RU2741208C1

RU2741208C1 - Биоматериал на основе гидроксиапатита

Info

Publication number: RU2741208C1
Application number: RU2020119407A
Authority: RU
Inventors: Екатерина Анатольевна Богданова; Владимир Михайлович Скачков; Данил Ильич Переверзев; Игорь Маратович Гиниятуллин
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2021-01-22

Abstract

Изобретение относится к области биологически активных фармацевтических и медицинских материалов и раскрывает биоматериал на основе гидроксиапатита, модифицированный оксидом циркония и оксидом алюминия, взятых в определенных соотношениях. Биоматериал может быть использован в хирургии при восстановлении и лечении костной ткани, в ортопедической стоматологии, а также в качестве носителя биологически активных веществ. 2 ил., 2 пр.

Description

Изобретение относится к области биологически активных фармацевтических и медицинских материалов, которые могут быть использованы в хирургии при восстановлении и лечении костной ткани и ортопедической стоматологии и в качестве носителя биологически активных веществ.

Известен композиционный костно-керамический имплантат, содержащий пористый керамический носитель на основе оксид циркония - оксид алюминия, на носитель нанесен слой гидроксиапатита (ГАП), обогащенный тромбоцитами плазмы. Материал относится к медицине, в частности к травматологии, ортопедии, регенеративной медицине, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии для восстановления структуры и функции костной ткани (патент RU 2542496; МПК A61L 27/54, A61L 27/04, A61L 27/10; 2015 год).

Однако к недостаткам известного материала относится использование керамического носителя на основе оксид циркония - оксид алюминия, который не является биологически резербируемым материалом и как инородное тело останется в организме, не замещенное костной тканью.

Известен биоматериал на основе гидроксиапатита, содержащий 15÷30 мас.% порошковой смеси оксида циркония и оксида алюминия, взятых в соотношении 1:1. При этом прочность материала, предварительно отожженного при высоких температурах (выше 1000^оС), составляет 12÷91 МПа (I. Mobasherpour,M. Solati Hashjin, S.S. Razavi Toosi, R. Darvishi Kamachali “Effect of the addition ZrO₂-Al₂O₃ on nanocrystalline hydroxyapatite bending strength and fracture toughness”, Ceramic International 35, 2009, p.p. 1569-1574).

Недостатком известного материала являются его низкие механические характеристики, обусловливающие нежелательность его использования в ортопедии: при восстановлении дефектов костной ткани, для формирования новой костной ткани взамен удаленной, для заполнения полостей костной ткани при удалении новообразований костной ткани.

Наиболее близким из известных к предлагаемому техническому решению является биокерамический материал на основе гидроксиапатита, модифицированный тетрагонально-циркониево-поликристаллическим порошком ZrО₂, частицы которого покрыты глиноземом (Al₂O₃), при содержании компонентов (об.%): ZrО₂ - 10÷15; Al₂O₃-20÷30; при этом прочность композита равна 200÷300 МПа (Young-Min Kong, Sona Kim, and Hyoun-Ee Kim, In-Seop Lee. Reinforcement of Hydroxyapatite Bioceramic by Addition of ZrO₂ Coated with Al₂O₃ // Journal of the American Ceramic Society, 1999. Vol. 82. No. 11. Рр.2963-2968) (прототип).

Недостатком известного материала являются его невысокие механические характеристики, обусловленные модифицированием матрицы ГАП частицами оксида циркония с покрытием из оксида алюминия, что снижает действие оксида циркония, как упрочняющей модифицирующей добавки. Кроме того, использование модифицирующих частиц с покрытием в виде агломератов нарушает дисперсионное упрочнение.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать биоматериал, обладающий повышенной механической твердостью наряду с сохранением высокой биосовместимости с костной тканью, обеспечивающей пониженную скорость биодеградации при замене и восстановлении костной ткани при различных костных патологиях.

Поставленная задача решена в биоматериале на основе гидроксиапатита, модифицированного оксидом циркония и оксидом алюминия, который содержит компоненты при следующем соотношении (мас.%):

гидроксиапати	- 77,5 ÷ 87,5;
оксид циркония	- 2,5 ÷ 7,5;
оксид алюминия	- 10 ÷ 15;

при этом модифицирующие частицы распределены равномерно по всему объему матрицы и имеют размер не более 0,5 мкм.

В настоящее время из патентной и научно технической литературы не известен биоматериал на основе гидроксиапатита, модифицированный оксидом циркония и оксидом алюминия, содержащий компоненты в предлагаемых пределах с равномерным распределением модифицирующих частиц с размером не более 0,5 мкм по всему объему матрицы.

В ходе исследований, проведенных авторами установленно, что использование смеси порошков исходных компонентов в предлагаемых пределах позволяет получить равномерное распределение модифицирующих частиц по всему объему матрицы ГАП, что позволяет получить биоматериал, обладающий равномерной плотной структурой с высокой степенью кристалличности, устойчивой при термообработке ниже 1000^оС, что, в свою очередь предотвращает разложение гидроксиапатита с образованием трикальций фосфата, не являющегося полным аналогом минерализованных костных тканей человека. Кроме того, предлагаемые пределы соотношения компонентов позволяет наряду с достижением высоких значений механической твердости увеличить содержание в биоматериале гидроксиапатита, как компонента, имеющего наибольшее сходство с минерализованной костной тканью. При этом при содержании менее 10мас.% Al₂O₃ и 2.5мас.% ZrО₂ резко возрастает степень разложения ГАП с образованием трикальций фосфата во время термообработки, а при содержании более 15 мас.% Al₂O₃ и 7.5мас.% ZrО₂ происходит падение прочности получаемого биоматериала за счет снижения дисперсионного упрочнения, и включения способствуют образованию трещин.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. В вибромельнице одновременно смешивают с измельчением порошки исходных компонентов гидроксиапатита, оксида алюминия и оксида циркония взятых в соотношении (мас.%): гидроксиапатит – 77,5÷87,5; оксида алюминия – 10÷15; оксид циркония – 2,5÷7,5. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 200-300 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают отжигу при температуре 950±10°С в течение 1-1,5 часов. В результате получают композиционный материал Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂- Al₂O₃ -ZrO₂ в виде мелкозернистого прочного материал с размером частиц менее 0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему ГАП. Материал аттестуют рентгено-фазовым анализом. Микротвердость определяют микротвердомером ПМТ-3М (нагрузка 0,98 Н (100 г), время нагружения – 10 с).

На фиг.1 изображена микроструктура полученного биоматериала (пример 1).

На фиг.2 изображена микроструктура полученного биоматериала (пример 2).

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. Берут 77,5 грамм (77,5 мас.%) порошка гидроксиапатита, 15 грамм (15 мас.%) порошка оксида алюминия и 7,5 грамм (7,5 мас.%) порошка диоксида циркония, помещают в вибромельницу с агатовой ступкой и шариком. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 200 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 940°С в течение 1,5 часов. В результате получают композиционный материал (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂-Αl₂O₃ -ZrO_2, в виде плотного мелкозернистого прочного материала с размером частиц менее 0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему ГАП (фиг.1.), характеризующегося микротвердостью 381 МПа.

Пример 2. Берут 87,5 грамм (87,5 мас.%) порошка гидроксиапатита 10 грамм (10 мас.%) порошка и 2,5 грамма (2,5 мас.%) порошка диоксида циркония, помещают в вибромельницу с агатовой ступкой и шариком. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 300 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 960 °С в течение 1 часа. В результате получают композиционный материал (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂-Αl₂O₃-ZrO_2, в виде плотного мелкозернистого прочного материала с размером частиц менее 0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему ГАП (фиг.2.), характеризующегося микротвердостью 378 МПа.

Таким образом, авторами предлагается биоматериал материал, обладающий повышенной механической твердостью наряду с сохранением высокой биосовместимости с костной тканью,

Claims

Биоматериал для восстановления костной ткани на основе гидроксиапатита, модифицированный оксидом циркония и оксидом алюминия, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
гидроксиапатит 77,5-87,5 оксид циркония 2,5-7,5 оксид алюминия 10-15
при этом модифицирующие частицы распределены равномерно по всему объему матрицы и имеют размер не более 0,5 мкм