RU2741918C1 - Method of producing biocompatible porous zirconium dioxide ceramics for endoprosthesis replacement - Google Patents

Method of producing biocompatible porous zirconium dioxide ceramics for endoprosthesis replacement Download PDF

Info

Publication number
RU2741918C1
RU2741918C1 RU2020122043A RU2020122043A RU2741918C1 RU 2741918 C1 RU2741918 C1 RU 2741918C1 RU 2020122043 A RU2020122043 A RU 2020122043A RU 2020122043 A RU2020122043 A RU 2020122043A RU 2741918 C1 RU2741918 C1 RU 2741918C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
zro
pore
ceramics
composition
hydroxides
Prior art date
Application number
RU2020122043A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Надежда Юрьевна Федоренко
Марина Владимировна Калинина
Ольга Алексеевна Шилова
Мария Антоновна Пономарева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС 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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН)
Priority to RU2020122043A priority Critical patent/RU2741918C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2741918C1 publication Critical patent/RU2741918C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C04B35/486Fine ceramics
    • C04B35/488Composites
    • C04B35/4885Composites with aluminium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625Wet mixtures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/62655Drying, e.g. freeze-drying, spray-drying, microwave or supercritical drying
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0045Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by a process involving the formation of a sol or a gel, e.g. sol-gel or precipitation processes
    • C04B38/0048Precipitation processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0051Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity
    • C04B38/0054Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity the pores being microsized or nanosized
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C04B38/063Preparing or treating the raw materials individually or as batches

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention refers to medicine, more specifically to the technology of producing biocompatible composite materials which can be used for making bone implants in restorative surgery. Liquid-phase directed synthesis of precursor powders in ZrO2-Y2O3-Al2O3 system is carried out by selecting as initial reagents salts ZrO(NO3)2⋅2H2O, Y(NO3)3⋅5H2O and Al(NO3)3⋅9H2O, from which diluted solutions are prepared and two-stage precipitation of hydroxides from corresponding salts is carried out with aqueous solution of ammonia NH4OH until complete precipitation of all hydroxides, mixing and obtaining sediment with high degree of homogeneity. Gel-like precipitate is filtered and subjected to rapid freezing at -25°C for 24 hours, after which the synthesized powder composition [(ZrO2)0.97(Y2O3)0.03]0.8(Al2O3)0.2 dried and thermally treated at 800°C. Synthesized powder is added with optimum composition of pore-forming additive with content of 10 wt% of calcium hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 and 30 wt.% (NH4)2CO3, after which obtained nanopowder mixtures are formed into compacts by cold uniaxial pressing at pressure of 100 MPa and sintered in air at 1300°C with isothermal holding for 2 hours and heating rate of 350-400°/h.
EFFECT: disclosed method provides synthesis and production of composition based on nanopowders [(ZrO2)0.97(Y2O3)0.03]0.8(Al2O3)0.2 highly porous strong ceramics for medical purposes for replacement surgery and transplantology.
1 cl, 1 tbl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, конкретно к технологии получения биосовместимых композитных материалов, которые могут быть использованы для изготовления костных имплантатов в восстановительной хирургии.The invention relates to medicine, specifically to a technology for producing biocompatible composite materials that can be used for the manufacture of bone implants in reconstructive surgery.

Керамические материалы в настоящее время занимают приоритетное положение на мировом рынке, широко востребованы в разных областях промышленности и медицины. Это обусловлено их высокой коррозионной, химической, радиационной стойкостью, термостойкостью, низкой теплопроводностью, что делает возможным продолжительную эксплуатацию керамических элементов в условиях воздействия химически-агрессивных сред и повышенных температур без деградации свойств. При этом наилучшие свойства обнаруживают керамические материалы из частично стабилизированного диоксида циркония (t-ZrO2), который получают путем добавления на стадии синтеза порошка-прекурсора стабилизирующих добавок, таких как оксид иттрия, церия и др. [1-3]. Привлекательность керамики на основе t-ZrO2 для медицинского применения по сравнению с металлами и полимерами обусловлена исключительной химической инертностью, высокой прочностью и хорошей совместимостью с организмом человека.Ceramic materials currently occupy a priority position in the world market and are widely demanded in various fields of industry and medicine. This is due to their high corrosion, chemical, radiation resistance, thermal stability, low thermal conductivity, which makes it possible to operate ceramic elements for a long time under the influence of chemically aggressive media and elevated temperatures without degradation of properties. The best properties are found for ceramic materials made of partially stabilized zirconium dioxide (t-ZrO 2 ), which is obtained by adding stabilizing additives such as yttrium, cerium oxide, etc. at the stage of synthesis of the precursor powder [1-3]. The attractiveness of ceramics based on t-ZrO 2 for medical use in comparison with metals and polymers is due to the exceptional chemical inertness, high strength and good compatibility with the human body.

Для изготовления эндопротезов используют износостойкую керамику, металлы и сплавы, различные полимеры. Они легко поддаются обработке для достижения хорошего сопряжения частей конструкции протеза. Наиболее популярным материалом для создания протезов является нержавеющие стальные сплавы благодаря низкой стоимости изделия. Однако металлические конструкции часто вызывают аллергические реакции и отторгаются организмом, что уменьшает их срок службы и приводит к необходимости повторного хирургического вмешательства и замены протеза. Полимерные материалы также не всегда совместимы с организмом. Кроме того, они обладают низкими показателями износостойкости и способны разрушаться из-за воздействия биологических жидкостей в организме человека [4, 5].Wear-resistant ceramics, metals and alloys, and various polymers are used for the manufacture of endoprostheses. They can be easily processed to achieve a good fit between the parts of the prosthesis structure. The most popular material for creating prostheses is stainless steel alloys due to the low cost of the product. However, metal structures often cause allergic reactions and are rejected by the body, which reduces their service life and leads to the need for repeated surgical intervention and replacement of the prosthesis. Polymeric materials are also not always compatible with the body. In addition, they have low wear resistance and are capable of being destroyed due to the effect of biological fluids in the human body [4, 5].

В последние годы все больше внимания уделяется разработкам биосовместимой керамики для заместительной хирургии и эндопротезирования. Создание отечественных конкурентоспособных керамических композиций на основе диоксида циркония связано с использованием нанодисперсных порошков. В последние годы для получения нанодисперсных порошков на основе t-ZrO2 широко используются так называемые методы «мягкой» химии, основанные на синтезе наночастиц из водных растворов солей соответствующих металлов при относительно низких (~300°С) температурах. Возможность контроля и управления условиями протекания процесса позволяет получать порошки-прекурсоры заданного химического, фазового и гранулометрического состава [2, 6-8].In recent years, more and more attention has been paid to the development of biocompatible ceramics for replacement surgery and endoprosthetics. The creation of domestic competitive ceramic compositions based on zirconium dioxide is associated with the use of nanodispersed powders. In recent years, to produce nanosized powders based on t-ZrO 2 is widely used the so-called method of "soft" chemistry based on the synthesis of nanoparticles from aqueous solutions of corresponding metal salts at relatively low (~300 ° C) temperatures. The ability to monitor and control the conditions of the process makes it possible to obtain precursor powders of a given chemical, phase, and granulometric composition [2, 6-8].

При создании композита для имплантатов, обладающего характеристиками, близкими к характеристикам костной ткани, оптимальным является комбинирование материалов с требуемыми механическими и биологическими свойствами. Развитая поровая структура композита обеспечивает прочное сцепление имплантата с тканями, что является важным условием для обеспечения высоких прочностных характеристик и долговечности конструкции, например, при протезировании тазобедренного сустава. Керамика на основе t-ZrO2 используется в медицине для реконструкции и замещения костной ткани, т.к. она не оказывает токсического влияния на организм и способна длительное время сохранять механические характеристики, пребывая в биологически среде [9].When creating a composite for implants with characteristics close to those of bone tissue, it is optimal to combine materials with the required mechanical and biological properties. The developed pore structure of the composite provides strong adhesion of the implant to the tissues, which is an important condition for ensuring high strength characteristics and durability of the structure, for example, in hip joint prosthetics. Ceramics based on t-ZrO 2 are used in medicine for reconstruction and replacement of bone tissue, because it does not have a toxic effect on the body and is capable of maintaining mechanical characteristics for a long time, being in a biological environment [9].

Пористые керамические материалы - особый класс материалов, эксплуатационные характеристики которых определяются объемом порового пространства и размером пор. Структура материала должна позволять костной ткани прорастать вглубь, что требует наличия развитой системы пор. Современные технологические приемы увеличения пористости керамики довольно разнообразны [8, 10-12].Porous ceramic materials are a special class of materials whose performance is determined by pore volume and pore size. The structure of the material should allow bone tissue to grow deeper, which requires a developed pore system. Modern technological methods for increasing the porosity of ceramics are quite diverse [8, 10-12].

Высокопористую керамику обычно получают простым и эффективным методом твердофазного спекания с введением порообразующих добавок. В качестве порообразователей используют активированный уголь, спирты, амины, а также карбонаты и нитраты аммония и другие соединения, которые при нагревании разлагаются с образованием газообразных продуктов, формируя при спекании материала пористую структуру. Одним из высокоэффективных и безопасных порообразователей является карбонат аммония (NH4)2CO3, при разложении одного моля которого выделяются три моля газообразной фазы, что способствует образованию развитой поровой структуры в керамической матрице [13-14].Highly porous ceramics are usually prepared by a simple and efficient solid-phase sintering method with the introduction of pore-forming additives. Activated carbon, alcohols, amines, as well as ammonium carbonates and nitrates and other compounds are used as pore-forming agents, which decompose when heated to form gaseous products, forming a porous structure during sintering of the material. One of the highly efficient and safe blowing agents is ammonium carbonate (NH 4 ) 2 CO 3 , the decomposition of one mole of which releases three moles of the gaseous phase, which contributes to the formation of a developed pore structure in the ceramic matrix [13-14].

При пористости керамики свыше 40% ее прочность резко падает, поэтому интерес представляют такие добавки, которые могут обладать как порообразующими, так и армирующими свойствами, например, гидроксид алюминия.When the porosity of ceramics exceeds 40%, its strength drops sharply; therefore, such additives that can have both pore-forming and reinforcing properties, for example, aluminum hydroxide, are of interest.

Открытая пористость трубчатых костей человека составляет 40-50%, модуль упругости ~100 ГПа. Использование керамических эндопротезов подразумевает постоянно возникающие упругие напряжения/релаксации в месте контакта имплантата с костной и мышечной тканями человека. Для наиболее долговечного использования имплантата необходимо, чтобы упругие свойства кости и керамики были сопоставимы для предотвращения возможного взаимного разрушения. С медицинской точки зрения одним из наиболее перспективных материалов для изготовления имплантатов является гидроксиапатит кальция Ca10(PO4)6(OH)2 (ГАП) благодаря своему подобию костной ткани [15].The open porosity of human tubular bones is 40-50%, the modulus of elasticity is ~ 100 GPa. The use of ceramic endoprostheses implies constantly occurring elastic stresses / relaxation in the place of contact of the implant with human bone and muscle tissues. For the most durable use of the implant, the elastic properties of bone and ceramic must be comparable to prevent possible mutual destruction. From a medical point of view, one of the most promising materials for the manufacture of implants is calcium hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (HAP) due to its similarity to bone tissue [15].

В современной научной литературе известны работы, посвященные созданию биоматериалов, как из диоксида циркония, так и из ГАП. Однако долговечные цельнокерамические конструкции из этих материалов изготовить сложно из-за недостаточно прочного сцепления имплантата из t-ZrCO2 с костной и мышечной тканью и низкой прочностью и трещиностойкостью ГАП. Поэтому в последние годы особое внимание уделяется созданию и изучению комбинированных материалов из смеси t-ZrO2 и ГАП. Получение отечественных t-ZrO2/ГАП композитов для реконструктивной медицины, сочетающих в себе высокую прочность и биосовместимость, простым и эффективным методом является в настоящее время актуальной проблемой [4, 16-18].In the modern scientific literature, there are works devoted to the creation of biomaterials, both from zirconium dioxide and from HAP. However, it is difficult to make durable all-ceramic constructions from these materials due to insufficiently strong adhesion of the t-ZrCO 2 implant to bone and muscle tissue and low strength and fracture toughness of HAP. Therefore, in recent years, special attention has been paid to the creation and study of combined materials from a mixture of t-ZrO 2 and HAP. Preparation of native t-ZrO 2 / HA composites for reconstructive medicine, combining high strength and biocompatibility, simple and effective method is currently an urgent problem [4, 16-18].

Недостатки известных способов получения биосовместимой пористой керамики на основе диоксида циркония заключаются в следующем.The disadvantages of the known methods for producing biocompatible porous ceramics based on zirconium dioxide are as follows.

Использование сложной многоступенчатой технологии синтеза оксидных нанопорошков-прекурсоров, включающей несколько стадий помола, влечет за собой необходимость очистки порошков от нежелательных примесей, что увеличивает энергозатраты и, как следствие, себестоимость материала. Кроме того, использование в качестве исходных реагентов хлоридов циркония и иттрия приводит к отрицательному влиянию ионов хлора кристаллическую структуру керамики, что также влечет за собой введение дополнительной стадии очистки.The use of a complex multistage technology for the synthesis of oxide nanopowders-precursors, including several stages of grinding, entails the need to clean the powders from unwanted impurities, which increases energy consumption and, as a consequence, the cost of the material. In addition, the use of zirconium and yttrium chlorides as starting reagents leads to a negative effect of chlorine ions on the crystalline structure of ceramics, which also entails the introduction of an additional purification step.

Зачастую в качестве порообразователей и спекающих добавок используют органические вещества (спирты, амины и др.), которые могут оказывать негативное влияние на организм человека. Кроме того, порообразователи способствуют разрыхлению материала и снижают его прочность, что приводит к необходимости увеличивать температуру спекания или вводить дополнительные спекающие добавки, загрязняющие конечный материал.Often, organic substances (alcohols, amines, etc.) are used as pore-forming and sintering additives, which can have a negative effect on the human body. In addition, pore-forming agents help to loosen the material and reduce its strength, which leads to the need to increase the sintering temperature or introduce additional sintering additives that contaminate the final material.

Ввиду особенностей механических свойств керамик из диоксида циркония и гидроксиапатита, использование их отдельно может приводить к получению итогового материала с низкой прочностью и трещиностойкостью при пористости выше 40%.In view of the peculiarities of the mechanical properties of ceramics made of zirconium dioxide and hydroxyapatite, their use separately can lead to the production of a final material with low strength and fracture toughness with porosity above 40%.

Задачей изобретения является разработка полностадийного способа получения прочной высокопористой керамики на основе диоксида циркония с открытой пористостью не менее 45%, модулем упругости не менее 90 ГПа с возможностью варьирования этих показателей, перспективной для использования в качестве материала для эндопротезирования.The objective of the invention is to develop a full-stage method for producing durable highly porous ceramics based on zirconium dioxide with open porosity of at least 45%, modulus of elasticity of at least 90 GPa with the possibility of varying these parameters, promising for use as a material for endoprosthetics.

Согласно изобретению способ получения биосовместимой пористой керамики на основе диоксида циркония для эндопротезирования включает несколько стадий: жидкофазный направленный синтез порошков-прекурсоров, введение порообразующих добавок, консолидация нанопорошков для получения итоговой керамики заданного химического состава, при этом жидкофазный направленный синтез порошков-прекурсоров в системе ZrO2-Y2O3-Al2O3 осуществляют путем выбора в качестве исходных реагентов солей ZrO(NO3)2⋅2H2O, Y(NO3)3⋅5H2O и Al(NO3)3⋅9H2O, из которых приготавливают разбавленные растворы и осуществляют двухэтапное осаждение гидроксидов из соответствующих солей водным раствором аммиака NH4OH до полного осаждения всех гидроксидов, смешения и получения осадка с высокой степенью гомогенности, затем гелеобразный осадок фильтруют и подвергают быстрому замораживанию при -25°С в течение 24 часов, после чего синтезированный порошок состава [(ZrO2)0,97(Y2O3)0,03]0,8(Al2O3)0,2 высушивают и подвергают термообработке при 800°С, затем осуществляют введение порообразующих добавок, для чего с помощью механического смешения к синтезированному порошку добавляют оптимальную композицию порообразующей добавки с содержанием 10 масс. % гидроксиапатита кальция Ca10(PO4)6(ОН)2 ГАП и 30 масс. % (NH4)2CO3, после чего для получения итоговой керамики заданного химического состава полученные смеси формуют в компакты методом холодного одноосного прессования при давлении 100 МПа и спекают на воздухе при 1300°С с изотермической выдержкой в 2 ч и скоростью нагрева - 350-400°/ч.According to the invention, a method for producing biocompatible porous ceramics based on zirconium dioxide for endoprosthetics includes several stages: liquid-phase directed synthesis of precursor powders, introduction of pore-forming additives, consolidation of nanopowders to obtain final ceramics of a given chemical composition, while liquid-phase directed synthesis of precursor powders in the ZrO 2 system -Y 2 O 3 -Al 2 O 3 is carried out by choosing salts ZrO (NO 3 ) 2 ⋅2H 2 O, Y (NO 3 ) 3 ⋅5H 2 O and Al (NO 3 ) 3 ⋅9H 2 O as starting reagents , from which dilute solutions are prepared and a two-stage precipitation of hydroxides from the corresponding salts with an aqueous solution of ammonia NH 4 OH is carried out until all hydroxides are completely precipitated, mixing and a precipitate with a high degree of homogeneity is obtained, then the gel-like precipitate is filtered and subjected to rapid freezing at -25 ° C for 24 hours, after which the synthesized powder of the composition [(ZrO 2 ) 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.03 ] 0.8 (Al 2 O 3 ) 0.2 dried and subjected to heat treatment at 800 ° C, then the introduction of pore-forming additives is carried out, for which, using mechanical mixing, an optimal composition of a pore-forming additive with a content of 10 wt. % calcium hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 HAP and 30 wt. % (NH 4 ) 2 CO 3 , after which, to obtain the final ceramics of a given chemical composition, the resulting mixtures are molded into compacts by cold uniaxial pressing at a pressure of 100 MPa and sintered in air at 1300 ° C with isothermal holding for 2 h and a heating rate of 350 -400 ° / h.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленной совокупности существенных признаков, заключается в следующем.The technical result achieved by using the claimed set of essential features is as follows.

Использование разбавленных растворов азотнокислых солей при осаждении более целесообразно, чем концентрированных, так как это позволяет получить более дисперсный и однородный продукт осаждения. Контролируя скорость поступления их в маточный раствор достигается равномерное рН во всем объеме и обеспечивается удаленность центров зародышеобразования.The use of dilute solutions of nitric acid salts during precipitation is more expedient than concentrated solutions, since this allows a more dispersed and homogeneous precipitation product to be obtained. By controlling the rate of their entry into the mother liquor, a uniform pH is achieved throughout the entire volume and the remoteness of nucleation centers is ensured.

Параллельное двухэтапное осаждение обеспечивает полное осаждение всех гидроксидов и получения осадка с высокой степенью гомогенности. Быстрое замораживание геля ослабляет силы взаимодействия кристаллических частиц осадка между собой и способствует снижению степени его агломерации.Parallel two-stage precipitation ensures that all hydroxides are completely precipitated and a highly homogeneous precipitate is obtained. Rapid freezing of the gel weakens the forces of interaction between the crystalline particles of the sediment and helps to reduce the degree of its agglomeration.

Твердофазное спекание с добавлением в шихту порообразующих выгорающих добавок для получения высокопористой керамики является доступным и эффективным. Для получения пористой керамики медицинского назначения необходимо учитывать, что спекающие добавки и порообразователи должны быть нетоксичны и безопасны для человека, не вызывать аллергию и отторжение организма.Solid-phase sintering with the addition of pore-forming burnout additives to the charge to obtain highly porous ceramics is affordable and effective. To obtain porous ceramics for medical use, it is necessary to take into account that sintering additives and pore-forming agents must be non-toxic and safe for humans, not cause allergies and rejection of the body.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема синтеза порошков на основе t-ZrO2 - Al2O3, на фиг. 2 - результаты дифференциально-термического анализа ксерогеля состава 80 мол.% (ZrO2)0,97(Y2O3)0,03 - 20 мол. % Al2O3; на фиг. 3 - последовательность образования керамического нанокомпозита в системе ZrO2-Y2O3-Al2O3, полученного методом совместного осаждения: 1 - ксерогель после замораживания при -25°С и сушки при 110°С; 2 - порошок, полученный после обжига при 800°С; 3 - керамика, спеченная при 1300°С. Обозначения: ■ - тетрагональный твердый раствор на основе ZrO2, • - кубический твердый раствор на основе ZrO2 типа флюорита, на фиг. 4 - дифференциальное распределение пор по размерам пористой структуры керамики на основе t-ZrO2 с добавлением порообразующих композиций (1300°С, 2 ч).The essence of the invention is illustrated by drawings, where FIG. 1 shows a scheme for the synthesis of powders based on t-ZrO 2 - Al 2 O 3 , Fig. 2 - the results of differential thermal analysis of a xerogel with a composition of 80 mol.% (ZrO 2 ) 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.03 - 20 mol. % Al 2 O 3; in fig. 3 - sequence of the formation of a ceramic nanocomposite in the system ZrO 2 -Y 2 O 3 -Al 2 O 3 , obtained by the method of co-precipitation: 1 - xerogel after freezing at -25 ° C and drying at 110 ° C; 2 - powder obtained after firing at 800 ° C; 3 - ceramics sintered at 1300 ° C. Designations: ■ - tetragonal solid solution based on ZrO 2 , • - cubic solid solution based on ZrO 2 fluorite type, in Fig. 4 - differential pore size distribution of the porous structure of ceramics based on t-ZrO 2 with the addition of pore-forming compositions (1300 ° C, 2 h).

Заявленный способ осуществляют следующим образом.The claimed method is carried out as follows.

В качестве исходных реагентов выбирают азотнокислые соли ZrO(NO3)2⋅2H2O, Y(NO3)3⋅5H2O и Al(NO3)3⋅9H2O, из которых приготавливают разбавленные растворы (~0.1 М). Использование разбавленных растворов при осаждении более целесообразно, чем концентрированных, так как это позволяет получить более дисперсный продукт осаждения. Осаждение оксогидроксида циркония происходит при рН 2.3-4.2, гидроксида иттрия - 7.0-7.4. Значения рН осаждения гидроксида алюминия лежит в интервале 4.0-5.2, при достижении значений рН 7.8 начинается процесс растворения осадка гидроксида алюминия, вплоть до полного растворения при рН 10.8 [19]. Поэтому процесс осаждения проводят в два параллельных этапа: 1-й этап - соосаждение азотнокислых солей циркония и иттрия, 2-й этап-осаждение нитрата алюминия. После осаждения смеси гидроксидов циркония и иттрия осадок промывают декантацией до достижения значения рН раствора ~7.0, добавляли свежеосажденный гидроксид алюминия и перемешивали. Гидроксид циркония является основным компонентом продукта совместного осаждения в системе [(ZrO2)0,97(Y2O3)0,03]0,8(Al2O3)0,2 и для него характерны реакции гидролиза и полимеризации с образованием тетрамерных гидроксильных комплексов [Zr(OH)2⋅nH2O]4 8+, которые приводят к образованию «жестких» агломератов. Поэтому необходимо, чтобы время нахождения осадка в маточном растворе было минимальным [20, 21].The starting reagents are nitric acid salts ZrO (NO 3 ) 2 ⋅2H 2 O, Y (NO 3 ) 3 ⋅5H 2 O and Al (NO 3 ) 3 ⋅9H 2 O, from which diluted solutions (~ 0.1 M) are prepared ... The use of dilute solutions during precipitation is more expedient than concentrated solutions, since this allows a more dispersed precipitation product to be obtained. The deposition of zirconium oxyhydroxide occurs at pH 2.3-4.2, yttrium hydroxide - 7.0-7.4. The pH of the precipitation of aluminum hydroxide lies in the range of 4.0–5.2; upon reaching the pH of 7.8, the process of dissolution of the precipitate of aluminum hydroxide begins, up to complete dissolution at pH 10.8 [19]. Therefore, the deposition process is carried out in two parallel stages: 1st stage - coprecipitation of nitric acid salts of zirconium and yttrium, 2nd stage - precipitation of aluminum nitrate. After precipitation of a mixture of zirconium and yttrium hydroxides, the precipitate is washed by decantation until the pH of the solution reaches ~ 7.0, freshly precipitated aluminum hydroxide is added and stirred. Zirconium hydroxide is the main component of the coprecipitation product in the system [(ZrO 2 ) 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.03 ] 0.8 (Al 2 O 3 ) 0.2 and it is characterized by hydrolysis and polymerization reactions with the formation tetrameric hydroxyl complexes [Zr (OH) 2⋅ nH 2 O] 4 8+ , which lead to the formation of "hard" agglomerates. Therefore, it is necessary that the residence time of the precipitate in the mother liquor be minimal [20, 21].

Гелеобразный осадок фильтруют, а затем замораживают при -25°С (24 ч), в результате получают рентгеноаморфный ксерогель, фиг. 3, кривая 1, с площадью удельной поверхности 150 м2/г и средним размером пор ~3-4 нм. Быстрое замораживание геля ослабляет силы взаимодействия кристаллических частиц осадка между собой и способствует снижению степени его агломерации.The gel-like precipitate is filtered and then frozen at -25 ° C (24 h), resulting in an X-ray amorphous xerogel, FIG. 3, curve 1, with a specific surface area of 150 m 2 / g and an average pore size of ~ 3-4 nm. Rapid freezing of the gel weakens the forces of interaction between the crystalline particles of the sediment and helps to reduce the degree of its agglomeration.

Процессы термолиза полученного ксерогеля исследовали методом ДТА, фиг. 2. На термограмме в интервале температур 110-150°С наблюдается эндоэффект, соответствующий основной стадии дегидратации осадка. Ксерогели содержат значительное количество адсорбированной воды в виде молекул H2O и структурной - в виде ОН--групп. Кроме того, для порошков на основе системы ZrO2(Y2O3) - Al2O3 характерно повышенное содержание структурно связанной воды по сравнению с порошками на основе ZrO2(Y2O3). Для увеличения эффективности дегидратации осадок подвергают низкотемпературной обработке при -25°С (24 ч), способствующей вымораживанию большей части воды и интенсификации процесса дегидратации на стадии сушки. Это позволяет снизить потерю массы в ксерогеле до 10%. Экзоэффект при 435°С свидетельствует о начале процесса кристаллизации метастабильного кубического твердого раствора на основе диоксида циркония (c-ZrO2). Экзоэффект при 610°С соответствует кристаллизации γ-Al2O3. Широкий экзоэффект при 840°С указывает на протекание фазового перехода γ-Al2O3 → δ-Al2O3. Средний размер кристаллитов в синтезированном порошке состава [(ZrO2)0,97(Y2O3)0,03]0,8(Al2O3)0,2 составляет 8-10 нм.The processes of thermolysis of the obtained xerogel were investigated by the DTA method, Fig. 2. On the thermogram in the temperature range 110-150 ° C, there is an endothermic effect corresponding to the main stage of sediment dehydration. Xerogels contain a significant amount of adsorbed water in the form of H 2 O molecules and structural water in the form of OH - groups. In addition, powders based on the ZrO 2 (Y 2 O 3 ) - Al 2 O 3 system are characterized by an increased content of structurally bound water as compared to powders based on ZrO 2 (Y 2 O 3 ). To increase the efficiency of dehydration, the sediment is subjected to low-temperature treatment at -25 ° C (24 h), which promotes freezing of most of the water and intensifies the dehydration process at the drying stage. This allows the weight loss in the xerogel to be reduced by up to 10%. Exothermic peak at 435 ° C indicates the onset of crystallization of the metastable cubic solid solution based on zirconium dioxide (c-ZrO 2). The exo effect at 610 ° C corresponds to the crystallization of γ-Al 2 O 3 . The broad exothermic effect at 840 ° C indicates the occurrence of the γ-Al 2 O 3 → δ-Al 2 O 3 phase transition. The average crystallite size in the synthesized powder of the composition [(ZrO 2 ) 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.03 ] 0.8 (Al 2 O 3 ) 0.2 is 8-10 nm.

Для получения поровой структуры керамики на основе синтезированных ксерогелей и порошков выбирают нетоксичные и доступные порообразующие добавки: карбонат аммония (NH4)2CO3 марки «ч» и синтезированные нами гидроксид алюминия Al(ОН)3 и гидроксиапатит кальция Са10(РО4)6(ОН)2, а также их смеси.To obtain the pore structure of ceramics based on synthesized xerogels and powders, non-toxic and available pore-forming additives are chosen: ammonium carbonate (NH 4 ) 2 CO 3, grade "h" and aluminum hydroxide Al (OH) 3 synthesized by us and calcium hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , as well as mixtures thereof.

Для получения пористой керамики медицинского назначения необходимо учитывать, что спекающие добавки и порообразователи должны быть безопасны для человека, не вызывать аллергию и отторжение организма, препятствующих остеоинтеграции конструкции.To obtain porous ceramics for medical purposes, it is necessary to take into account that sintering additives and pore-forming agents must be safe for humans, not cause allergies and rejection of the body, which interfere with the osseointegration of the structure.

Известно, что при достижении пористости свыше 40% за счет порообразующих добавок, прочность материала резко падает, поэтому наибольший интерес представляет гидроокись алюминия не только в качестве порообразователя, но и в качестве спекающей добавки.It is known that when a porosity of more than 40% is reached due to pore-forming additives, the strength of the material drops sharply; therefore, aluminum hydroxide is of greatest interest not only as a pore-forming agent, but also as a sintering additive.

Кроме того, одним из безопасных и высокоэффективных порообразователей является карбонат аммония. Один моль (NH4)2CO3 при разложении дает три моля газообразной фазы, что способствует образованию развитой пористой структуры.In addition, ammonium carbonate is one of the safe and highly effective blowing agents. One mole of (NH 4 ) 2 CO 3 upon decomposition gives three moles of the gaseous phase, which contributes to the formation of a developed porous structure.

С медицинской точки зрения одним из наиболее перспективных материалов для изготовления имплантатов является гидроксиапатит кальция (Са10(PO4)6(ОН)2) благодаря биосовместимости с организмом человека.From a medical point of view, one of the most promising materials for the manufacture of implants is calcium hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) due to its biocompatibility with the human body.

Исходные порошки смешивают с выбранными (оптимальными) композициями порообразующих добавок на основе Al(ОН)3, (NH4)2CO3 и ГАП в планетарной мельнице Fritsch Pulverisette в корундовых стаканах с корундовыми мелющими телами в течение 2 часов. Полученные смеси формуют сухим одноосным прессованием на гидравлическом прессе ПГР-400 в стальной пресс-форме и спекают на воздухе на корундовых подложках в печи SNOL 6,7/1300 при 1300°С с изотермической выдержкой 2 ч, скоростью нагрева - 350-400°С/ч. Достаточно большую скорость нагрева выбирают, чтобы уменьшить скорость роста кристаллитов.The initial powders are mixed with the selected (optimal) compositions of pore-forming additives based on Al (OH) 3 , (NH 4 ) 2 CO 3 and HAP in a Fritsch Pulverisette planetary mill in corundum nozzles with corundum grinding bodies for 2 hours. The resulting mixtures are formed by dry uniaxial pressing on a hydraulic press PGR-400 in a steel mold and sintered in air on corundum substrates in a SNOL 6.7 / 1300 furnace at 1300 ° С with isothermal holding for 2 h, heating rate - 350-400 ° С / h A sufficiently high heating rate is selected to reduce the rate of crystallite growth.

На основании исследования влияния добавления индивидуальных порообразователей (NH4)2CO3 и Al(ОН)3 в исходные порошки не удалось получить высокую пористость керамики с сохранением ее прочности. Анализируя полученные результаты, были выбраны порообразующие добавки в виде композиций Al(ОН)3+(NH4)2CO3 и ГАП+(NH4)2CO3 - табл. 1.Based on the study of the effect of adding individual pore-forming agents (NH 4 ) 2 CO 3 and Al (OH) 3 to the initial powders, it was not possible to obtain high porosity of ceramics while maintaining its strength. Analyzing the results obtained, pore-forming additives were selected in the form of compositions Al (OH) 3 + (NH 4 ) 2 CO 3 and HAP + (NH 4 ) 2 CO 3 - table. one.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Введение порообразующей композиции состава 15 масс. % Al(ОН)3 + 20 масс. % (NH4)2CO3 в исходные порошки I и II показало, что свойства керамики в значительной степени зависят от состава цирконий содержащей матрицы. Оксид алюминия способствует торможению роста зерен диоксида циркония, что позволяет увеличить прочность материала за счет протекания процесса трансформационного упрочнения, характерного для наноразмерной керамики из t-ZrO2. The introduction of a pore-forming composition with a composition of 15 wt. % Al (OH) 3 + 20 wt. % (NH 4 ) 2 CO 3 into the initial powders I and II showed that the properties of ceramics largely depend on the composition of the zirconium-containing matrix. Alumina contributes to the inhibition of the growth of zirconium dioxide grains, which makes it possible to increase the strength of the material due to the process of transformation hardening, which is characteristic of nanosized ceramics made of t-ZrO2 .

В связи с вышеизложенным, изучение влияния состава порообразующих композиций на свойства керамики проводили с использованием исходного порошка II. In connection with the above, the study of the effect of the composition of pore-forming compositions on the properties of ceramics was carried out using the initial powder II.

В порообразователе на основе смеси Al(ОН)3 и (NH4)2CO3 увеличение количества карбоната аммония до 30 масс. % приводит к незначительному возрастанию открытой пористости керамики (состав 3), а уменьшение количества гидроксида алюминия до 10 масс. % не оказывает отрицательного влияния на величину модуля упругости.In a blowing agent based on a mixture of Al (OH) 3 and (NH 4 ) 2 CO 3, an increase in the amount of ammonium carbonate to 30 wt. % leads to a slight increase in the open porosity of the ceramic (composition 3), and a decrease in the amount of aluminum hydroxide to 10 wt. % has no negative effect on the value of the elastic modulus.

Для исследования влияния гидроксиапатита кальция на свойства керамики используют порообразующую композицию, в которой гидроксид алюминия заменяют таким же количеством гидроксиапатита кальция (10 масс. %), содержание карбоната аммония уменьшают также до 10 масс. %. После спекания модуль упругости образцов керамики (состав 4) возрастает до значений, необходимых при использовании керамики для эндопротезирования. Увеличение значений модуля упругости обусловлено формированием твердого раствора Ca0.10Zr0.90O2, образующегося вследствие полного разложения гидроксиапатита кальция после обжига при 1300°С и частичной термической диффузии ионов Са2+ в решетку ZrO2 [16]. Снижение значения открытой пористости при этом связано со значительным уменьшением содержания (NH4)2CO3.To study the effect of calcium hydroxyapatite on the properties of ceramics, a pore-forming composition is used, in which aluminum hydroxide is replaced with the same amount of calcium hydroxyapatite (10 wt%), the content of ammonium carbonate is also reduced to 10 wt. %. After sintering, the modulus of elasticity of ceramic samples (composition 4) increases to the values required when using ceramics for endoprosthetics. An increase in the elastic modulus is due to the formation of a Ca 0.10 Zr 0.90 O 2 solid solution, which is formed as a result of the complete decomposition of calcium hydroxyapatite after firing at 1300 ° C and partial thermal diffusion of Ca 2+ ions into the ZrO 2 lattice [16]. The decrease in the value of open porosity is associated with a significant decrease in the content of (NH 4 ) 2 CO 3 .

Увеличение в смеси порообразователей количества карбоната аммония до 30 масс. % при сохранении количества гидроксиапатита кальция (состав 5) позволяет получить после спекания керамику со свойствами, наиболее приближенными к параметрам трубчатой костной ткани человека: открытая пористость - 48%) и модуль упругости - 98 ГПа. Закрытая пористость всех полученных керамических образцов была незначительна и не превышала 0,16%.An increase in the mixture of pore-forming agents in the amount of ammonium carbonate up to 30 wt. % while maintaining the amount of calcium hydroxyapatite (composition 5) makes it possible to obtain after sintering ceramics with properties closest to the parameters of human tubular bone tissue: open porosity - 48%) and modulus of elasticity - 98 GPa. The closed porosity of all obtained ceramic samples was insignificant and did not exceed 0.16%.

Методом ртутной порометрии были получены данные о размерах и распределении пор в образце полученного керамического материала (фиг. 4).Mercury porosimetry was used to obtain data on the size and distribution of pores in a sample of the obtained ceramic material (Fig. 4).

Из фиг. 4 следует, что данная керамика имеет бимодальное распределение мезо- и макропор по размерам в интервале 40-800 нм. Первый максимум обусловлен мезопорами менее 100 нм, размер которых соизмерим с размером зерна. Второй максимум образуют макропоры размером от 100 нм и выше. Столь крупные пустоты в керамике обусловлены образованием в процессе прессования каркаса из агломератов используемых порошков, размеры которых определяют размер макропор между ними. Значительная доля пор имеет радиус менее 200 нм. Средний размер пор по полученным данным составил ~180 нм.From FIG. 4 it follows that this ceramic has a bimodal distribution of meso- and macropores in size in the range of 40-800 nm. The first maximum is due to mesopores less than 100 nm, the size of which is commensurate with the grain size. The second maximum is formed by macropores with a size of 100 nm and more. Such large voids in ceramics are due to the formation of a framework of agglomerates of the powders used during pressing, the sizes of which determine the size of the macropores between them. A significant proportion of the pores have a radius of less than 200 nm. According to the data obtained, the average pore size was ~ 180 nm.

Полученная высокопористая прочная керамика на основе t-ZrO2/ГАП по своим механическим (открытая пористость 48%, модуль упругости 94 ГПа) и медико-биологическим (биосовместимость с тканями организма человека) свойствам перспективна в качестве материала для эндопротезирования и может быть рекомендована для использования в трансплантологии [22].The obtained highly porous strong ceramics based on t-ZrO 2 / HAP in terms of their mechanical (open porosity 48%, modulus of elasticity 94 GPa) and medico-biological (biocompatibility with tissues of the human body) properties are promising as a material for endoprosthetics and can be recommended for use. in transplantology [22].

При создании новых материалов медицинского назначения для современной заместительной хирургии и эндопротезирования ключевым вопросом является разработка технологий получения высококачественных оксидных нанокомпозитов с заданными физико-химическими и механическими свойствами. Заявленное изобретение представляет собой технологию жидкофазного синтеза многокомпонентного биосовместимого керамического материала в системе ZrO2-Y2O3-Al2O3 для создания керамического имплантата для эндопротезирования.When creating new medical materials for modern substitution surgery and endoprosthetics, the key issue is the development of technologies for producing high-quality oxide nanocomposites with specified physicochemical and mechanical properties. The claimed invention is a technology for the liquid-phase synthesis of a multicomponent biocompatible ceramic material in the ZrO 2 -Y 2 O 3 -Al 2 O 3 system for creating a ceramic implant for endoprosthetics.

Подобрано соотношение оксидов и оптимальные условия получения нанокристаллического порошка на основе диоксида циркония и выявлены условия его консолидации. Подобраны комплексные порообразующие добавки для получения высокопористой керамики на основе диоксида циркония: карбонат аммония, гидроксид алюминия, гидроксиапатит кальция и их смесь в различном процентном соотношении. Такой выбор обусловлен тем, что карбонат аммония и гидроксид алюминия доступны, экологически чисты и не загрязняют конечный продукт, безопасны для организма человека, а гидроксиапатит кальция (ГАП) является неорганической составляющей костной ткани человека. Выбран оптимальный состав порообразующей добавки с содержанием 10 масс. % ГАП и 30 масс. % (NH4)2СО3. На основе исходных порошков состава [(ZrO2)0,97(Y2O3)0,03]0,8(Al2O3)0,2 с порообразующими добавками получена высокопористая прочная керамика с открытой пористостью 48%, модулем упругости 94 ГПа, перспективная для использования в качестве материала для эндопротезирования. Установлено, что, изменяя содержание разных компонентов комплексного порообразователя: (NH4)2CO3 и ГАП, можно в широких пределах варьировать пористость и прочность материала.The ratio of oxides and optimal conditions for obtaining a nanocrystalline powder based on zirconium dioxide were selected, and the conditions for its consolidation were identified. Selected complex pore-forming additives for the production of highly porous ceramics based on zirconium dioxide: ammonium carbonate, aluminum hydroxide, calcium hydroxyapatite and their mixture in various percentages. This choice is due to the fact that ammonium carbonate and aluminum hydroxide are available, environmentally friendly and do not pollute the final product, they are safe for the human body, and calcium hydroxyapatite (HAP) is an inorganic component of human bone tissue. The optimal composition of the pore-forming additive with a content of 10 wt. % HAP and 30 wt. % (NH 4 ) 2 CO 3 . Based on the initial powders of the composition [(ZrO 2 ) 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.03 ] 0.8 (Al 2 O 3 ) 0.2 with pore-forming additives, a highly porous strong ceramic with an open porosity of 48%, elastic modulus was obtained 94 GPa, promising for use as a material for endoprosthetics. It was found that by varying the content of different components of the complex pore-forming agent: (NH 4 ) 2 CO 3 and HAP, the porosity and strength of the material can be varied over a wide range.

Все вышеупомянутое свидетельствует о перспективности применения предложенной технологии синтеза нанопорошков состава [(ZrO2)0,97(Y2O3)0,03]0,8(Al2O3)0,2 и получения на их основе высокопористой, прочной керамики медицинского назначения для заместительной хирургии и трансплантологии.All of the above indicates that the proposed technology for the synthesis of nanopowders with the composition [(ZrO 2 ) 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.03 ] 0.8 (Al 2 O 3 ) 0.2 is promising and based on them, a highly porous, durable ceramics medical appointments for substitution surgery and transplantology.

Список использованной литературыList of used literature

1. Рутман Д.С., Торопов Ю.С., Плинер С.Ю. Высокоогнеупорные материалы из диоксида циркония. М.: Металлургия, 1985, 136 с.1. Rutman D.S., Toropov Yu.S., Pliner S.Yu. Highly refractory zirconia materials. M .: metallurgy, 1985, 136 p.

2. Шевченко А.В., Рубан А.К., Дудник Е.В. Высокотехнологичная керамика на основе диоксида циркония. // Огнеупоры и техническая керамика, 2000, №9, с. 2-8.2. Shevchenko A.V., Ruban A.K., Dudnik E.V. High-tech ceramic based on zirconium dioxide. // Refractories and technical ceramics, 2000, No. 9, p. 2-8.

3. Анциферов В.Н., Порозова С.Е., Кульметьева В.Б., Торсунов М.Ф. Фазовый состав нанодисперсных порошков диоксида циркония, стабилизированных оксидами иттрия и церия. // Огнеупоры и техническая керамика, 2012, №4-5, с. 17-21.3. Antsiferov V.N., Porozova S.E., Kulmetyeva VB, Torsunov M.F. Phase composition of nanodispersed zirconium dioxide powders stabilized with yttrium and cerium oxides. // Refractories and technical ceramics, 2012, No. 4-5, p. 17-21.

4. Рыбакова У.С., Ивасев С.С., Раводина Д.В. Технология создания биосовместимых покрытий на имплантаты // Решетневские чтения. 2016. №20. Т. 2. С. 341-342.4. Rybakova U.S., Ivasev S.S., Ravodina D.V. Technology of creating biocompatible coatings on implants // Reshetnevskie readings. 2016. No. 20. T. 2.S. 341-342.

5. Садовой М.А., Ларионов П.М., Самохин А.Г., Рожнова О.М. Клеточные матрицы (скаффолды) для целей регенерации кости: современное состояние проблемы // Хирургия позвоночника. 2014. №2. С. 79-86.5. Sadovoy M.A., Larionov P.M., Samokhin A.G., Rozhnova O.M. Cellular matrices (scaffolds) for the purpose of bone regeneration: current state of the problem // Spine surgery. 2014. No. 2. S. 79-86.

6. Михайлина Н.А., Подзорова Л.И., Румянцева М.Н., Шворнева Л.И., Овчинникова О.А., Анисимова С.В., Лебеденко И.Ю., Лебеденко А.И., Хван B.И. Керамика на основе тетрагонального диоксида циркония для реставрационной стоматологии. // Перспективные материалы, 2010, №3, с. 44-48.6. Mikhailina N.A., Podzorova L.I., Rumyantseva M.N., Shvorneva L.I., Ovchinnikova O.A., Anisimova S.V., Lebedenko I.Yu., Lebedenko A.I., Hwang B.I. Ceramics based on tetragonal zirconium dioxide for restorative dentistry. // Perspective materials, 2010, №3, p. 44-48.

7. Жуков И.А., Буякова С.П., Кульков С.Н., Третьяков Д.А. Пористая керамика ZrO2-Al2O3. // Изв. вузов. Физика, 2011, т. 54, №9/2, С. 120-124.7. Zhukov I.A., Buyakova S.P., Kulkov S.N., Tretyakov D.A. Porous ceramics ZrO 2 -Al 2 O 3 . // Izv. universities. Physics, 2011, v. 54, No. 9/2, pp. 120-124.

8. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. СПб: Изд-во «Элмор», 2007, 255 с.8. Maksimov A.I., Moshnikov V.A., Tairov Yu.M., Shilova O.A. Fundamentals of sol-gel nanocomposite technology. St. Petersburg: Publishing house "Elmore", 2007, 255 p.

9.

Figure 00000003
Santa Cruz,
Figure 00000004
Spino, Georg Grathwohl. Nanocrystalline ZrO2 ceramics with idealized macropores // Journal of the European Ceramic Society. 2008. Vol. 28. Iss. 9. Pp 1783-1791.9.
Figure 00000003
Santa Cruz,
Figure 00000004
Spino, Georg Grathwohl. Nanocrystalline ZrO2 ceramics with idealized macropores // Journal of the European Ceramic Society. 2008. Vol. 28. Iss. 9.Pp 1783-1791.

10. Буякова С.П., Хлусов И.А., Кульков С.Н. Пористая циркониевая керамика для эндопротезирования костной ткани. // Физическая мезомеханика, 2004, т. 7, ч. 2, с. 127-130.10. Buyakova S.P., Khlusov I.A., Kulkov S.N. Porous zirconium ceramics for bone endoprosthetics. // Physical Mesomechanics, 2004, vol. 7, part 2, p. 127-130.

11. Кульков С.Н., Буякова С.П., Смолин А.Ю., Роман Н.В., Кинеловский C.А. Перколяционные переходы в поровой структуре керамики и ее физико-механические свойства // Письма в ЖТФ, 2011, т. 37, вып. 8, с. 34-40.11. Kulkov S.N., Buyakova S.P., Smolin A.Yu., Roman N.V., Kinelovsky S.A. Percolation transitions in the pore structure of ceramics and its physical and mechanical properties // Pis'ma v ZhTF, 2011, vol. 37, no. 8, p. 34-40.

12. Кульков С.Н., Масловский В.И., Буякова С.П., Никитин Д.С. Негуковское поведение пористого диоксида циркония при активной деформации сжатием. // Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 3, с. 38-42.12. Kulkov S.N., Maslovsky V.I., Buyakova S.P., Nikitin D.S. Negukov behavior of porous zirconium dioxide under active compression deformation. // Journal of Technical Physics, 2002, volume 72, no. 3, p. 38-42.

13. Гузман И.Я. Некоторые принципы образования пористых керамических структур, свойств и применение // Стекло и керамика. 2003. №9. С28-31.13. Guzman I. Ya. Some principles of formation of porous ceramic structures, properties and applications // Glass and ceramics. 2003. No. 9. S28-31.

14. Гращенков Д.В., Балинова Ю.А., Тинякова Е.В. Керамические волокна оксида алюминия и материалы на их основе // Стекло и керамика. 2012. №4. С. 32-35.14. Grashchenkov D.V., Balinova Yu.A., Tinyakova E.V. Ceramic fibers of aluminum oxide and materials based on them // Glass and ceramics. 2012. No. 4. S. 32-35.

15. Путляев В.И. Современные биокерамические материалы // Соросовский образовательный журнал. 2004. Т. 8. №1. С. 44-50.15. Putlyaev V.I. Modern bioceramic materials // Soros educational journal. 2004. T. 8. No. 1. S. 44-50.

16. Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И., Пантелеенко А.Ф., Оковитый В.В., Кулак А.И., Уласевич С.А. Процесс получения композиционного порошка на основе гидроксиапатита и диоксида циркония для нанесения плазменных биокерамических покрытий // Наука и техника. 2013. №1. С. 31-38.16. Okovityy V.A., Panteleenko F.I., Panteleenko A.F., Okovityy V.V., Kulak A.I., Ulasevich S.A. The process of obtaining a composite powder based on hydroxyapatite and zirconium dioxide for the application of plasma bioceramic coatings // Science and Technology. 2013. No. 1. S. 31-38.

17. Крутько В.К., Кулак А.И., Мусская О.Н. Термические превращения в композитах на основе гидроксиапатита и диоксида циркония // Неорганические материалы. 2017. Т. 53. №4. С. 427-434.17. Krutko V.K., Kulak A.I., Musskaya O.N. Thermal transformations in composites based on hydroxyapatite and zirconium dioxide // Inorganic materials. 2017. T. 53. No. 4. S. 427-434.

18. H.W., Noh Y.J., Koh Y.H., Kim Н.Е., Kim H.M. Effect of CaF2 on densification and properties of hydroxyapatite-zirconia composites for biomedical applications // Biomaterials. 2002. Vol. 23. Pp. 4113-4121.18. H.W., Noh Y.J., Koh Y.H., Kim H.E., Kim H.M. Effect of CaF2 on densification and properties of hydroxyapatite-zirconia composites for biomedical applications // Biomaterials. 2002. Vol. 23. Pp. 4113-4121.

19. Koval'ko N.Yu., Dolgin A.S., Efimova L.N., Arsent'ev M.Yu., Shilova O.A. Liquid-phase Synthesis and Investigation of Powders Based on Zirconium Dioxide // Glass Physics and Chemistry. 2018. Vol. 44. No. 6. Pp. 611-616.19. Koval'ko N.Yu., Dolgin A.S., Efimova L.N., Arsent'ev M.Yu., Shilova O.A. Liquid-phase Synthesis and Investigation of Powders Based on Zirconium Dioxide // Glass Physics and Chemistry. 2018. Vol. 44. No. 6. Pp. 611-616.

20. Koval'ko N.Yu., Kalinina M.V., Maslennikova T.P., Morozova L.V., Myakin S.V., Khamova T.V., Arsent'ev M.Yu., Shilova O.A. Comparative Study of Powders Based on the ZrO2-Y2O3-CeO2 System Obtained by Various Liquid Phase Methods of Synthesis // Glass Physics and Chemistry, 2018. Vol. 44. No. 5. pp. 433-439. DOI: 10.1134/S1087659618050103.20. Koval'ko N.Yu., Kalinina M.V., Maslennikova T.P., Morozova L.V., Myakin S.V., Khamova T.V., Arsent'ev M.Yu., Shilova O.A. Comparative Study of Powders Based on the ZrO2-Y2O3-CeO2 System Obtained by Various Liquid Phase Methods of Synthesis // Glass Physics and Chemistry, 2018. Vol. 44. No. 5. pp. 433-439. DOI: 10.1134 / S1087659618050103.

21. Федоренко Н.Ю., Мякин С.В., Франк В.М., Долгий А.С, Христюк Н.А., Полякова И.Г., Калинина М.В., Шилова О.А. Влияние условий синтеза ксерогелей в системе ZrO2-Y2O3-CeO2 на свойства керамики на их основе // Физика и химия стекла. 2020. №2. С. 206-212.21. Fedorenko N.Yu., Myakin S.V., Frank V.M., Dolgiy A.S, Khristyuk N.A., Polyakova I.G., Kalinina M.V., Shilova O.A. Influence of the conditions for the synthesis of xerogels in the ZrO 2 -Y 2 O 3 -CeO 2 system on the properties of ceramics based on them // Glass Physics and Chemistry. 2020. No. 2. S. 206-212.

22. Ковалько Н.Ю., Калинина М.В., Суслов Д.Н., Галибин О.В., Юкина Г.Ю., Арсентьев М.Ю., Шилова О.А. Исследование влияния биокерамических образцов на основе t-ZrO2 на состояние мышечной и соединительной тканей экспериментальных животных при внутримышечном введении. // Перспективные материалы, 2019, №5, с. 41-49.22. Kovalko N.Yu., Kalinina MV, Suslov DN, Galibin OV, Yukina G.Yu., Arsentiev M.Yu., Shilova O.A. Investigation of the influence of bioceramic samples based on t-ZrO2 on the state of muscle and connective tissues of experimental animals after intramuscular injection. // Perspective materials, 2019, no. 5, p. 41-49.

Claims (1)

Способ получения биосовместимой пористой керамики на основе диоксида циркония для эндопротезирования включает несколько стадий: жидкофазный направленный синтез порошков-прекурсоров, введение порообразующих добавок, консолидация нанопорошков для получения итоговой керамики заданного химического состава, при этом жидкофазный направленный синтез порошков-прекурсоров в системе ZrO2-Y2O3-Al2O3 осуществляют путем выбора в качестве исходных реагентов солей ZrO(NO3)2⋅2H2O, Y(NO3)3⋅5H2O и Al(NO3)3⋅9H2O, из которых приготавливают разбавленные растворы и осуществляют двухэтапное осаждение гидроксидов из соответствующих солей водным раствором аммиака NH4OH до полного осаждения всех гидроксидов, смешения и получения осадка с высокой степенью гомогенности, затем гелеобразный осадок фильтруют и подвергают быстрому замораживанию при -25°С в течение 24 часов, после чего синтезированный порошок состава [ZrO2)0,97(Y2O3)0,03]0,8(Al2O3)0,2 высушивают и подвергают термообработке при 800°С, затем осуществляют введение порообразующих добавок, для чего с помощью механического смешения к синтезированному порошку добавляют оптимальную композицию порообразующей добавки с содержанием 10 мас.% гидроксиапатита кальция Ca10(PO4)6(OH)2 ГАП и 30 мас.% (NH4)2СО3, после чего для получения итоговой керамики заданного химического состава полученные смеси нанопорошков формуют в компакты методом холодного одноосного прессования при давлении 100 МПа и спекают на воздухе при 1300°С с изотермической выдержкой в 2 ч и скоростью нагрева - 350-400°/ч.The method of producing biocompatible porous ceramics based on zirconium dioxide for endoprosthetics includes several stages: liquid-phase directed synthesis of precursor powders, introduction of pore-forming additives, consolidation of nanopowders to obtain final ceramics of a given chemical composition, while liquid-phase directed synthesis of precursor powders in the ZrO 2 -Y system 2 O 3 -Al 2 O 3 is carried out by selecting the salts ZrO (NO 3 ) 2 ⋅2H 2 O, Y (NO 3 ) 3 ⋅5H 2 O and Al (NO 3 ) 3 ⋅9H 2 O as starting reagents, from which prepare dilute solutions and carry out a two-stage precipitation of hydroxides from the corresponding salts with an aqueous solution of ammonia NH 4 OH until all hydroxides are completely precipitated, mixing and obtaining a precipitate with a high degree of homogeneity, then the gel-like precipitate is filtered and subjected to rapid freezing at -25 ° C for 24 hours , after which the synthesized powder of the composition [ZrO 2 ) 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.03 ] 0.8 (Al 2 O 3 ) 0.2 is dried and subjected to heat treatment at 800 ° C, then the introduction of pore-forming additives is carried out, for which, using mechanical mixing, an optimal composition of a pore-forming additive is added to the synthesized powder containing 10 wt% calcium hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 HAP and 30 wt .% (NH 4 ) 2 CO 3 , after which, to obtain the final ceramics of a given chemical composition, the resulting mixtures of nanopowders are molded into compacts by cold uniaxial pressing at a pressure of 100 MPa and sintered in air at 1300 ° C with isothermal holding for 2 h and a heating rate - 350-400 ° / h.
RU2020122043A 2020-06-29 2020-06-29 Method of producing biocompatible porous zirconium dioxide ceramics for endoprosthesis replacement RU2741918C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020122043A RU2741918C1 (en) 2020-06-29 2020-06-29 Method of producing biocompatible porous zirconium dioxide ceramics for endoprosthesis replacement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020122043A RU2741918C1 (en) 2020-06-29 2020-06-29 Method of producing biocompatible porous zirconium dioxide ceramics for endoprosthesis replacement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2741918C1 true RU2741918C1 (en) 2021-01-29

Family

ID=74554507

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020122043A RU2741918C1 (en) 2020-06-29 2020-06-29 Method of producing biocompatible porous zirconium dioxide ceramics for endoprosthesis replacement

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2741918C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2771017C1 (en) * 2021-07-06 2022-04-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide
RU2793893C1 (en) * 2022-04-19 2023-04-07 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method for obtaining nanocrystalline powder based on zirconium dioxide

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015125167A1 (en) * 2014-02-21 2015-08-27 Politecnico Di Torino Process for producing zirconia-based multi-phasic ceramic composites
RU2585291C1 (en) * 2015-05-15 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) Method of producing porous ceramic material based on zirconium dioxide
US20170362129A1 (en) * 2016-06-20 2017-12-21 The Doshisha ZrO2-Al2O3-BASED CERAMIC SINTERED COMPACT AND PRODUCTION METHOD THEREOF
RU2665038C1 (en) * 2018-02-28 2018-08-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method for producing dispersed mesoporous powders based on aluminum oxide for catalyst carriers
JP2018524251A (en) * 2015-05-28 2018-08-30 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー Additive manufacturing method for making ceramic articles using sols containing nano-sized particles
RU2691207C1 (en) * 2017-12-26 2019-06-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Method of producing porous ceramic with bimodal porosity distribution

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015125167A1 (en) * 2014-02-21 2015-08-27 Politecnico Di Torino Process for producing zirconia-based multi-phasic ceramic composites
RU2585291C1 (en) * 2015-05-15 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) Method of producing porous ceramic material based on zirconium dioxide
JP2018524251A (en) * 2015-05-28 2018-08-30 スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー Additive manufacturing method for making ceramic articles using sols containing nano-sized particles
US20170362129A1 (en) * 2016-06-20 2017-12-21 The Doshisha ZrO2-Al2O3-BASED CERAMIC SINTERED COMPACT AND PRODUCTION METHOD THEREOF
RU2691207C1 (en) * 2017-12-26 2019-06-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Method of producing porous ceramic with bimodal porosity distribution
RU2665038C1 (en) * 2018-02-28 2018-08-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method for producing dispersed mesoporous powders based on aluminum oxide for catalyst carriers

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2771017C1 (en) * 2021-07-06 2022-04-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide
RU2793893C1 (en) * 2022-04-19 2023-04-07 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method for obtaining nanocrystalline powder based on zirconium dioxide
RU2826702C1 (en) * 2023-04-25 2024-09-16 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) Method of producing bioceramics using calcium compounds

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Palmero et al. Towards long lasting zirconia-based composites for dental implants. Part I: Innovative synthesis, microstructural characterization and in vitro stability
Ramesh et al. Consolidation of nanocrystalline hydroxyapatite powder
Lukić et al. Dense fine-grained biphasic calcium phosphate (BCP) bioceramics designed by two-step sintering
AU2004277375B2 (en) Tricalcium phosphates, their composites, implants incorporating them, and methods for their production
Krut’ko et al. Thermal transformations of composites based on hydroxyapatite and zirconia
JP6072967B1 (en) Method for producing sintered calcium phosphate particles
RU2476406C2 (en) Method of obtaining porous ceramic material
RU2741918C1 (en) Method of producing biocompatible porous zirconium dioxide ceramics for endoprosthesis replacement
Rempel et al. Microhardness and phase composition of TiO y/hydroxyapatite nanocomposites synthesized under low-temperature annealing conditions
Ganesan et al. Eggshell derived mesoporous biphasic calcium phosphate for biomedical applications using rapid thermal processing
Sarkar et al. Preparation of ex-situ mixed sintered biphasic calcium phosphate ceramics from its Co-precipitated precursors and their characterization
JP2015504406A (en) Composite material having nanostructure made of metal oxide, method for obtaining the composite material, and use of the composite material
Mahmud et al. Chemical characteristics of hydroxyapatite from oyster shell by thermo-chemical process
Tan et al. Synthesis of high fracture toughness of hydroxyapatite bioceramics
Ramesh et al. Sintering behavior of nanocrystalline hydroxyapatite produced by wet chemical method
ZHUkOv et al. Porous ceramics obtained with the use of aluminum hydroxide powder
Teh et al. Effect of calcination on the sintering behaviour of hydroxyapatite
WO2004011050A1 (en) Spherical nano-composite powder and a method of preparing the same
KR100501674B1 (en) Synthesis of Hydroxyapatite Composite Nanopowder Using Co-precipitation
Smirnov et al. Effect of titanium and zirconium substitutions for calcium on the formation and structure of tricalcium phosphate and hydroxyapatite
Yildiz et al. Synthesis and characterisation of nano powders for production of zirconia toughened alumina bioceramic implant materials
Sych et al. Morphology and properties of new porous biocomposites based on biogenic hydroxyapatite and synthetic calcium phosphates
KR100875197B1 (en) Calcium phosphate-based biological ceramics using a tooth and a method of manufacturing the same.
Ramesh et al. Effect of forsterite addition on the densification and properties of hydroxyapatite bioceramic
Elmehalawy et al. Preparation and Evaluation of the Physico-Mechanical Properties of the Magnesium Silicate/Hydroxyapatite Composites