RU2578435C1

RU2578435C1 - Method of producing porous ceramic from calcium phosphates for treating bone tissue defects

Info

Publication number: RU2578435C1
Application number: RU2015112518/15A
Authority: RU
Inventors: Сергей Миронович Баринов; Инна Вилоровна Фадеева; Александр Сергеевич Фомин; Наталия Валерьевна Петракова
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2016-03-27

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to a method of producing porous ceramic which can be used in reconstructive surgery as material for bone defect replacement in dentistry. Porous ceramic from calcium phosphate is made using impregnation of porous organic material ceramic slurry containing calcium phosphate powder in amount of 10-60 wt%, sintering additive on the basis of carbonates of alkali and alkali-earth metals, taken in amount of 5-10 wt%, water-soluble organic polymer, decaying at 500-600°C, and water, followed by drying at 180-200°C and thermal treatment in a chamber furnace in temperature range from 850 to 1200°C. Formed as a result of thermal treatment of porous ceramic matrix of calcium phosphates. Technical result is producing porous ceramic with porosity of 60-90%, pore size from 0.1 to 1500 mcm and compression strength 5-12 MPa.

EFFECT: obtaining porous ceramics.

1 cl, 3 ex

Description

Изобретение относится к медицине, конкретно к способу получения пористой керамики, которая может использоваться в реконструктивно-пластической хирургии в качестве материала для замещения костных дефектов, в стоматологии. Активно развивающийся подход к лечению поврежденных тканей организма - тканевая инженерия - основан на способности организма самостоятельно восстанавливать утраченные фрагменты тканей при условии, что для этого созданы необходимые условия, а именно: тканевой дефект заполнен материалом, подвергающимся биорезорбции в среде организма, материал содержит факторы роста, например, морфогенетические белки, стволовые клетки.The invention relates to medicine, specifically to a method for producing porous ceramics, which can be used in reconstructive plastic surgery as a material for replacing bone defects in dentistry. An actively developing approach to the treatment of damaged tissues of the body - tissue engineering - is based on the body's ability to independently restore the lost tissue fragments, provided that the necessary conditions are created for this, namely: the tissue defect is filled with material undergoing bioresorption in the body, the material contains growth factors, for example, morphogenetic proteins, stem cells.

Особая роль в инженерии костных тканей отводится материалу: кроме биосовместимости с тканями организма и отсутствия токсичности, которые являются общими требованиями для всех биоматериалов, определяющим требованием является скорость биорезорбции керамического материала (растворения керамики в жидкостях организма), сопоставимая со скоростью образования новой костной ткани. Наиболее перспективными в качестве материалов для инженерии костной ткани являются фосфаты кальция, что связано с близостью их химического состава к минеральной составляющей костной ткани (Баринов С.М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины. - Успехи химии. - 2010. - Т. 79. - №1. - С. 15-32). Помимо химического состава материала, важнейшим свойством является пористость и размер пор керамики: различного размера поры необходимы как для адгезии протеинов (поры размером от нескольких десятков до сотни нанометров), так и для циркуляции в матриксе межтканевой жидкости (взаимосвязанные поры от 10 до 200-300 мкм).A special role in bone tissue engineering is given to the material: in addition to biocompatibility with body tissues and the absence of toxicity, which are common requirements for all biomaterials, the determining requirement is the rate of bioresorption of ceramic material (dissolution of ceramics in body fluids), comparable to the rate of formation of new bone tissue. The most promising materials for bone tissue engineering are calcium phosphates, which is related to the proximity of their chemical composition to the mineral component of bone tissue (Barinov S.M. Ceramic and composite materials based on calcium phosphates for medicine. - Advances in chemistry. - 2010. - T. 79. - No. 1. - S. 15-32). In addition to the chemical composition of the material, the porosity and pore size of ceramics is an important property: different pore sizes are necessary both for protein adhesion (pores ranging in size from several tens to hundreds of nanometers) and for circulation in the interstitial fluid matrix (interconnected pores from 10 to 200-300 μm).

Пористая керамика может быть изготовлена различными способами - методом выгорающих добавок, методом растворимых добавок, методом вспенивающих добавок. В качестве выгорающих добавок используют материалы на основе органических веществ - сажу, опилки, муку. При спекании керамики выгорающая добавка (в данном случае, микроцеллюлоза) сгорает, образуя углекислый газ и пары воды, которые удаляются из образца, формируя в нем систему взаимосвязанных открытых пор. Введением в состав керамической шихты солей, разлагающихся при нагревании, например, карбоната или гидрокарбоната аммония, также можно создать систему взаимосвязанных пор в спеченном образце. При этом поры формируются за счет выделения газообразных продуктов разложения (Fabrication and cellular biocompatibility of porous carbonated biphasic calcium phosphate ceramics with a nanostructure /B.Li, X.Chen, B.Guo et al // Acta Biomaterialia. 2009. V. 5. P. 134-143).Porous ceramics can be made in various ways - the method of burnable additives, the method of soluble additives, the method of foaming additives. As burnable additives use materials based on organic substances - soot, sawdust, flour. During sintering of ceramics, a burn-out additive (in this case, microcellulose) burns out, forming carbon dioxide and water vapor, which are removed from the sample, forming a system of interconnected open pores in it. By introducing salts decomposing upon heating, for example, ammonium carbonate or hydrogen carbonate into the ceramic mixture, it is also possible to create a system of interconnected pores in a sintered sample. At the same time, pores are formed due to the release of gaseous decomposition products (Fabrication and cellular biocompatibility of porous carbonated biphasic calcium phosphate ceramics with a nanostructure / B. Li, X. Chen, B. Guo et al // Acta Biomaterialia. 2009. V. 5. P. 134-143).

Описан способ получения пористой керамической подложки для нанесения мембран (Патент РФ C1 №2349373 B01D 71/02. Композиционная пористая подложка для оксидно-керамических мембран и способ ее получения/ Зырянов В.В. (Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук) №2007138240/15. Заявл. 15.10.2007). Подложки получают литьем суспензий на основе отобранных беложгущихся каолинов и глин с добавками микрокристаллической целлюлозы. Способ получения включает обжиг подготовленной и сформованной суспензии, микрокристаллическая целлюлоза выполняет функцию выгорающей добавки.A method for producing a porous ceramic substrate for applying membranes is described (RF Patent C1 No. 2349373 B01D 71/02. Composite porous substrate for oxide-ceramic membranes and a method for producing it) V. Zyryanov (Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences ) No. 2007138240/15. Declared 10/15/2007). Substrates are prepared by casting suspensions based on selected white-burning kaolins and clays with microcrystalline cellulose additives. The production method involves firing the prepared and formed suspension, microcrystalline cellulose serves as a burnable additive.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту являются пористые матриксы на основе карбоната кальция для имплантации, получаемые пропиткой пористых керамических матриц жидким шликером на основе порошка карбоната кальция, с последующей сушкой и термической обработкой при 540-620°C. (Смирнов В.В., Гольдберг М.А., Петракова Н.В., Баринов С.М. «Способ получения пористого керамического матрикса на основе карбоната кальция для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях». Патент РФ №2542439). Недостатком данного материала является слишком высокая скорость биорезорбции, превосходящая скорость образования новой костной ткани, что приводит к преждевременной потере матрикса и создает возможность зарастания костного дефекта соединительной тканью.The closest in technical solution and the achieved effect are porous calcium carbonate matrices for implantation, obtained by impregnation of porous ceramic matrices with a liquid slip based on calcium carbonate powder, followed by drying and heat treatment at 540-620 ° C. (Smirnov V.V., Goldberg M.A., Petrakova N.V., Barinov S.M. “A method for producing a porous ceramic matrix based on calcium carbonate to fill bone defects in reconstructive plastic surgery.” RF patent No. 2542439) . The disadvantage of this material is that bioresorption rates are too high, exceeding the rate of formation of new bone tissue, which leads to premature loss of the matrix and creates the possibility of overgrowing of the bone defect with connective tissue.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение пористой керамики на основе фосфатов кальция с пористостью от 60 до 90 об. % и размером пор от 0,1 мкм до 1500 мкм, прочностью при сжатии 5-12 МПа.The technical result of the invention is to obtain porous ceramics based on calcium phosphates with porosity from 60 to 90 vol. % and pore size from 0.1 μm to 1500 μm, compressive strength of 5-12 MPa.

Технический результат достигается тем, что пористую керамику из фосфатов кальция для лечения дефектов костной ткани, согласно изобретению, изготавливают, используя операции пропитки пористого органического материала керамическим шликером на водной основе, содержащим порошок фосфата кальция в количестве 10-60% масс, спекающую добавку на основе карбонатов щелочных и щелочно-земельных металлов, взятую в количестве 5-10% масс, водорастворимый органический полимер, разлагающийся при 500-600°С, с последующей сушкой при 180-200°C и термической обработкой в камерной печи в температурном интервале от 850 до 1200°C, образующаяся в результате термической обработки пористая керамика из фосфатов кальция характеризуется пористостью 60-90%, размером пор от 0,1 до 1500 мкм и прочностью при сжатии 5-12 МПа.The technical result is achieved in that the porous ceramic of calcium phosphates for the treatment of bone defects, according to the invention, is made using the operations of impregnating the porous organic material with a ceramic slurry based on water, containing calcium phosphate powder in an amount of 10-60% by weight, a sintering additive based on carbonates of alkali and alkaline earth metals, taken in an amount of 5-10% of the mass, a water-soluble organic polymer that decomposes at 500-600 ° C, followed by drying at 180-200 ° C and heat treatment oh in a box furnace in a temperature range of from 850 to 1200 ° C, formed by heat treatment of porous calcium phosphate ceramics is characterized by a porosity of 60-90%, a pore size of 0.1 to 1500 microns and compressive strength of 5-12 MPa.

Увеличение температуры термообработки пористого органического материала, пропитанного керамическим шликером, приводит к увеличению размера частиц и к снижению пористости в результате усиления диффузионных процессов при повышении температуры.An increase in the heat treatment temperature of porous organic material impregnated with a ceramic slurry leads to an increase in particle size and to a decrease in porosity as a result of enhanced diffusion processes with increasing temperature.

Уменьшение температуры термической обработки ниже 850°C не позволяет возникнуть контактам между частицами фосфатов кальция, в результате чего прочность керамики снижается до менее 1 МПа.A decrease in the temperature of heat treatment below 850 ° C does not allow contacts between particles of calcium phosphates to occur, as a result of which the ceramic strength decreases to less than 1 MPa.

Увеличение содержания фосфатов кальция свыше 60% масс, в шликере способствует неравномерному распределению фосфата кальция в шликере, а уменьшение количества фосфатов кальция менее 10% снижает прочность полученного в результате термической обработки керамики до 1 МПа и менее.An increase in the content of calcium phosphates in excess of 60% of the mass in the slip promotes an uneven distribution of calcium phosphate in the slip, and a decrease in the amount of calcium phosphates of less than 10% reduces the strength of the ceramic obtained by heat treatment to 1 MPa or less.

Уменьшение количества спекающей добавки менее 5% не позволяет получить достаточно прочную керамику: прочность спеченной керамики снижается до 0,1 МПа, а увеличение количества спекающей добавки более 10% приводит к снижению пористости и уменьшению размера пор.A decrease in the amount of sintering additive of less than 5% does not allow obtaining sufficiently strong ceramics: the strength of sintered ceramic decreases to 0.1 MPa, and an increase in the amount of sintering additive of more than 10% leads to a decrease in porosity and a decrease in pore size.

Пример 1. Пористую матрицу из полиэтилена с пористостью 70% пропитывали водным шликером, содержащим 40 масс. % порошка карбонатгидроксиапатита, 5% масс. спекающей добавки на основе карбонатов калия и кальция и карбоксиметилцеллюлозу. После сушки проводили термическую обработку полученных заготовок в камерной печи с силитовыми нагревателями до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 850°C. В результате получали пористую керамику из карбонатгидроксиапатита, характеризующуюся пористостью 40% и прочностью при сжатии 5 МПа.Example 1. A porous matrix of polyethylene with a porosity of 70% was impregnated with an aqueous slip containing 40 mass. % powder of carbonate hydroxyapatite, 5% of the mass. sintering additives based on potassium and calcium carbonates and carboxymethyl cellulose. After drying, the obtained billets were heat treated in a chamber furnace with silicon heaters until the organic polymer was completely removed. Final sintering was carried out at 850 ° C. As a result, porous ceramics made of carbonate hydroxyapatite, characterized by a porosity of 40% and a compressive strength of 5 MPa, were obtained.

Пример 2. Пористую матрицу из полиэтилена с пористостью 80% пропитывали водным шликером, содержащим 55% масс., порошка кремнийзамещенного гидроксиапатита, 8%масс. спекающей добавки на основе карбонатов калия и кальция и полиакриламид. После сушки проводили термическую обработку полученных заготовок в камерной печи с силитовыми нагревателями до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 900°C. В результате получали пористую керамику из кремнийзамещенного гидроксиапатита, характеризующуюся пористостью 40% и прочностью при сжатии 7 МПа.Example 2. A porous matrix of polyethylene with a porosity of 80% was impregnated with an aqueous slip containing 55% by weight, silicon-substituted hydroxyapatite powder, 8% by weight. sintering additives based on potassium and calcium carbonates and polyacrylamide. After drying, the obtained billets were heat treated in a chamber furnace with silicon heaters until the organic polymer was completely removed. Final sintering was carried out at 900 ° C. As a result, porous ceramics made of silicon-substituted hydroxyapatite were obtained, characterized by a porosity of 40% and a compressive strength of 7 MPa.

Пример 3. Пористую матрицу из полиэтилена с пористостью 60% пропитывали водным шликером, содержащим 9% масс., порошка карбонатгидроксиапатита, 5% масс. спекающей добавки на основе карбонатов калия и кальция и полиакриламид. После сушки проводили термическую обработку полученных заготовок в камерной печи с силитовыми нагревателями до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 900°C. В результате получали пористую керамику из карбонатгидроксиапатита, характеризующуюся прочностью при сжатии менее 1 МПа.Example 3. A porous matrix of polyethylene with a porosity of 60% was impregnated with an aqueous slip containing 9% by weight, carbonate hydroxyapatite powder, 5% by weight. sintering additives based on potassium and calcium carbonates and polyacrylamide. After drying, the obtained billets were heat treated in a chamber furnace with silicon heaters until the organic polymer was completely removed. Final sintering was carried out at 900 ° C. As a result, porous ceramics made of carbonate hydroxyapatite, characterized by compressive strength of less than 1 MPa, were obtained.

Claims

A method of obtaining porous ceramics from calcium phosphates for the treatment of bone defects, characterized in that porous ceramics from calcium phosphates are made using the operations of impregnating the porous organic material with a water-based ceramic slip containing calcium phosphate powder in an amount of 10-60 wt.%, Sintering an additive based on alkali and alkaline earth metal carbonates, taken in an amount of 5-10 wt.%, a water-soluble organic polymer that decomposes at 500-600 ° C, followed by drying at 180-200 ° C and thermal minutes treatment in a box furnace in a temperature range of from 850 to 1200 ° C, formed by heat treatment of porous calcium phosphate ceramics is characterized by a porosity of 60-90%, a pore size of 0.1 to 1500 microns and compressive strength of 5-12 MPa.