RU2760096C1 - Способ получения низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования для применения в качестве имплантата при остеосинтезе - Google Patents
Способ получения низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования для применения в качестве имплантата при остеосинтезе Download PDFInfo
- Publication number
- RU2760096C1 RU2760096C1 RU2021101233A RU2021101233A RU2760096C1 RU 2760096 C1 RU2760096 C1 RU 2760096C1 RU 2021101233 A RU2021101233 A RU 2021101233A RU 2021101233 A RU2021101233 A RU 2021101233A RU 2760096 C1 RU2760096 C1 RU 2760096C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnesium
- hydroxyapatite
- composite material
- grinding
- powder
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/28—Bones
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
- A61K6/00—Preparations for dentistry
- A61K6/80—Preparations for artificial teeth, for filling teeth or for capping teeth
- A61K6/831—Preparations for artificial teeth, for filling teeth or for capping teeth comprising non-metallic elements or compounds thereof, e.g. carbon
- A61K6/838—Phosphorus compounds, e.g. apatite
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
- A61K6/00—Preparations for dentistry
- A61K6/80—Preparations for artificial teeth, for filling teeth or for capping teeth
- A61K6/84—Preparations for artificial teeth, for filling teeth or for capping teeth comprising metals or alloys
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/40—Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material
- A61L27/42—Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having an inorganic matrix
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
- A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
- A61P19/00—Drugs for skeletal disorders
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Plastic & Reconstructive Surgery (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Pharmacology & Pharmacy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии, и раскрывает способ получения биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния. Способ характеризуется тем, что включает смешение и помол исходных порошковых материалов, представляющих собой магний и гидроксиапатит, в атмосфере инертного газа в планетарной мельнице с последующим компактированием смеси электроимпульсным методом, при этом содержание фазы гидроксиапатита в порошковой смеси составляет 70-90 мас.%, а содержание фазы магния - 10-30 мас.%. Полученный композиционный материал на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния, характеризуется прочностью не менее 250 МПа при сжатии и открытой пористостью не менее 10% и может быть использован качестве материала биорезорбируемого имплантата в остеосинтезе после различных травм. 5 ил., 5 табл.
Description
Способ получения низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования. для применения в качестве имплантата при остеосинтезе.
Изобретение относится к области медицины, а именно для применения в качестве материала имплантата в остеосинтезе после различных травм. Актуальность замены современных имплантатов на биорезорбируемые играет важную роль для здоровья пациента. Уровень осложнений после использования металлических имплантатов создает потребность в новой технологии, главным преимуществом которой является исключение проведения повторной операции.
По многим соображениям сообщество травматологов и ортопедов всегда стремилось к такому стандарту остеосинтеза, при котором не пришлось бы проводить этапное лечение для удаления выполнившего свою функцию фиксатора. Впоследствии это привело к масштабной исследовательской работе в биоматериаловедении, сосредоточенной на поиске материала, который бы деградировал и постепенно утрачивал свою прочность пропорционально скорости заживления кости, тем самым улучшая результат хирургического лечения [Верещагин В.И. Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине: материалы III Международной научно-практической конференции // Тезисы докладов и сообщений научно-практической конференции 7-9 октября 2013 г. Томский политехнический университет.- Томск: Изд. Томского политехнического университета, 2013. - 219 с.].
Согласно стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, одним из главных приоритетным направлением в науке является переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения. В связи с этим, вопрос поиска биорезорбируемого материала имплантата для лечения переломов и травм различной степени, который исключит проведение повторной операции, а, следовательно, будет способствовать уменьшению реабилитационного периода пациента, является актуальным направлением в биоматериаловедении.
Магний проявляет биосовместимость с организмом человека, его механические свойства максимально близки к свойствам кости, что делает магний перспективным материалом для создания биорезорбируемых имплантатов, однако разложение имплантата в естественных условиях организма человека прогрессирует очень быстро [Song, Guangling. "Recent progress in corrosion and protection of magnesium alloys." Advanced Engineering Materials, 2005. - P. 563-58.]. Таким образом, с целью уменьшения скорости коррозии и увеличении времени деградации имплантата до полного восстановления костной ткани, в настоящее время обсуждаются различные подходы [Homayun, Bahman, and Abdollah Afshar. "Microstructure, mechanical properties, corrosion behavior and cytotoxicity of Mg-Zn-Al-Ca alloys as biodegradable materials." Journal of Alloys and Compounds, 2014. - P. 607.].
Значительные усилия были направлены на разработку керамических материалов на основе фосфатов кальция [Баринов С.М., Комлев B.C. Биокерамика на основе фосфатов кальция. - М.: Наука, 2005. - 204 с.]. Материалы на основе фосфатов кальция не вызывают отрицательных реакций организма, в отличие от ряда металлов и полимеров, и биологически активны в отношении образования костного апатита. Но известные керамические материалы имеют достаточно низкие механически характеристики, чтобы воспринимать во многих необходимых ситуациях физическую нагрузку с высокой степенью надежности [Кирилова И.А. Анатомо-функциональные свойства кости как основа создания костно-пластических материалов для травматологии и ортопедии (анатомо-экспериментальное исследование): Дис… д-ра мед. наук // Новосибирск. - 2011. - 258 с. - 2011.].
Авторы в работе [Kusnierczyk К., Basista М. Recent advances in research on magnesium alloys and magnesium-calcium phosphate composites as biodegradable implant materials // Journal of biomaterials applications. - 2017. - T. 31. - №.6. - P. 878-900] отмечают перспективность использования магниевых сплавов и композитов на их основе с добавлением фосфатов кальция (трикальцийфосфат (ТКФ), гидроксиапатит (ГА), тетракальциевый фосфат (ТеТКФ)) в качестве биодеградируемого материала имплантата для применения в ортопедии.
Из уровня техники известен способ получения композиционного материала магний-ГА при содержании ГА - 1,5 мас.%. методом обработки трением с перемешиванием [Ahmadkhaniha D. et al. Corrosion behavior of magnesium and magnesium-hydroxyapatite composite fabricated by friction stir processing in Dulbecco's phosphate buffered saline // Corrosion Science. - 2016. - T. 104. - P. 319-329.]. Авторы сосредоточились на изучении механизма коррозии магния и не приводят значения прочности и пористости полученных образцов композита. Данный метод получения приводит к неравномерному распределению компонентов в материале.
Из уровня техники известно, что в работе [Khanra А.К. et al. Microstructure and mechanical properties of Mg-HAP composites //Bulletin of Materials Science. - 2010. - T. 33. - №.1. - P. 43-47.] композиционный материал магний-ГА получали методом экструзии. Различное количество порошка ГА (0, 5, 10, 15 вес.%) добавляли в расплав магния при температуре 700°С и перемешивали, после смешивания производили гомогенизацию слитков при 400°С в течение 12 ч. Экструзию проводили при температуре 320°С. Максимальный предел прочности на растяжение составил 171 МПа для образцов, содержащих 5 вес.% ГА. С увеличением содержания ГА прочность снижается. Композиты, содержащие 15 вес.% ГА и 0 вес.% ГА показывают прочность на сжатие около 305 и 265 МПа соответственно. Данная технология является многоэтапной и энергозатратной.
Получить композиционный материал магний - ГА, сохранив исходные свойства гидроксиапатита - биоактивность, а магния - биорезорбируемость и близкие значения прочностных характеристик с естественной костной тканью [Современные методы остеосинтеза костей при острой травме опорно-двигательного аппарата: Учебное пособие / С.В. Сергеев, Н.В. Загородний, М.А. Абдулхабиров, О.Б. Гришанин, Н.И. Карпович, B.C. Папоян. - М.: РУДН, 2008 - 222 с.], позволяют методы порошковой металлургии.
В работе [Sunil В.R. et al. Processing and mechanical behavior of lamellar structured degradable magnesium-hydroxyapatite implants //Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. - 2014. - T. 40. - P. 178-189.] описана технология получения композита магний - ГА с помощью методов порошковой металлургии. На первом этапе проводили смешение и помол исходных порошковых компонентов с содержанием фазы ГА 8, 10 и 15 вес.% (ост. магний) в планетарной мельнице в течение 20 ч при скорости 200 об/мин в этиловом спирте. Далее полученную порошковую смесь спекали электроимпульсным методом компактирования на установке DR SINTER, SPS - 625, Japan при температуре 450°С, давлении 50 МПа и выдержке 10 мин. Авторы не приводят значения плотности, прочности и пористости, полученных композиционных образцов, возможно, технология смешения и помола исходных порошковых компонентов в этиловом спирте может приводить к образованию оксида магния, что является недостатком.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения композита магний - ГА электроимпульсным методом, описанный в работе [Nakahata I., Tsutsumi Y., Kobayashi E. Mechanical Properties and Corrosion Resistance of Magnesium-Hydroxyapatite Composites Fabricated by Spark Plasma Sintering // Metals. - 2020. - T. 10. - №.10. - P. 1314.]. На первом этапе производится смешение и помол исходных порошковых компонентов с содержанием фазы ГА - 8, 10 и 12 вес.% (ост. магний) в планетарной мельнице в атмосфере аргона в течение 10 мин при 500 об/мин, размер частиц порошка после помола составил 180 мкм. На втором этапе производилась подпрессовка образцов при 10 МПа в течение 1 мин и далее образцы спекались при температуре 500°С, давлении 50МПа, с выдержкой 10 мин на установке SPS-511S, Fuji-SPS, Saitama, Japan. Пористость полученных композиционных образцов составляла 2-8% и увеличивалась с повышением содержания ГА в композите. Максимальная прочность при сжатии составляла 150МПа для образцов содержащих 0 вес.% ГА и 200 МПа при содержании 10 вес.% ГА в композите, однако, при содержании 12 вес.% ГА прочность снижалась до 140 МПа. В качестве основной фазы данного композита выступает металлический магний, содержание которого превышает содержание ГА.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что с помощью метода электроимпульсного компактирования возможно получать композиционный материал на основе керамики - гидроксиапатита при низкой температуре спекания.
Исследование растворимости и способности формирования кальций - фосфатного слоя на поверхности композитного материала при выдержке в растворах, моделирующие внеклеточные жидкости организма, описано в работе [Jaiswal S. et al. Differential in vitro degradation and protein adhesion behaviour of spark plasma sintering fabricated magnesium-based temporary orthopaedic implant in serum and simulated body fluid // Biomedical Materials. - 2019. - T. 15. - №.1. - P. 015006]. Композит на основе магния с добавлением цинка в количестве 3 вес. % и ГА в количестве 0, 5, 15 вес.% был получен методом электроимпульсного спекания на установке Dr. Sinter, SPS625, Japan. Давление прессования составило 80 МПа, температурный режим состоял из нескольких стадий: выдержка в течение 5 мин при температуре 450°С, затем повышение температуры до 500°С и выдержка 5 мин. Исследование растворимости и способности образовывать кальций-фосфатный слой (КФС) полученных образцов проводили в жидкости SBF (Simulate Body Fluid) при температуре 37±1°С в течение 3, 7 и 14 дней. Исследование показало образование незначительного фосфатно - кальциевого слоя (ФКС) к 3-им суткам выдержки на поверхности композита, содержащего 15 вес.% ГА, однако, к 14-ым суткам, происходит исчезновение КФС с образованием слоя хлорида магния MgCl2. Максимальное растворение образцов композита происходит на первые сутки выдержки в растворе и уменьшается с увеличением содержания ГА.
Таким образом, задачей изобретения является создание эффективного и сравнительно простого в осуществлении способа получения низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования.
Технический результат способа заключается в использовании электроимпульсного метода компактирования при низкой температуре и коротком времени спекания низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала магний-ГА, что приводит к повышению механической прочности и сохранению пористой структуры.
Указанный технический результат достигают способом электроимпульсного метода компактирования низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала магний-ГА при следующих соотношениях и характеристиках компонентов в материале, гидроксиапатит 70-90 мас.%:, размер частиц - 80 мкм, плотность порошка - 3,472 г/см3, удельная поверхность порошка - 20,9±1 м2/гр, магний 10-30 мас.%, размер частиц 100 мкм, плотность порошка - 1,729 г/см3. Производится смешение и помол исходных компонентов в планетарной мельнице в атмосфере инертного газа при следующих технологических параметрах: время помола - 10-15 мин, скорость помола - 300 об/мин, размер частиц порошковой смеси после помола составляет 8 мкм, удельная поверхность -49,0±1 м2/гр. Производится электроимпульсное компактирование порошковой смеси на установке LABOX-152VHD при температуре спекания 400-600°С в высоком вакууме, давлении 20-30 МПа, скоростью нагрева - 10-15°С/мин, времени выдержки - 10-60 мин, скоростью охлаждения -10-15°С/мин. Согласно изобретению, полученный композиционный материал магний-ГА при низкой температуре спекания, характеризуется прочностью при сжатии не менее 250 МПа, открытой пористостью не более 19% и способностью образовывать кальций-фосфатный слой на поверхности при выдерживании в растворах, моделирующие внеклеточные жидкости организма.
Пример 1
Методом электроимпульсного компактирования был получен образец композиционного материала с содержанием 70 мас.% ГА, размер частиц - 80 мкм, плотность порошка - 3,472 г/см3, удельная поверхность порошка - 20,9± м2/гр, и 30 мас.% магния, размер частиц 100 мкм, плотность порошка - 1,729 г/см3. Производится смешение и помол исходных компонентов в планетарной мельнице в атмосфере инертного газа при следующих технологических параметрах: время помола - 10-15 мин, скорость помола - 300 об/мин, размер частиц порошковой смеси после помола составляет 8 мкм, удельная поверхность - 49,0±1 м2/гр. Производится электроимпульсное компактирование порошковой смеси при температуре спекания 300°С в высоком вакууме, давлении 20 МПа, скоростью нагрева - 10°С/мин, времени выдержки - 10 мин, скоростью охлаждения -10°С/мин. При данных технологических параметрах компактирования спекание композиционного материала не произошло.
Пример 2
Методом электроимпульсного компактирования был получен образец композиционного материала с содержанием 70 мас.% ГА, размер частиц - 80 мкм, плотность порошка - 3,472 г/см3, удельная поверхность порошка - 20,9±1 м2/гр, и 30 мас.% магния, размер частиц 100 мкм, плотность порошка - 1,729 г/см3. Производится смешение и помол исходных компонентов в планетарной мельнице в атмосфере инертного газа при следующих технологических параметрах: время помола - 10-15 мин, скорость помола - 300 об/мин, размер частиц порошковой смеси после помола составляет 8 мкм, удельная поверхность - 49,0±1 м2/гр. Производится электроимпульсное компактирование порошковой смеси при температуре спекания 500°С в высоком вакууме, давлении 20 МПа, скоростью нагрева - 10°С/мин, времени выдержки - 10 мин, скоростью охлаждения - 10°С/мин. После охлаждения были проведены механические испытания при сжатии и измерение пикнометрической плотности образца. Полученный низкотемпературный биорезорбируемый композиционный материал характеризуется прочностью при сжатии 286±7 МПа, плотностью 2,1 г/см3 и открытой пористостью 13,5%.
Сущность изобретения заключается в подавлении роста зерен и сохранении композиционной структуры за счет использования электроимпульсного метода компактирования, что приводит к повышению механической прочности. При этом, одновременно, происходит улучшении биорезорбируемости композиционного материала магний-ГА за счет сохранения открытой пористости.
Были изготовлены образцы низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала магний-ГА, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты технологических параметров электроимпульсного метода компактирования и технических характеристик спеченных образцов композиционного материала магний-ГА представлены в таблице 1.
Механические исследования
Для исследования механических свойств и пористости композитного материала магний - ГА, согласно настоящему изобретению, были получены образцы при содержании 70 мас.% ГА и 30 мас.% магния цилиндрической формы методом электроимпульсного компактирования на установке LABOX-152VHD при различной температуре спекании. После охлаждения образцов до комнатной температуры проводилось измерение пиконометрический плотности и расчет открытой пористости на оборудовании AccuPyc II 1340, в качестве рабочего газа использовался гелий, его поведение наиболее близко к поведению идеального газа, а его адсорбируемость при нормальных условиях пренебрежимо мала. Значения плотности, получаемые экспериментальным путем - является эффективная плотность ρэ, которая для большинства пористых тел может быть принята с малой долей ошибки за истинную плотность материала:
где Vэ - эффектный объем твердого тела, m - измеренная масса образца.
В таблице 2 приведены значения эффективной плотности образцов после компактирования электроимпульсным методом и расчет открытой пористости.
Механические исследования при сжатии проводили согласно ASTM D695-91 на оборудовании Instron 5581 при одноосном сжатии со скоростью нагружения 1 мм /мин (погрешность измерения скорости 0,2%, погрешность измерения нагрузки 0,5%), окончательные статистические расчеты проводились для 5 образцов.
Значение прочности образцов композита магний - ГА при сжатии после электроимпульсного метода компактирования при различных температурах спекания приведены в таблице 3, и демонстрируют, что максимальный предел прочности композита магний - ГА составляет 286±7 МПа, оптимальная температура спекания составила 500°С, открытая пористость составляет 13-14%. При температурном режиме в 400°С сохраняется прочность керамических материалов 74±3 МПа, что говорит об отсутствии формирования композиционной структуры при данной температуре спекания.
Данные, приведенные в таблицах 2-3, указывают на то, что в контексте технологии получения композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного магнием, первым и значительным положительным эффектом является низкая температура спекания - 500°С, а применение электроимпульсного метода компактирования позволяет подавить процесс роста зерен с сохранением композиционной структуры материала за счет уменьшения времени спекания до 40 мин. После спекания электроимпульным методом в материале наблюдается заданная структура дисперсно-упрочненного композита. На рисунке 1 представлено электронное изображение в обратно-рассеянных электронах микроструктуры композита Магний-ГА, полученного электроимпульсным методом при температуре 500°С: а) увеличение × 100, б) увеличение × 500), частицы магния представляют собой вытянутые и округлые зерна размером от 50 и до 70 мкм, равномерно расположенные в пористой керамической матрице, межфазная граница четко прослеживается.
Согласно результатам проведенного микрорентгеноспектрального анализа (МРСА), на рисунке 2 представлено распределение химических элементов на участке композита Магний-ГА, полученного электроимпульсным методом компактирования при температуре 500°С. Можно видеть, что данный материал представлен двумя основными фазами-магний и ГА. Крупные зерна представляют собой магний, равномерно расположенные в матрице, состоящей из таких элементов, как фосфор, кальций, кислород:
Исследование формирования кальций-фосфатного слоя на поверхности композитного материала при выдержке в растворах, моделирующие внеклеточные жидкости организма
Для изучения биологических свойств композитного материала, согласно настоящему изобретению, и для сравнения его с аналогами, было проведено исследование растворимости и формирования КФС на поверхности композитного материала при выдержке в физиологическом растворе NaCl и растворе, моделирующего внеклеточные жидкости организма SBF согласно стандарту ГОСТ ISO 10993-9-2015. В таблице 4 представлено сравнение концентраций ионов (ммоль/л) в SBF-растворе и плазме крови человека.
Для исследований способности формировать КФС на поверхности образцов композита магний-ГА в модельном растворе SBF, были получены образцы композиционного материала с содержанием 70 мас.% ГА и 30 мас.% магния, в виде таблеток диаметром 10 мм (S=220 мм2) методом электроимпульсного компактирования при температуре 500°С. Таблетки выдерживались в SBF - растворе и NaCl - растворе при 37°С в течение 28 суток. Производился отбор жидкости в 1-е, 3-е, 7-е, 14-е и 28-е сутки. Линейное распределение элементов на поверхности исходных таблеток и после 28 дней выдерживания их в SBF - растворе были оценены с помощью МРСА. Морфологию поверхности таблеток со сформированным КФС исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии, по наличию КФС оценивали результаты биомиметических исследований. На рисунке 3 показана микроструктура образца композита магний-ГА перед выдерживанием в SBF растворе при увеличении × 100. На рисунке 4 показана микроструктура поверхности образца композита магний-ГА после выдерживания в SBF растворе в течение 30 суток при разных увеличениях.
На поверхности образца композита магний-ГА после выдержки в SBF, наблюдается сферическая структура осажденных частиц, которая свидетельствует о формировании биомиметического слоя - происходит перекристаллизация ГА на поверхность материала, что является показателем биосовмесимости in vitro. По составу сформированный КФС представляет собой нестехиометрический осажденный ГА (кальций - дефицитный) с формулой Са10-х(HPO4)х(PO4)6-х(ОН)2-х. Пористая структура частиц обусловлена специфическим процессом их роста, а именно пористой развитой поверхностью композита, на которой происходит адсорбция молекул и формирование фосфатного слоя. Формирование КФС на подложках (рисунок 4) происходит уже через 3 суток выдерживания их в SBF. К 28 суткам наличие КФС становится явным, размер зерен фосфатов кальция на поверхностном слое ново-сформированного КФС составляет 1-2 мкм. Участок образца композита магний-ГА после выдерживания в растворе SBF представлен на рисунке 5. Содержание химических элементов на данном участке композита магний-ГА по двум спектрам приведены в таблице 5
По данным двух спектров можно оценить соотношение кальция к фосфору, видно, что соотношение близко к стехиометрическому и равно Са/Р=1,65-1,66, это является доказательством перекристаллизации гидроксиапатита на поверхность композита. Также на поверхности наблюдается присутствие ионов Na, Cl и Mg, можно говорить о формировании кристаллитов NaCl и оксида магия MgO.
Claims (1)
- Способ получения биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования для имплантата, используемого при остеосинтезе, включающий смешение и помол исходных порошковых материалов, представляющих собой магний и гидроксиапатит, в атмосфере инертного газа в планетарной мельнице с последующим компактированием смеси электроимпульсным методом, отличающийся тем, что содержание фазы гидроксиапатита в порошковой смеси составляет 70-90 мас.%, а содержание фазы магния - 10-30 мас.%, при этом исходный размер частиц гидроксиаппатита - 80 мкм, исходная плотность порошка гидроксиаппатита - 3,472 г/см3, и исходный размер частиц магния 100 мкм, исходная плотность порошка магния - 1,729 г/см3; помол порошковой смеси проводится 10-15 мин, скорость помола составляет 300 об/мин, размер частиц порошковой смеси после помола составляет 8 мкм, удельная поверхность частиц порошковой смеси после помола составляет 49,0 м2/гр, электроимпульсное компактирование порошковой смеси производится в вакууме при температуре - 400-600°С, времени 30-40 мин, при давлении 20 МПа, со скоростью нагрева - 10°С/мин, полученный композиционный материал на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния, характеризуется прочностью не менее 250 МПа при сжатии и открытой пористостью не менее 10%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021101233A RU2760096C1 (ru) | 2021-01-21 | 2021-01-21 | Способ получения низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования для применения в качестве имплантата при остеосинтезе |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021101233A RU2760096C1 (ru) | 2021-01-21 | 2021-01-21 | Способ получения низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования для применения в качестве имплантата при остеосинтезе |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2760096C1 true RU2760096C1 (ru) | 2021-11-22 |
Family
ID=78719366
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021101233A RU2760096C1 (ru) | 2021-01-21 | 2021-01-21 | Способ получения низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования для применения в качестве имплантата при остеосинтезе |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2760096C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2227011C2 (ru) * | 1998-10-02 | 2004-04-20 | Докса Актиеболаг | Биологически активный композиционный материал и способ его получения |
CN101099873A (zh) * | 2006-07-03 | 2008-01-09 | 佳木斯大学 | 多孔镁/羟基磷灰石生产工艺方法 |
CN103599561B (zh) * | 2013-11-07 | 2015-08-19 | 同济大学 | 一种镁合金/羟基磷灰石复合材料的制备方法 |
-
2021
- 2021-01-21 RU RU2021101233A patent/RU2760096C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2227011C2 (ru) * | 1998-10-02 | 2004-04-20 | Докса Актиеболаг | Биологически активный композиционный материал и способ его получения |
CN101099873A (zh) * | 2006-07-03 | 2008-01-09 | 佳木斯大学 | 多孔镁/羟基磷灰石生产工艺方法 |
CN103599561B (zh) * | 2013-11-07 | 2015-08-19 | 同济大学 | 一种镁合金/羟基磷灰石复合材料的制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
NAKAHATA I. et al. Mechanical Properties and Corrosion Resistance of Magnesium-Hydroxyapatite Composites Fabricated by Spark Plasma Sintering // Metals. 2020, N10, p.1314. * |
RATNA SUNIL, B. et al. Processing and mechanical behavior of lamellar structured degradable magnesium-hydroxyapatite implants. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 40, 2014, 178-189. doi:10.1016/j.jmbbm.2014.08.016. * |
RATNA SUNIL, B. et al. Processing and mechanical behavior of lamellar structured degradable magnesium-hydroxyapatite implants. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 40, 2014, 178-189. doi:10.1016/j.jmbbm.2014.08.016. NAKAHATA I. et al. Mechanical Properties and Corrosion Resistance of Magnesium-Hydroxyapatite Composites Fabricated by Spark Plasma Sintering // Metals. 2020, N10, p.1314. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Uppal et al. | Magnesium based implants for functional bone tissue regeneration–A review | |
Sahmani et al. | Influence of MgO nanoparticles on the mechanical properties of coated hydroxyapatite nanocomposite scaffolds produced via space holder technique: fabrication, characterization and simulation | |
Yin et al. | In vitro degradation behavior and cytocompatibility of ZK30/bioactive glass composites fabricated by selective laser melting for biomedical applications | |
Prakash et al. | Synthesis and characterization of Mg-Zn-Mn-HA composite by spark plasma sintering process for orthopedic applications | |
Parai et al. | Engineered bio-nanocomposite magnesium scaffold for bone tissue regeneration | |
Maya et al. | Zr–Ti–Nb porous alloys for biomedical application | |
CN102580143A (zh) | 医用可降解吸收Mg-Sr系镁合金植入体及其制备方法 | |
Pattanayak et al. | Calcium phosphate bioceramics and bioceramic composites | |
CN102552973A (zh) | 医用可降解吸收Mg-Sr-Ca系镁合金植入体及其制备方法 | |
Topuz et al. | Titanium-based composite scaffolds reinforced with hydroxyapatite-zirconia: Production, mechanical and in-vitro characterization | |
Kucko et al. | Calcium phosphate bioceramics and cements | |
Moradi et al. | Magnesium/nano-hydroxyapatite porous biodegradable composite for biomedical applications | |
Vasconcellos et al. | Calcium phosphate cement scaffolds with PLGA fibers | |
O’Hara et al. | Optimisation of the mechanical and handling properties of an injectable calcium phosphate cement | |
Su et al. | Corrosion-wear behavior of a biocompatible magnesium matrix composite in simulated body fluid | |
Tipan et al. | Selection and preparation strategies of Mg-alloys and other biodegradable materials for orthopaedic applications: A review | |
Sobczak-Kupiec et al. | Physicochemical and biological properties of hydrogel/gelatin/hydroxyapatite PAA/G/HAp/AgNPs composites modified with silver nanoparticles | |
Karamian et al. | Correlation between crystallographic parameters and biodegradation rate of natural hydroxyapatite in physiological solutions | |
Dubey et al. | Synthesis and evaluation of magnesium/co-precipitated hydroxyapatite based composite for biomedical application | |
Singh et al. | Fabrication of biodegradable low elastic porous Mg-Zn-Mn-HA alloy by spark plasma sintering for orthopaedic applications | |
Farrahnoor et al. | Effects of hydroxyapatite addition on the bioactivity of Ti-Nb alloy matrix composite fabricated via powder metallurgy process | |
Chu et al. | In vivo study on biocompatibility and bonding strength of Ti/Ti–20 vol.% HA/Ti–40 vol.% HA functionally graded biomaterial with bone tissues in the rabbit | |
Bütev et al. | Characterization of Ti6Al7Nb alloy foams surface treated in aqueous NaOH and CaCl2 solutions | |
RU2760096C1 (ru) | Способ получения низкотемпературного биорезорбируемого композиционного материала на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния с помощью электроимпульсного метода компактирования для применения в качестве имплантата при остеосинтезе | |
Thian et al. | Processing of HA-coated Ti–6Al–4V by a ceramic slurry approach: an in vitro study |