RU2532350C1 - Способ получения биомиметического кальций-фосфатного покрытия на сплавах титана из модельного раствора синовиальной жидкости человека - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, которые могут быть использованы при создании биоактивных кальций-фосфатных покрытий на имплантатах, при создании бифазных композитов на основе фосфатов кальция и сплавов титана. Заявлен способ получения биомиметического кальций-фосфатного покрытия на сплавах титана из модельного раствора синовиальной жидкости человека, в котором готовят раствор состава: CaCl₂ - 1,3431 г/л, Na₂HPO₄·12H₂O - 7,4822 г/л, NaCl - 2,8798 г/л, MgCl₂·6H₂O - 0,4764 г/л, Na₂SO₄ - 1,6188 г/л, KCl - 0,3427 г/л, NaHCO₃ - 2,0160 г/л, осаждают две твердые фазы карбонатгидроксилапатита и октакальция фосфата при температуре 22-25°C, значении pH=7,4±0,05, в течение 7 дней. Затем фильтруют и сушат при 100°C в течение 2-3 часов до удаления химически несвязанной воды и готовят водную суспензию при концентрации фосфата кальция 5-10 мас.%. Полученную суспензию наносят капиллярным методом на сплав титана, сушат при температуре 20-25°C в течение 24 часов. Изобретение обеспечивает получение качественного покрытия на сплавах из титана, состоящего из карбонатгидроксилапатита и октакальция фосфата. 2 табл., 3 ил.

Description

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, которые могут быть использованы при создании биоактивных кальций-фосфатных покрытий на имплантатах, при создании бифазных композитов на основе фосфатов кальция и сплавах титана.

Известен способ нанесения покрытий на изделия из титана (патент RU 2453630), технический результат, в котором достигается за счет обработки поверхности титана углекислым газом, образующимся при реакции разложения гидрокарбоната кальция в водном растворе при соблюдении следующих условий: раствор гидрокарбоната натрия (ч.д.а.) приливают к раствору нитрата или хлорида кальция (х.ч.), соблюдая стехиометрическое соотношение реагентов 2:1. После начала выделения углекислого газа в реакционную смесь помещают титановые или с титановым покрытием изделия, например, пластины или штифты. Для устранения концентрационных потоков при формировании кристаллов смесь периодически перемешивают, при этом начинается более интенсивное выделение пузырьков углекислого газа. Толщина и адгезия покрытия, а также размер образующихся на титане кристаллов карбоната кальция изменяются в зависимости от времени протекания реакции и температуры. Прочные покрытия можно получить как минимум через десять минут после начала реакции при 20°C. Промытые пленки оставляют как минимум на сутки в контакте с раствором 0.6 М (NH₄)₂HPO₄, затем как минимум на сутки в растворе одномолярного Ca(NO₃)₂, затем как минимум на сутки в растворе 0.6 М (NH₄)₂HPO₄. Образцы промывают дистиллированной водой, сушат на воздухе при температуре 20°C. Для получения композиционных покрытий, содержащих биополимеры, титан с полученным кальцитным покрытием погружают в раствор желатина и/или хондроитинсульфата. Другие модификаторы вводят в систему с самого начала синтеза кальцитного покрытия. Недостатком данного способа является его многостадийность, сложность контролирования величины адгезии и толщины кальцитного покрытия, невозможность получения биомиметического кальций-фосфатного покрытия.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения биомиметического покрытия в среде синтетической жидкости (SBF), (Xiaohua Yu, Mei Wei Controlling Bovine Serum Albumin Release from Biomimetic Calcium Phosphate Coatings // Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, 2011, 2, 28-35). По данному способу пластины титана вертикально помещают в 1,5 мл пробирку, содержащую 1,0 мл M-SBF, затем инкубируют в водяной бане при 42°C в течение 24 час. Затем в каждую пробирку, после того как пластинка была погружена добавляли бычий сывороточный альбумин (BSA), в течение 0, 4, 6 и 8 ч соответственно. В результате чего конечная концентрация бычьего сывороточного альбумина (BSA) соответствовала 50 мкг/мл. После 24 ч инкубации в SBF, все пластинки вынимают, тщательно промывают деионизированной водой и сушат при комнатной температуре. Недостатком данного способа является его сложность и использование дорогостоящих компонентов, например сывороточного альбумина (BSA).

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения биомиметического кальций-фосфатного покрытия на сплавах титана из модельного раствора синовиальной жидкости человека.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения биомиметического кальций-фосфатного покрытия на сплавах титана из модельного раствора синовиальной жидкости человека, в котором готовят раствор состава: CaCl₂ - 1.3431 г/л, Na₂HPO₄·12H₂O - 7.4822 г/л, NaCl - 2.8798 г/л, MgCl₂·6H₂O - 0.4764 г/л, Na₂SO₄ - 1.6188 г/л, KCl - 0.3427 г/л, NaHCO₃ - 2.0160 г/л, осаждают две твердые фазы: карбонатгидроксилапатита и октакальция фосфата при температуре Т₁=22÷25°C, значении pH=7,4±0,05, в течение 7 дней, фильтруют и сушат при T₂=100°C в течение 2÷3 часов, до удаления химически несвязанной воды, затем готовят водную суспензию при концентрации фосфата кальция ω=5÷10 мас. %, наносят суспензию капиллярным методом на сплав титана, сушат при температуре T₃=20÷25°C, в течение 24 часов.

Для каждой из суспензии измеряли краевой угол смачивания и поверхностное натяжение приготовленных суспензий. Затем на основании уравнения Юнга-Дюпре рассчитывали энергию адгезии наносимой суспензии фосфата кальция к твердой поверхности титановых образцов.

W_a=σ₀₁(1+cosΘ),

где W_a - энергия адгезии, σ₀₁ - поверхностное натяжение на границе газ - жидкость cosΘ - косинус краевого угла смачивания.

Полученные расчеты характеристик поверхностного натяжения, угла смачивания, энергии адгезии и когезии представлены в Таблице 1.

Таблица 1
Адгезионные характеристики суспензии фосфата кальция на титане
ω, мас. %	σ01, МДж/м2	cosΘ	Wa, МДж/м2	Wk, МДж/м2	Wa/Wk	hпокр, мкм
5	81,40	0,71	139,19	162,80	0,86	220
10	91,90	0,17	107,52	183,80	0,60	320
20	101,75	-0,25	76,31	203,50	0,38	480

Установлено, что с увеличением концентрации фосфата кальция в водной суспензии происходит рост поверхностного натяжения и краевого угла смачивания, это обусловлено частичным растворением полученного фосфата кальция и образованием в растворе неорганических ПИВ (поверхностно инактивных веществ). Что при концентрации суспензии более 10% приводит к несмачиваемости поверхности титанового сплава (табл.1).

Для характеристики получаемых покрытий важным является соотношение значений энергии адгезии и когезии. Для установления соотношения между энергиями адгезии и когезии (W_k) преобразуем уравнения Юнга-Дюпре:

$$\frac{W_a}{{\sigma }_{01}}=1+\cos \theta ,\left(\text{1}\right)$$

$$\frac{W_a}{2{\sigma }_{01}}=\frac{1+\cos \theta }{2},\left(\text{2}\right)$$

,

так как $$W_k=2{\sigma }_{01},\left(\text{3}\right)$$

, то

$$\frac{W_a}{W_k}=\frac{1+\cos \theta }{2},\left(\text{4}\right)$$

Известно, что если это соотношение близко к единице, то наблюдается хорошее смачивание и т.д.

$$\begin{array}{l}\frac{W_a}{W_{к}}=1-хорошее\text{ смачивание}\text{,}\\ \frac{W_a}{W_{к}}=\mathrm{0,5}-\text{ переход}\text{к }\text{несмачиванию}\text{, }\left(\text{5}\right)\\ {\text{W}}_a=\text{0- полное}\text{несмачивание}\text{.}\end{array}$$

При этом установлено, что с ростом концентрации фосфата кальция в наносимой суспензии происходит уменьшение энергии адгезии, которая характеризует взаимодействия наносимой дисперсной системы с поверхностью титанового образца. Так, при увеличении содержания фосфата кальция вдвое, энергия адгезии уменьшается в 1,294 раза, а энергии когезии увеличивается в 1,129 раза, что связано с увеличением толщины покрытия в 1,454 раза с 220 мкм до 320 мкм (табл.1). Для оценки параметров смачивания обычно используют соотношение этих двух энергий, при этом, если оно близко к 1, то наблюдается смачивание, и т.д.

Полученные покрытия были проанализированы с помощью электронной растровой микроскопии. На всех микрофотографиях покрытий, полученных из всего диапазона концентрации фосфата кальция 5÷20 мас.% суспензии присутствуют агрегаты палочкообразные (в виде игл), и глобуллярные (каплеобразные). На фиг.1 представлена микрофотография агрегатов на поверхности титана при концентрации фосфата кальция ω=5 мас.%, на фиг.2 агрегаты при концентрации фосфата кальция ω=10 мас.%, на фиг.3 агрегаты при концентрации ω=20 мас.%. Различие между этими микрофотографиями агрегатов состоит в изменении морфологии и средних абсолютных размеров, которые представлены в виде таблицы 2.

Таблица 2
Геометрические параметры агрегатов на поверхности титана, в зависимости от концентрации водной суспензии фосфата кальция
ω, мас.%	Палочкообразные Длина, мкм	Палочкообразные Ширина, мкм	Глобулярные d, мкм
5	~8	~4	~4
10	~44	~2	~6
20	-37	-1	~7

Данная морфология характерна для октакальция фосфата, карбонатгидроксилапатита, гидроксилапатита. При увеличении концентрации фосфата кальция в используемой суспензии для нанесения покрытия заметно, что агрегаты характеризуются различными размерами, так, геометрические параметры палочкообразных агрегатов уменьшаются, а сферических возрастают (табл.2), вероятно, это обусловлено наличием большего количества центров кристаллизации при более высоких концентрациях фосфата кальция в суспензии.

Таким образом, заявляемый способ позволяет получить качественное покрытие состоящие из двух фаз карбонатгидроксилапатит и октакальция фосфат, при концентрации фосфата кальция в суспензии от 5÷10 мас.%

Claims (1)

1. Способ получения биомиметического кальций-фосфатного покрытия на сплавах титана из модельного раствора синовиальной жидкости человека, в котором готовят раствор состава: CaCl₂ - 1.3431 г/л, Na₂HPO₄·12H₂O - 7.4822 г/л, NaCl - 2.8798 г/л, MgCl₂·6H₂O - 0.4764 г/л, Na₂SO₄ - 1.6188 г/л, KCl - 0.3427 г/л, NaHCO₃ - 2.0160 г/л, осаждают две твердые фазы карбонатгидроксилапатита и октакальция фосфата при температуре T₁=22-25°C, значении pH=7,4±0,05, в течение 7 дней, фильтруют и сушат при T₂=100°C в течение 2-3 часов, до удаления химически несвязанной воды, затем готовят водную суспензию при концентрации фосфата кальция ω=5-10 мас.%, наносят суспензию капиллярным методом на сплав титана, сушат при температуре T₃=20-25°C, в течение 24 часов.

Images