introduction of hydrogen peroxide [2-7]. Moreover, porosity, for example, when using sodium dodecylbenzenesulfonate reaches up to 50-60%, and in the case of glycine or agar-agar - about 80% [8]. Coral (the main substance of CaCO 3 ) is also used, which, during hydrothermal treatment, passes into hydroxyapatite (250 ° C, 24–48 h), while maintaining the initial microstructure and open porosity [9]. It is known to use gelatin in the preparation of hydroxyapatite – gelatin microgranules [10]. When heated above 160 ° C, the gelatin is removed, forming pores.

Наиболее близким к предполагаемому техническому решению является способ изготовления пористой гидроксиапатитовой керамики, включающий смешение порошка гидроксиапатита, имеющего размер частиц 63 мкм, 25-37 мас.% порообразующей добавки - муки с размером частиц 0,04-0,2 мкм, одноосное и холодное изостатическое прессование смеси и последующее спекание при температурах 1200 и 1250°С [2]. Способ позволяет получать керамику с открытой пористостью 22,8-44,0% и со средним размером пор от 0,51 до 1,94 мкм. Недостаток способа заключается в том, что он не позволяет получать керамику с бимодальной пористостью: крупными порами размером более 100 мкм и тонкими порами размером менее 10 мкм.Closest to the proposed technical solution is a method of manufacturing a porous hydroxyapatite ceramic, comprising mixing a hydroxyapatite powder having a particle size of 63 microns, 25-37 wt.% Pore-forming additives - flour with a particle size of 0.04-0.2 microns, uniaxial and cold isostatic pressing the mixture and subsequent sintering at temperatures of 1200 and 1250 ° C [2]. The method allows to obtain ceramics with an open porosity of 22.8-44.0% and with an average pore size of from 0.51 to 1.94 microns. The disadvantage of this method is that it does not allow to obtain ceramics with bimodal porosity: large pores larger than 100 microns and thin pores smaller than 10 microns.

Технический результат предлагаемого изобретения - пористая гидроксиапатитовая керамика, содержащая тонкие размером менее 10 мкм и крупные взаимопроникающие размером более 100 мкм поры в количестве от 41 до 70 об.%.The technical result of the invention is a porous hydroxyapatite ceramic containing thin pores with a size of less than 10 microns and large interpenetrating pores with a size of more than 100 microns in an amount of from 41 to 70 vol.%.

Для достижения технического результата изготавливают сферические гранулы диаметром 400-600 мкм, содержащие порошок гидроксиапатита и желатин при соотношении этих компонентов от 1:0,1 до 1:0,3, формируют из них сырые заготовки прессованием до открытой межгранульной пористости 30-54 об.% и подвергают заготовки термической обработке при температуре от 900 до 1250°С для выжигания желатина и спекания частиц порошка гидроксиапатита внутри гранул и припекания гранул между собой. В результате получают керамику с внутригранульными порами, размером менее 10 мкм, образующимися за счет выжигания желатина, и межгранульными порами размером более 100 мкм, создаваемыми укладкой гранул.To achieve a technical result, spherical granules with a diameter of 400-600 μm are made, containing hydroxyapatite powder and gelatin with a ratio of these components from 1: 0.1 to 1: 0.3, they form crude preforms by pressing to an open intergranular porosity of 30-54 vol. % and subjected to preform heat treatment at a temperature of from 900 to 1250 ° C for burning gelatin and sintering particles of hydroxyapatite powder inside the granules and sintering the granules with each other. As a result, ceramics with intragranular pores smaller than 10 microns in size, formed due to burning of gelatin, and intergranular pores larger than 100 microns in size, created by laying granules, are obtained.

Гранулы гидроксиалатит-желатин изготавливают суспензионным методом с использованием эффекта несмешивающихся жидкостей. Суспензию гидроксиапатита в 10%-ном водном растворе желатина, при соотношении компонентов от 1:0,1 до 1:0,3, диспергируют лопастной мешалкой при скорости ее оборотов 500 мин-1 в диспергирующей жидкой среде, несмешивающейся с водным раствором биополимера. Под действием сил поверхностного натяжения образуются гранулы сферической формы. Гранулы осаждают, промывают и подвергают сушке. Рассевом на наборе сит выделяют фракцию 500-1000 мкм. Высушенные гранулы засыпают в металлические пресс-формы и подвергают одноосному прессованию под давлением от 10 до 100 МПа с получением сырых образцов. Образцы затем сушат на воздухе 24 ч и подвергают термической обработке при температуре 900-1250°С с выдержкой при этой температуре от 30 до 300 мин в атмосфере воздуха.Hydroxyalatite-gelatin granules are prepared by the suspension method using the effect of immiscible liquids. The slurry of hydroxyapatite in a 10% aqueous gelatin solution, with the ratio of components of 1: 0.1 to 1: 0.3, were dispersed with a paddle stirrer at a speed of 500 rpm it min -1 in the dispersing liquid medium immiscible with the aqueous solution of the biopolymer. Under the action of surface tension forces, spherical granules are formed. The granules are precipitated, washed and dried. By sieving on a set of sieves, a fraction of 500-1000 microns is isolated. The dried granules are poured into metal molds and subjected to uniaxial pressing under a pressure of 10 to 100 MPa to obtain crude samples. The samples are then dried in air for 24 hours and subjected to heat treatment at a temperature of 900-1250 ° C with exposure at this temperature from 30 to 300 minutes in an atmosphere of air.

Ниже в таблице приведены свойства материалов, полученных при различных режимах процесса.The table below shows the properties of materials obtained under various process conditions.

При соотношении компонентов менее 1:0,1 и более 1:0,3 не представляется возможным получения гранул гидроксиапатит - желатин.When the ratio of the components is less than 1: 0.1 and more than 1: 0.3, it is not possible to obtain hydroxyapatite-gelatin granules.

При давлении прессования менее 10 МПа не достигается компактирование, а при давлении выше 100 МПа поры имеют средний размер менее 50 мкм, что обусловлено как деформацией сырых гранул, так и уплотнением их упаковки.Compaction is not achieved at a compaction pressure of less than 10 MPa, and at a pressure above 100 MPa, the pores have an average size of less than 50 μm, which is due to both the deformation of the raw granules and the compaction of their packaging.

При температуре термообработки ниже 900°С не происходит спекание порошка и гранул гидроксиапатита, а при температуре выше 1250°С резко снижается пористость.At a heat treatment temperature below 900 ° C, sintering of the powder and granules of hydroxyapatite does not occur, and at a temperature above 1250 ° C the porosity sharply decreases.

Источники информацииInformation sources

1. Hing K.A., Best S.M., Tanner K.A., Bonfield W., Revell P.A. Quantification of bone ingrowth within bone derived porous hydroxyapatite implants of varying density // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1999. V.10, №10/11. Р.663-670.1. Hing K.A., Best S.M., Tanner K.A., Bonfield W., Revell P.A. Quantification of bone ingrowth within bone derived porous hydroxyapatite implants of varying density // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1999. V.10, No. 10/11. R.663-670.

2. Slosarzyk A., Stobierska E., Paszkiewicz Z. Porous hydroxyapatite ceramics // J. Mater. Sci. Lett. 1999. №18. P.1163.2. Slosarzyk A., Stobierska E., Paszkiewicz Z. Porous hydroxyapatite ceramics // J. Mater. Sci. Lett. 1999. No. 18. P.1163.

3. Yamasaki N., Kai Т., Nishioka M., Yanagisawa K. et al. Porous hydroxyapatite ceramics prepared by hydrothermal hot-pressing // J. Mater. Sci. Lett. 1990. V.9, №10. P.1150.3. Yamasaki N., Kai T., Nishioka M., Yanagisawa K. et al. Porous hydroxyapatite ceramics prepared by hydrothermal hot-pressing // J. Mater. Sci. Lett. 1990. V. 9, No. 10. P.1150

4. Tanner K.E., Downes R.N., Bonfield W. Clinical application of hydroxyapatite reinforced polyethylene // British Ceram. Trans. 1994. №3. P.104-107.4. Tanner K.E., Downes R.N., Bonfield W. Clinical application of hydroxyapatite reinforced polyethylene // British Ceram. Trans. 1994. No3. P.104-107.

5. Liu D. Preparation and characterization of porous HA bioceramic via a slip-casting route // J. Ceram. Intern. 1997. V.24. P.441-446.5. Liu D. Preparation and characterization of porous HA bioceramic via a slip-casting route // J. Ceram. Intern. 1997. V.24. P.441-446.

6. Engin N.O., Tas A.C. Preparation of porous Са10(РО4)6(ОН)2 and β-Са3(РО4)2 bioceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2000. №7. P.1581-1584.6. Engin NO, Tas AC Preparation of porous Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 and β-Ca 3 (PO 4 ) 2 bioceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2000. No. 7. P.1581-1584.

7. Sepulveda P., Ortega F.S., Innocentini M.D.M., Pandolfelli V.C. Properties of highly porous hydroxyapatite obtained by the gel casting of foams // J. Am. Ceram. Soc. 2000. V.83, №12. Р.3021-3024.7. Sepulveda P., Ortega F.S., Innocentini M.D.M., Pandolfelli V.C. Properties of highly porous hydroxyapatite obtained by the gel casting of foams // J. Am. Ceram. Soc. 2000. V.83, No. 12. P.3021-3024.

8. Орловский В.П., Суханова Г.Е., Ежова Ж.А., Родичева Г.В. Гидроксиапатитная биокерамика// Ж. Всес. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева. 1991. Т.36, №10. С.683-690.8. Orlovsky V.P., Sukhanova G.E., Ezhova Zh.A., Rodicheva G.V. Hydroxyapatite bioceramics // J. Vses. Chem. about them D.I. Mendeleev. 1991. Vol. 36, No. 10. S.683-690.

9. Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of HA-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants // J. Mater. Res. Soc. 1998. V.13, №1. P.94-103.9. Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of HA-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants // J. Mater. Res. Soc. 1998. V.13, No. 1. P.94-103.

10. RU 2235061 С1, 27.08.2004.10. RU 2235061 C1, 08.27.2004.

Таблица.
Содержание открытой пористости и распределение пор по размерам спеченных образцов при различных режимах процесса.
Table.
The content of open porosity and pore size distribution of sintered samples under various process conditions.
Соотношение компонентов, гидроксиапатит-
желатин
The ratio of components, hydroxyapatite-
gelatin
Давление прессования,
МПа
Pressing pressure
MPa
Температура термообработки,
°С
Heat treatment temperature
° C
Выдержка, минExposure min Открытая пористость,
%
Open porosity
%
Преобладающий размер порThe predominant pore size
ИнтрапорыIntrapores ИнтерпорыInterpora Размер, мкмSize, microns Количество, %Amount, % Размер, мкмSize, microns Количество,
%
Amount,
%
1:0,11: 0.1 55 -- -- -- -- -- -- 1:0,11: 0.1 1010 900900 300300 7070 1-101-10 3333 100-150100-150 3737 1:0,11: 0.1 1010 11001100 120120 6666 1-101-10 3131 100-150100-150 3535 1:0,11: 0.1 30thirty 11001100 120120 5757 1-101-10 3333 100one hundred 2424 1:0,11: 0.1 30thirty 12501250 6060 4949 1-51-5 30thirty 100one hundred 1919 1:0,11: 0.1 50fifty 900900 300300 5353 1-101-10 3434 50-10050-100 1919 1:0,11: 0.1 50fifty 12501250 6060 4545 1-51-5 2929th 50-10050-100 1616 1:0,11: 0.1 100one hundred 11001100 120120 4343 1-101-10 3131 50fifty 1212 1:0,11: 0.1 100one hundred 12501250 6060 4141 1-51-5 2929th 50fifty 1212 1:0,11: 0.1 150150 10001000 180180 4343 1-101-10 3434 00 99 1:0,11: 0.1 50fifty 850850 300300 -- -- -- -- -- 1:0,11: 0.1 50fifty 13001300 120120 1919 1one 15fifteen 50-7050-70 4four 1:0,21: 0.2 50fifty 12501250 6060 5959 1-51-5 4343 50-10050-100 1616 1:0,31: 0.3 50fifty 12501250 6060 7070 1-51-5 5454 50-10050-100 1616 1:0,051: 0.05 -- -- -- -- -- -- -- -- 1:0,41: 0.4 -- -- -- -- -- -- -- --

Claims (2)

1. Способ изготовления пористой гидроксиапатитовой керамики с бимодальным распределением пор, содержащей тонкие внутригранульные диаметром менее 10 мкм и крупные взаимопроникающие межгранульные поры размером более 100 мкм, в суммарном количестве от 41 до 70 об.%, заключающийся в изготовлении сферических гранул диаметром 400-600 мкм, содержащих порошок гидроксиапатита и желатин, прессовании сферических гранул под давлением от 10 до 100 МПа и термической обработке при температурах от 900 до 1250°С с выдержкой от 30 до 300 мин.1. A method of manufacturing a porous hydroxyapatite ceramic with a bimodal pore distribution containing thin intragranular pores with a diameter of less than 10 microns and large interpenetrating intergranular pores with a size of more than 100 microns, in a total amount of 41 to 70 vol.%, Which consists in the manufacture of spherical granules with a diameter of 400-600 microns containing hydroxyapatite powder and gelatin, pressing spherical granules under pressure from 10 to 100 MPa and heat treatment at temperatures from 900 to 1250 ° C with a holding time of 30 to 300 minutes. 2. Способ изготовления пористой гидроксиапатитовой керамики по п.1, отличающийся тем, что сферические гранулы содержат гидроксиапатит и желатин при массовом соотношении компонентов 1:0,1.2. A method of manufacturing a porous hydroxyapatite ceramic according to claim 1, characterized in that the spherical granules contain hydroxyapatite and gelatin in a mass ratio of components of 1: 0.1.
RU2005131361/03A 2005-10-12 2005-10-12 Method for manufacturing hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores RU2303580C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005131361/03A RU2303580C2 (en) 2005-10-12 2005-10-12 Method for manufacturing hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005131361/03A RU2303580C2 (en) 2005-10-12 2005-10-12 Method for manufacturing hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005131361A RU2005131361A (en) 2007-04-20
RU2303580C2 true RU2303580C2 (en) 2007-07-27

Family

ID=38036587

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005131361/03A RU2303580C2 (en) 2005-10-12 2005-10-12 Method for manufacturing hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2303580C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2229961A2 (en) 2009-03-17 2010-09-22 AKADEMIA GORNICZO-HUTNICZA im. Stanislawa Staszica Method for fabrication of highly porous, calcium phosphate bioactive implant material
RU2717521C1 (en) * 2019-05-13 2020-03-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method of producing porous nanocomposite silicon granules

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SLOSARCZYK. A. et al. Porous hydroxyapatite ceramic. Journal of Materials Science Letters, V.18, N14, 15.07.1999. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2229961A2 (en) 2009-03-17 2010-09-22 AKADEMIA GORNICZO-HUTNICZA im. Stanislawa Staszica Method for fabrication of highly porous, calcium phosphate bioactive implant material
RU2717521C1 (en) * 2019-05-13 2020-03-23 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method of producing porous nanocomposite silicon granules

Also Published As

Publication number Publication date
RU2005131361A (en) 2007-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sopyan et al. Porous hydroxyapatite for artificial bone applications
Fabbri et al. Hydroxyapatite-based porous aggregates: physico-chemical nature, structure, texture and architecture
US8613876B2 (en) Foamed ceramics
JP5154729B2 (en) Porous artificial bone graft and method for producing the same
EP3544643B1 (en) Bone substitute material
Lei et al. Biphasic ceramic biomaterials with tunable spatiotemporal evolution for highly efficient alveolar bone repair
WO2011130812A2 (en) Suspensions for preparing biosilicate-based bone grafts (scaffolds), thus obtained bone grafts and methods for producing same
EP3946488B1 (en) Collagen matrix or granulate blend of bone substitute material
RU2303580C2 (en) Method for manufacturing hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores
Swain Processing of porous hydroxyapatite scaffold
RU2462272C2 (en) Method of producing porous glass-ceramic material
CN109394394A (en) Imitative hot dog structure-biological activity bracket and its preparation method and application
KR100853635B1 (en) Porous synthetic bone graft and method of manufacture thereof
Sabree et al. Fabrication of Porous Biologic Hydroxyapatite Scaffold Reinforced with Polymer Coating for Bone Tissue Engineering Candidate
RU2771017C1 (en) Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide
ENDOPROSTHESIS OM Beketov National University of Urban Economy in Kharkiv
KR101796723B1 (en) A Manufacturing Method Of Bone Graft Material Similar To Cancellous Bone Utilizing Deviation Control Of Compressive Strength
Miao Modification of porous alumina ceramics with bioinert and bioactive glass coatings
KR101294963B1 (en) Porous scaffold prepared by using plant template and manufacturing method thereof
KR950010812B1 (en) Process for the preparation of sintering apatite ceramics
Callcut Production and characterisation of reticulated glass reinforced hydroxyapatite foams for hard tissue surgery
Kim et al. Effect of calcium phosphate glass on compressive strength of macroporous hydroxyapatite scaffold
Jung et al. The effect of lif-maleic acid added calcium aluminate bone cement and Ca-Pmma composite bone cement on bone regeneration in rat calvarial defects
원상철 Evaluation of the Cuttlebone as a Bone Graft Substitute

Legal Events

Date Code Title Description
HK4A Changes in a published invention
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171013