RU2771017C1 - Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide - Google Patents

Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide Download PDF

Info

Publication number
RU2771017C1
RU2771017C1 RU2021119671A RU2021119671A RU2771017C1 RU 2771017 C1 RU2771017 C1 RU 2771017C1 RU 2021119671 A RU2021119671 A RU 2021119671A RU 2021119671 A RU2021119671 A RU 2021119671A RU 2771017 C1 RU2771017 C1 RU 2771017C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cooled
oleate
temperature
mixture
room temperature
Prior art date
Application number
RU2021119671A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Азарьевич Медков
Дина Николаевна Грищенко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО 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 Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН)
Priority to RU2021119671A priority Critical patent/RU2771017C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2771017C1 publication Critical patent/RU2771017C1/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS 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
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02Inorganic materials
    • A61L27/10Ceramics or glasses
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS 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
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02Inorganic materials
    • A61L27/12Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS 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
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • 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
    • C04B35/481Shaped 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 containing silicon, e.g. zircon
    • 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
    • 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
    • C04B35/64Burning or sintering processes

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention can be used in traumatology, orthopedics, regenerative medicine, dentistry and maxillofacial surgery to restore the functional integrity of bone tissue. A method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide includes heat treatment of a mixture containing zirconium and glass components. A solution in organic solvents containing sodium oleate, tetraethoxysilane, calcium oleate, tributyl phosphate and zirconyl oleate is used as a mixture. Solvents are distilled from the initial mixture, then the precursor is pyrolyzed at 1300°C for 30 minutes. The resulting product is cooled to room temperature, crushed, pressed, calcined in a muffle furnace up to 1300°C and cooled in two stages: first in a separate annealing chamber at 550°C with an exposure for an hour, and then when cooled to room temperature in a switched-off annealing chamber.
EFFECT: invention makes it possible to increase the density and strength of bioactive ceramics based on zirconium dioxide.
1 cl, 4 ex

Description

Изобретение относится к способам получения биоактивной керамики, которая используется в медицине, в частности к травматологии, ортопедии, регенеративной медицине, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии для восстановления функциональной целостности костной ткани.The invention relates to methods for producing bioactive ceramics, which is used in medicine, in particular in traumatology, orthopedics, regenerative medicine, dentistry and maxillofacial surgery to restore the functional integrity of bone tissue.

Одним из перспективных материалов для изготовления пористых конструкций для эндопротезирования костной ткани является диоксид циркония, характеризующийся высокой прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к химически активным средам, отсутствием обменных реакций со структурами организма. Главным недостатком материалов из диоксида циркония является их биоинертность. Для решения данной проблемы используют такие способы как нанесение биоактивных слоев на поверхность материала, либо получение композиционной керамики с биоактивной фазой. В качестве такой фазы могут выступать кальций-фосфатные соединения. Материалы на основе фосфатов кальция имеют отличную биосовместимость, но при этом не обладают достаточной прочностью и не могут быть использованы самостоятельно в качестве заменителей костной ткани. One of the promising materials for the manufacture of porous structures for bone arthroplasty is zirconium dioxide, which is characterized by high strength, corrosion resistance, resistance to chemically active media, and the absence of exchange reactions with body structures. The main disadvantage of zirconia materials is their bioinertness. To solve this problem, such methods are used as applying bioactive layers to the surface of the material, or obtaining composite ceramics with a bioactive phase. Calcium phosphate compounds can serve as such a phase. Calcium phosphate-based materials have excellent biocompatibility, but they do not have sufficient strength and cannot be used independently as bone tissue substitutes.

Известен способ получения пористого стеклокристаллического материала, который может быть использован для изготовления имплантатов [RU №2462272, опубл. 27.09.2012]. Указанный способ включает изготовление полусухой массы, содержащей порошок кальцийфосфатного стекла и 1-10% раствор полимера, выбранного из поливинилового спирта, желатина, метилцеллюлозы или карбоксиметилцеллюлозы, которую затем формуют в бумажных формах прессованием, сушат, обжигают с выдержкой 0,5-1,5 часа при 900-1000°С. В полусухую массу также вводят стержни-порообразователи в количестве 3-30 мас. %, представляющие собой капрон, нейлон, лавсан или графит, и крахмал в количестве 1-10 мас. %. Кальцийфосфатное стекло имеет следующий состав 40-55 мол. % СаО, 4-10 мол. % Al2O3, 1-5 мол. % B2O3, 1-10 мол. % TiO2, 1-10 мол. % ZrO2 и P2O5 остальное. Способ обеспечивает получение биоактивных стеклокристаллических материалов для имплантации с канальной и межканальной поровой структурой.A known method of obtaining a porous glass-ceramic material that can be used for the manufacture of implants [RU No. 2462272, publ. 09/27/2012]. This method includes the production of a semi-dry mass containing calcium phosphate glass powder and a 1-10% solution of a polymer selected from polyvinyl alcohol, gelatin, methylcellulose or carboxymethylcellulose, which is then molded in paper molds by pressing, dried, fired with an exposure of 0.5-1.5 hours at 900-1000°C. Pore-forming rods are also introduced into the semi-dry mass in the amount of 3-30 wt. %, representing nylon, lavsan or graphite, and starch in the amount of 1-10 wt. %. Calcium phosphate glass has the following composition 40-55 mol. % CaO, 4-10 mol. % Al 2 O 3 , 1-5 mol. % B 2 O 3 , 1-10 mol. % TiO 2 , 1-10 mol. % ZrO 2 and P 2 O 5 the rest. The method provides for the production of bioactive glass-ceramic materials for implantation with a channel and inter-channel pore structure.

Недостатком известного способа является низкая прочность образцов на сжатие, равная 3-50 МПа.The disadvantage of this method is the low compressive strength of the samples, equal to 3-50 MPa.

В [Narulkar V.V. et al. «Characteristics of porous zirconia coated with hydroxyapatite as human bones» // Bull. Mat. Sci., 2007, V.30, №4, pp. 309-314] предложено использование пористой керамической матрицы для решения проблемы хрупкости имплантатов. Пористую матрицу готовили заливкой гранул пенополистирола суспензией диоксида циркония, стабилизированного иттрием или суспензией диоксида циркония и Al2O3 в полиметилметакрилате. Далее следовала сушка образца и механическое выбивание гранул пенополистирола из матрицы, после чего матрицу прокаливали при 1500°C в течение 2 часов. Порошки гидроксиапатита и боросиликатного стекла тщательно измельчали, диспергировали. После этого смесь переводили в суспензию, в которую погружали пористую керамическую матрицу с цирконием и обжигали при 1200°C. Пористые структуры без покрытия имели высокую пористость 51-69%, высокую степень взаимосвязанности пор и достаточно большие размеры порового окна (300-500 мкм). Средняя толщина биоактивного слоя покрытия составила 50 мкм. Пористая керамика имела прочность на сжатие 3-36,8 МПа, что сопоставимо с механическими свойствами губчатых костей.In [Narulkar VV et al. "Characteristics of porous zirconia coated with hydroxyapatite as human bones" // Bull. Mat. Sci., 2007, v.30, no. 4, pp. 309-314] proposed the use of a porous ceramic matrix to solve the problem of implant fragility. A porous matrix was prepared by pouring expanded polystyrene granules with a suspension of yttrium-stabilized zirconium dioxide or a suspension of zirconium dioxide and Al 2 O 3 in polymethyl methacrylate. This was followed by drying of the sample and mechanical knocking out of expanded polystyrene granules from the matrix, after which the matrix was calcined at 1500°C for 2 hours. Powders of hydroxyapatite and borosilicate glass were thoroughly crushed and dispersed. After that, the mixture was transferred into a suspension, into which a porous ceramic matrix with zirconium was immersed and fired at 1200°C. Uncoated porous structures had a high porosity of 51-69%, a high degree of pore interconnection, and rather large pore window sizes (300-500 µm). The average thickness of the bioactive coating layer was 50 μm. The porous ceramics had a compressive strength of 3–36.8 MPa, which is comparable to the mechanical properties of spongy bones.

Недостатками указанного способа являются, прежде всего, длительность процесса, использование дополнительного оборудования, а также ручной выемки гранул пенополистирола из матицы, что может оказать влияние на воспроизводимость свойств материала.The disadvantages of this method are, first of all, the duration of the process, the use of additional equipment, as well as manual extraction of expanded polystyrene granules from the matrix, which can affect the reproducibility of the properties of the material.

Известен способ получения пористой биоактивной керамики на основе оксида циркония [RU №2595703, опубл. 27.08.2016], который предусматривает следующие операции: диоксид циркония смешивают с химически стойким стеклом марки ХС-2 №29 и оксидом магния, используемый в качестве стабилизирующего компонента, препятствующего переходу диоксида циркония из тетрагональной структуры в моноклинную при нагревании. Затем добавляют смесь аммония фосфорнокислого 2-х замещенного (NH4)2HPO4 и кальция углекислого CaCO3. При этом исходная смесь содержит 72-73 масс. % ZrO2, 4-5 мас. % MgO, 6-8 масс. % (NH4)2HPO4, 7-9 масс. % CaCO3 и 8-8,5 масс. % стекло марки ХС-2 №29. Смесь истирают, после чего 90% частиц имеют размер менее 50 мкм, далее прессуют в пресс-форме под давлением 100 МПа/см2 и прокаливают в муфельной печи при температуре 1300°С. В результате получают пористую биоактивную керамику на основе диоксида циркония, в которой поры выстланы изнутри биоактивным слоем (частицами фосфатов кальция) с прочностью на сжатие не ниже 100 МПа. A known method of obtaining porous bioactive ceramics based on zirconium oxide [RU No. 2595703, publ. 08/27/2016], which provides for the following operations: zirconium dioxide is mixed with chemically resistant glass grade XC-2 No. 29 and magnesium oxide, which is used as a stabilizing component that prevents the transition of zirconium dioxide from a tetragonal structure to a monoclinic one when heated. Then add a mixture of ammonium phosphate 2-substituted (NH 4 ) 2 HPO 4 and calcium carbonate CaCO 3 . The initial mixture contains 72-73 wt. % ZrO 2 , 4-5 wt. % MgO, 6-8 wt. % (NH 4 ) 2 HPO 4 , 7-9 wt. % CaCO 3 and 8-8.5 wt. % glass grade XC-2 No. 29. The mixture is triturated, after which 90% of the particles have a size of less than 50 μm, then pressed in a mold under a pressure of 100 MPa/cm 2 and calcined in a muffle furnace at a temperature of 1300°C. As a result, a porous bioactive ceramic based on zirconium dioxide is obtained, in which the pores are lined from the inside with a bioactive layer (particles of calcium phosphates) with a compressive strength of at least 100 MPa.

К недостатку способа относится использование смеси (NH4)2HPO4, и CaCO3, которая является одновременно и порообразователем и биоактивным компонентом. В результате использования такой смеси образующиеся биоактивные фосфаты кальция преимущественно заперты внутри закрытых пор, что затрудняет процесс их биодеградации, в результате которого должны высвобождаться ионы, образующие химическую связь между керамикой и компонентами костной ткани. В то же время поверхностный слой такой керамики, который непосредственно должен взаимодействовать с костной тканью состоит из частиц оксида циркония внутри химически стойкого стекла, то есть является биоинертным. Таким образом, керамика, полученная этим способом, обладает низкой биологической активностью необходимой для остеоинтеграции.The disadvantage of this method is the use of a mixture of (NH 4 ) 2 HPO 4 and CaCO 3 , which is both a blowing agent and a bioactive component. As a result of using such a mixture, the resulting bioactive calcium phosphates are predominantly locked inside closed pores, which hinders the process of their biodegradation, as a result of which ions should be released that form a chemical bond between ceramics and bone tissue components. At the same time, the surface layer of such ceramics, which should directly interact with bone tissue, consists of zirconium oxide particles inside chemically resistant glass, that is, it is bioinert. Thus, the ceramic obtained by this method has a low biological activity necessary for osseointegration.

В качестве прототипа выбран способ синтеза биоактивной керамики, содержащей биостекло 45S5, диоксид циркония и гидроксиапатит [Prasad S. et al. «Preparation, in-vitro bioactivity and mechanical properties of reinforced 45S5 bioglass composite with HA-ZrO2 powders» // Orient. J. Chem., 2017, V. 33, № 3, pp. 1286-1296]. Биостекло 45S5 состава, масс. %: 45 SiO2, 24,5 Na2O, 24,5 CaO, 6 P2O5, готовили с использованием кварца, карбоната кальция, карбоната натрия и дигидроортофосфата аммония, которые вначале плавили при 1400-1410 °C, а потом отжигали в печи при 500-550 °C. Гидроксиапатит (ГА) получали методом золь-геля, для чего водный раствор H3PO4, рН которого с помощью NН3 довели до 10, смешивали с водным раствором Ca(NO3)2·4H2O, смесь перемешивали в течение одного часа, далее выдерживали в течении 24 часов, полученный гель сушили при 65 ºС 24 часа и прокаливали. Биостекло (45S5), порошок гидроксиапатита и ZrO2 при следующем соотношении компонентов, масс.%: 85-40 45S5, 10-40 ГА, 5-20 ZrO2, измельчали и перемешивали с помощью шаровой мельницы около 4 часов. Образцы помещали и спекали в печи при 1000, 1100 и 1200 °C в течение 5 часов, скорость нагрева и охлаждения составляла 5 °C/мин. При помощи одноосного давления 100 МПа формировали прямоугольные образцы в форме стержня.As a prototype, the selected method for the synthesis of bioactive ceramics containing bioglass 45S5, zirconium dioxide and hydroxyapatite [Prasad S. et al. "Preparation, in-vitro bioactivity and mechanical properties of reinforced 45S5 bioglass composite with HA-ZrO 2 powders" // Orient. J. Chem., 2017, V. 33, No. 3, pp. 1286-1296]. Bioglass 45S5 composition, wt. %: 45 SiO 2 , 24.5 Na 2 O, 24.5 CaO, 6 P 2 O 5 , prepared using quartz, calcium carbonate, sodium carbonate and ammonium dihydroorthophosphate, which were first melted at 1400-1410 ° C, and then annealed in a furnace at 500–550°C. Hydroxyapatite (HA) was obtained by the sol-gel method, for which an aqueous solution of H 3 PO 4 , the pH of which was adjusted to 10 with NH 3 , was mixed with an aqueous solution of Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O, the mixture was stirred for one hour , then kept for 24 hours, the resulting gel was dried at 65 ºС for 24 hours and calcined. Bioglass (45S5), powder of hydroxyapatite and ZrO 2 in the following ratio, wt.%: 85-40 45S5, 10-40 GA, 5-20 ZrO 2 , was crushed and mixed with a ball mill for about 4 hours. The samples were placed and sintered in a furnace at 1000, 1100, and 1200°C for 5 hours, the heating and cooling rate was 5°C/min. Using a uniaxial pressure of 100 MPa, rectangular rod-shaped samples were formed.

Недостатком прототипа является его многостадийность, длительность процесса, а также низкая прочность получаемой стеклокерамики, которая не превышает 109 МПа.The disadvantage of the prototype is its multi-stage, duration of the process, as well as the low strength of the resulting glass ceramics, which does not exceed 109 MPa.

Задачей данного изобретения является создание простого в осуществлении способа получения биоактивной керамики на основе оксида циркония, обладающей большей плотностью и прочностью относительно прототипа, что позволяет расширить диапазон возможного использования.The objective of this invention is to create an easy-to-implement method for obtaining bioactive ceramics based on zirconium oxide, which has a higher density and strength relative to the prototype, which allows you to expand the range of possible use.

Технический результат заявляемого способа заключается в увеличении количества оксида циркония, равномерно распределенного в матрице биоактивной керамики, что в значительной степени повышает прочность биокерамики, а также в использовании повторного спекания полученной керамики, легированной оксидом циркония, после ее прессования, что, в свою очередь, повышает плотность материала.The technical result of the proposed method consists in increasing the amount of zirconium oxide uniformly distributed in the matrix of bioactive ceramics, which significantly increases the strength of bioceramics, as well as in using the re-sintering of the obtained ceramics alloyed with zirconium oxide after its pressing, which, in turn, increases material density.

Технический результат достигается предлагаемым способом получения биокерамики на основе диоксида циркония с использованием в качестве исходных веществ органических производных кремния, фосфора и циркония, а именно олеатов натрия, кальция и цирконила, трибутилфосфата и тетраэтилортосиликата, смесь которых подвергают пиролизу для получения продукта, который дальше измельчают, прессуют и дополнительно прокаливают для придания большей прочности биокерамике.The technical result is achieved by the proposed method for producing bioceramics based on zirconium dioxide using organic derivatives of silicon, phosphorus and zirconium as starting materials, namely sodium, calcium and zirconyl oleates, tributyl phosphate and tetraethylorthosilicate, the mixture of which is subjected to pyrolysis to obtain a product that is further crushed, pressed and additionally calcined to give greater strength to bioceramics.

Процесс осуществляют следующим образом.The process is carried out as follows.

В раствор олеата натрия с тетраэтоксисиланом в скипидаре добавляют раствор олеата кальция с трибутилфосфатом в толуоле, затем раствор олеата цирконила в толуоле. После смешивания всех компонентов в рассчитанных количествах выполняют отгонку растворителей при температуре 150-200°С. Полученный прекурсор подвергают пиролизу в муфельной печи, нагревая до температуры 1300°С, и выдерживают 30 мин. После охлаждения при комнатной температуре полученную стеклокерамику истирают на вибромельнице: 80% частиц имеют размер менее 50 мкм. Порошок прессуют под давлением 50 МПа методом холодного одноосного прессования со скоростью 0,5 мм/сек, выдержкой 120 сек, затем прокаливают в муфельной печи до температуры 1300°С. Охлаждение керамики проводят в два этапа во избежание растрескивания образца. Образование 45S5 обеспечивали переносом образца в камеру отжига с температурой 550°С, где он при этой температуре выдерживался час, далее охлаждение происходило медленно при выключенной камере отжига до комнатной температуры естественным путем. В результате получают биоактивную керамику, с составом 60-90 масс. % ZrO2 и 40-10 масс. % «Bioglass 45S5», в котором биостекло равномерно распределено в объеме композита.To a solution of sodium oleate with tetraethoxysilane in turpentine is added a solution of calcium oleate with tributyl phosphate in toluene, then a solution of zirconyl oleate in toluene. After mixing all the components in the calculated amounts, the solvents are distilled off at a temperature of 150-200°C. The resulting precursor is subjected to pyrolysis in a muffle furnace, heated to a temperature of 1300°C, and kept for 30 minutes. After cooling at room temperature, the obtained glass-ceramic is rubbed on a vibrating mill: 80% of the particles have a size of less than 50 μm. The powder is pressed under a pressure of 50 MPa by cold uniaxial pressing at a speed of 0.5 mm/sec, holding for 120 seconds, then calcined in a muffle furnace to a temperature of 1300°C. Cooling of ceramics is carried out in two stages in order to avoid cracking of the sample. The formation of 45S5 was ensured by transferring the sample to an annealing chamber at a temperature of 550°C, where it was kept at this temperature for an hour, and then cooling occurred slowly with the annealing chamber turned off to room temperature in a natural way. The result is bioactive ceramics, with a composition of 60-90 wt. % ZrO 2 and 40-10 wt. % "Bioglass 45S5", in which bioglass is evenly distributed in the volume of the composite.

Для подтверждения образования биоактивной керамики продукт исследовали рентгенофазовым анализом на дифрактометре Bruker AXS, D8 ADVANCE, качественный, количественный элементный состав и морфология поверхности образцов определены методом растовой электронной микроскопии. Образцы, полученные заявляемым методом, непрозрачны и состоят из стеклофазы, а также частиц сферической и кубической форм. Карты распределения элементов, полученных образцов, показали равномерное распределение элементов в керамике.To confirm the formation of bioactive ceramics, the product was examined by X-ray phase analysis on a Bruker AXS, D8 ADVANCE diffractometer; the qualitative and quantitative elemental composition and surface morphology of the samples were determined by scanning electron microscopy. The samples obtained by the claimed method are opaque and consist of a glass phase, as well as particles of spherical and cubic shapes. The distribution maps of the elements obtained from the samples showed a uniform distribution of the elements in the ceramics.

Биоактивность образцов подтверждена исследованиями in vitro с помощью модельной среды - SBF-раствора. Образцы были помещены в раствор на 18 суток при температуре 37°С, которую поддерживал термостат. Раствор обновляли каждые 48 часов. Все образцы имеют покрытия из гидроксиапатита в виде плотной растрескавшейся корки.The bioactivity of the samples was confirmed by in vitro studies using a model medium - SBF solution. The samples were placed in solution for 18 days at a temperature of 37°C, which was maintained by a thermostat. The solution was updated every 48 hours. All samples have hydroxyapatite coatings in the form of a dense cracked crust.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.The possibility of carrying out the invention is confirmed by the following examples.

Пример 1.Example 1

В раствор 4,279 г олеата натрия (C18H33O2Na, 98%) с 2,774 г тетраэтоксисиланом (C8H20O4Si, 99.5%) в скипидаре добавляют раствор 4,683 г олеата кальция (C36H66O4Ca, 98%) с 0,400 г трибутилфосфатом (C12H27O4P, 99%) в толуоле, затем раствор 14,503 г олеата цирконила (C36H66O5Zr) в толуоле. Количество олеата цирконила соответствует 60 масс. % ZrO2 в биокерамике. После смешивания всех компонентов растворители отгоняют при температуре 150-200°С. Полученный прекурсор подвергают пиролизу в муфельной печи, нагревая до температуры 1300°С и выдерживают при данной температуре 30 мин. Полученную керамику охлаждают при комнатной температуре. Стеклокерамику истирают на вибромельнице. Порошок прессуют под давлением 50 МПа и прокаливают в муфельной печи до температуры 1300°С. Охлаждение керамики проводят в отдельной камере отжига при температуре 550°С и выдержкой в течение часа, затем следует медленное остывание до комнатной температуры в выключенной камере отжига. A solution of 4.683 g of calcium oleate (C 36 H 66 O 4 Ca , 98%) with 0.400 g of tributyl phosphate (C 12 H 27 O 4 P, 99%) in toluene, then a solution of 14.503 g of zirconyl oleate (C 36 H 66 O 5 Zr) in toluene. The amount of zirconyl oleate corresponds to 60 wt. % ZrO 2 in bioceramics. After mixing all the components, the solvents are distilled off at a temperature of 150-200°C. The resulting precursor is subjected to pyrolysis in a muffle furnace by heating to a temperature of 1300°C and kept at this temperature for 30 min. The resulting ceramic is cooled at room temperature. Glass ceramics are abraded on a vibrating mill. The powder is pressed under a pressure of 50 MPa and calcined in a muffle furnace to a temperature of 1300°C. The ceramics are cooled in a separate annealing chamber at a temperature of 550°C and held for an hour, followed by slow cooling to room temperature in the off annealing chamber.

Образец керамики состоит из стеклофазы, а также частиц сферической формы, соответствующей ZrO2, и кубической, соответствующей Na4Zr2Si3O12. Средний диаметр сферических частиц - 1 мкм, сторона ребра частиц кубической формы около 1,5 мкм. Стеклофаза характеризуется повышенным содержанием кальция, фосфора и кремния, она образует фазу, являющуюся биоактивной. Биоактивность образцов подтверждена исследованиями in vitro с помощью модельной среды - SBF-раствора. Толщина образовавшегося покрытия из нанокристаллического гидроксиапатита, способного поддерживать регенерацию тканей, составила около 0,3 мкм. Покрытие плотное, однородное и занимает всю поверхность образца. Предел прочности образца при сжатии (420±15) МПа.The ceramic sample consists of a glass phase, as well as spherical particles corresponding to ZrO 2 and cubic particles corresponding to Na 4 Zr 2 Si 3 O 12 . The average diameter of the spherical particles is 1 µm, the edge side of the cubic particles is about 1.5 µm. The glass phase is characterized by an increased content of calcium, phosphorus and silicon; it forms a phase that is bioactive. The bioactivity of the samples was confirmed by in vitro studies using a model medium - SBF solution. The thickness of the resulting coating of nanocrystalline hydroxyapatite, capable of supporting tissue regeneration, was about 0.3 μm. The coating is dense, uniform and occupies the entire surface of the sample. The compressive strength of the sample is (420 ± 15) MPa.

Пример 2.Example 2

В раствор 3,209 г олеата натрия (C18H33O2Na, 98%) с 2,081 г тетраэтоксисиланом (C8H20O4Si, 99.5%) в скипидаре добавляют раствор 3,513 г олеата кальция (C36H66O4Ca, 98%) с 0,300 г трибутилфосфатом (C12H27O4P, 99%) в толуоле, затем раствор 16,920 г олеата цирконила (C36H66O5Zr) в толуоле. Количество олеата цирконила соответствует 70 масс. % ZrO2 в биокерамике. После смешивания всех компонентов растворители отгоняют при температуре 150-200°С. Полученный прекурсор подвергают пиролизу в муфельной печи, нагревая до температуры 1300°С и выдерживают при данной температуре 30 мин. Полученную керамику охлаждают при комнатной температуре. Стеклокерамику истирают на вибромельнице. Порошок прессуют под давлением 50 МПа и прокаливают в муфельной печи до температуры 1300°С. Охлаждение керамики проводят в отдельной камере отжига при температуре 550°С и выдержкой в течение часа, затем следует медленное остывание до комнатной температуры в выключенной камере отжига. A solution of 3.513 g of calcium oleate (C 36 H 66 O 4 Ca , 98%) with 0.300 g of tributyl phosphate (C 12 H 27 O 4 P, 99%) in toluene, then a solution of 16.920 g of zirconyl oleate (C 36 H 66 O 5 Zr) in toluene. The amount of zirconyl oleate corresponds to 70 wt. % ZrO 2 in bioceramics. After mixing all the components, the solvents are distilled off at a temperature of 150-200°C. The resulting precursor is subjected to pyrolysis in a muffle furnace by heating to a temperature of 1300°C and kept at this temperature for 30 min. The resulting ceramic is cooled at room temperature. Glass ceramics are abraded on a vibrating mill. The powder is pressed under a pressure of 50 MPa and calcined in a muffle furnace to a temperature of 1300°C. The ceramics are cooled in a separate annealing chamber at a temperature of 550°C and held for an hour, followed by slow cooling to room temperature in the off annealing chamber.

Образец керамики состоит из стеклофазы, а также частиц сферической формы, соответствующей ZrO2, и кубической, соответствующей Na4Zr2Si3O12. Средний диаметр сферических частиц - 1 мкм, сторона ребра частиц кубической формы около 1,5 мкм. Стеклофаза характеризуется повышенным содержанием кальция, фосфора и кремния, она образует фазу, являющуюся биоактивной. Биоактивность образцов подтверждена исследованиями in vitro с помощью модельной среды - SBF-раствора. Толщина образовавшегося покрытия из нанокристаллического гидроксиапатита, способного поддерживать регенерацию тканей, составила около 0,25 мкм. Покрытие плотное, однородное и занимает всю поверхность образца. Предел прочности образца при сжатии (480±20) МПа.The ceramic sample consists of a glass phase, as well as spherical particles corresponding to ZrO 2 and cubic particles corresponding to Na 4 Zr 2 Si 3 O 12 . The average diameter of the spherical particles is 1 µm, the edge side of the cubic particles is about 1.5 µm. The glass phase is characterized by an increased content of calcium, phosphorus and silicon; it forms a phase that is bioactive. The bioactivity of the samples was confirmed by in vitro studies using a model medium - SBF solution. The thickness of the resulting coating of nanocrystalline hydroxyapatite, capable of supporting tissue regeneration, was about 0.25 µm. The coating is dense, uniform and occupies the entire surface of the sample. The compressive strength of the sample is (480 ± 20) MPa.

Пример 3.Example 3

В раствор 2,139 г олеата натрия (C18H33O2Na, 98%) с 1,387 г тетраэтоксисиланом (C8H20O4Si, 99.5%) в скипидаре добавляют раствор 2,342 г олеата кальция (C36H66O4Ca, 98%) с 0,200 г трибутилфосфатом (C12H27O4P, 99%) в толуоле, затем раствор 19,337 г олеата цирконила (C36H66O5Zr) в толуоле. Количество олеата цирконила соответствует 80 масс.% ZrO2 в биокерамике. После смешивания всех компонентов растворители отгоняют при температуре 150 - 200 ºС. Полученный прекурсор подвергают пиролизу в муфельной печи, нагревая до температуры 1300 ºС и выдерживают при данной температуре 30 мин. Полученную керамику охлаждают при комнатной температуре. Стеклокерамику истирают на вибромельнице. Порошок прессуют под давлением 50 МПа и прокаливают в муфельной печи до температуры 1300 °С. Охлаждение керамики проводят в отдельной камере отжига при температуре 550 °С и выдержкой в течение часа, затем следует медленное остывание до комнатной температуры в выключенной камере отжига. A solution of 2.342 g of calcium oleate (C 36 H 66 O 4 Ca , 98%) with 0.200 g of tributyl phosphate (C 12 H 27 O 4 P, 99%) in toluene, then a solution of 19.337 g of zirconyl oleate (C 36 H 66 O 5 Zr) in toluene. The amount of zirconyl oleate corresponds to 80 wt.% ZrO 2 in bioceramics. After mixing all the components, the solvents are distilled off at a temperature of 150 - 200 ºС. The resulting precursor is subjected to pyrolysis in a muffle furnace, heated to a temperature of 1300 ºС and kept at this temperature for 30 min. The resulting ceramic is cooled at room temperature. Glass ceramics are abraded on a vibrating mill. The powder is pressed under a pressure of 50 MPa and calcined in a muffle furnace to a temperature of 1300°C. The ceramics are cooled in a separate annealing chamber at a temperature of 550 °C and held for an hour, followed by slow cooling to room temperature in a switched off annealing chamber.

Образец керамики состоит из стеклофазы и, в основном, частиц сферической формы, соответствующей ZrO2. Средний диаметр сферических частиц - 1 мкм, сторона ребра частиц кубической формы, изредка встречающихся в образце и соответствующих Na4Zr2Si3O12, около 1,5 мкм. Стеклофаза является биоактивной.The ceramic sample consists of a glass phase and mainly particles of a spherical shape corresponding to ZrO2. The average diameter of the spherical particles is 1 µm, the side of the edge of the particles is a cubic shape, occasionally found in the sample and corresponding to Na4Zr2Si3O12, about 1.5 µm. glass phase is bioactive.

Толщина образовавшегося покрытия, составила около 0,2 мкм. Покрытие плотное, однородное и занимает всю поверхность. Предел прочности образца при сжатии (600±25) МПа.The thickness of the resulting coating was about 0.2 µm. The coating is dense, uniform and covers the entire surface. The compressive strength of the sample is (600 ± 25) MPa.

Пример 4.Example 4

В раствор 1,070 г олеата натрия (C18H33O2Na, 98%) с 0,694 г тетраэтоксисиланом (C8H20O4Si, 99.5%) в скипидаре добавляют раствор 1,171 г олеата кальция (C36H66O4Ca, 98%) с 0,100 г трибутилфосфатом (C12H27O4P, 99%) в толуоле, затем раствор 21,754 г олеата цирконила (C36H66O5Zr) в толуоле. Количество олеата цирконила соответствует 90 масс. % ZrO2 в биокерамике. После смешивания всех компонентов растворители отгоняют при температуре 150-200°С. Полученный прекурсор подвергают пиролизу в муфельной печи, нагревая до температуры 1300°С и выдерживают при данной температуре 30 мин. Полученную керамику охлаждают при комнатной температуре. Стеклокерамику истирают на вибромельнице. Порошок прессуют под давлением 50 МПа и прокаливают в муфельной печи до температуры 1300°С. Охлаждение керамики проводят в отдельной камере отжига при температуре 550°С и выдержкой в течение часа, затем следует медленное остывание до комнатной температуры в выключенной камере отжига. A solution of 1.171 g of calcium oleate (C 36 H 66 O 4 Ca , 98%) with 0.100 g of tributyl phosphate (C 12 H 27 O 4 P, 99%) in toluene, then a solution of 21.754 g of zirconyl oleate (C 36 H 66 O 5 Zr) in toluene. The amount of zirconyl oleate corresponds to 90 wt. % ZrO 2 in bioceramics. After mixing all the components, the solvents are distilled off at a temperature of 150-200°C. The resulting precursor is subjected to pyrolysis in a muffle furnace by heating to a temperature of 1300°C and kept at this temperature for 30 min. The resulting ceramic is cooled at room temperature. Glass ceramics are abraded on a vibrating mill. The powder is pressed under a pressure of 50 MPa and calcined in a muffle furnace to a temperature of 1300°C. The ceramics are cooled in a separate annealing chamber at a temperature of 550°C and held for an hour, followed by slow cooling to room temperature in the off annealing chamber.

Образец керамики состоит из стеклофазы и, в основном, частиц сферической формы, соответствующей ZrO2. Средний диаметр сферических частиц - 1 мкм, сторона ребра частиц кубической формы, изредка встречающихся в образце и соответствующих Na4Zr2Si3O12, около 1,5 мкм. Стеклофаза является биоактивной.The ceramic sample consists of a glass phase and mainly particles of a spherical shape corresponding to ZrO2. The average diameter of the spherical particles is 1 µm, the side of the edge of the particles is a cubic shape, occasionally found in the sample and corresponding to Na4Zr2Si3O12, about 1.5 µm. glass phase is bioactive.

Толщина образовавшегося покрытия, составила 0,15-0,2 мкм. Покрытие плотное, однородное и занимает всю поверхность. Предел прочности образца при сжатии (650±15) МПа.The thickness of the resulting coating was 0.15-0.2 µm. The coating is dense, uniform and covers the entire surface. The compressive strength of the sample is (650 ± 15) MPa.

Как видно из приведенных примеров, полученные заявляемым способом биоактивные стеклокерамические материалы удовлетворяют требованиям, предъявляемым к имплантам, и могут быть рекомендованы как материалы для лечения костных дефектов. Предел прочности получаемой биокерамики в несколько раз превышает значения прототипа, что позволяет расширить диапазон ее возможного использования.As can be seen from the above examples, bioactive glass-ceramic materials obtained by the claimed method meet the requirements for implants and can be recommended as materials for the treatment of bone defects. The tensile strength of the resulting bioceramics is several times higher than the values of the prototype, which allows you to expand the range of its possible use.

Claims (2)

1. Способ получения биоактивной керамики на основе диоксида циркония путем термической обработки смеси, содержащей цирконий и компоненты стекла, отличающийся тем, что в качестве смеси используют раствор в органических растворителях, содержащий олеат натрия, тетраэтоксисилан, олеат кальция, трибутилфосфат и олеат цирконила, из исходной смеси предварительно отгоняют растворители, затем прекурсор подвергают пиролизу при 1300°С в течение 30 минут, полученный продукт охлаждают до комнатной температуры, измельчают, прессуют, прокаливают в муфельной печи до температуры 1300°С и охлаждают в два этапа: сначала в отдельной камере отжига при температуре 550°С с выдержкой в течение часа, а затем при остывании до комнатной температуры в выключенной камере отжига.1. A method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide by heat treatment of a mixture containing zirconium and glass components, characterized in that the mixture uses a solution in organic solvents containing sodium oleate, tetraethoxysilane, calcium oleate, tributyl phosphate and zirconyl oleate, from the original the mixtures are preliminarily distilled off solvents, then the precursor is subjected to pyrolysis at 1300°C for 30 minutes, the resulting product is cooled to room temperature, crushed, pressed, calcined in a muffle furnace to a temperature of 1300°C and cooled in two stages: first, in a separate annealing chamber at at a temperature of 550°C with exposure for an hour, and then when cooled to room temperature in the switched off annealing chamber. 2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что состав биоактивной керамики, полученный из исходной смеси, имеет следующее соотношение компонентов, мас. %: 60-90 ZrO2 и 40-10 «Bioglass 45S5».2. The method according to p. 1, characterized in that the composition of bioactive ceramics obtained from the initial mixture has the following ratio of components, wt. %: 60-90 ZrO 2 and 40-10 "Bioglass 45S5".
RU2021119671A 2021-07-06 2021-07-06 Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide RU2771017C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021119671A RU2771017C1 (en) 2021-07-06 2021-07-06 Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021119671A RU2771017C1 (en) 2021-07-06 2021-07-06 Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2771017C1 true RU2771017C1 (en) 2022-04-25

Family

ID=81306211

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021119671A RU2771017C1 (en) 2021-07-06 2021-07-06 Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2771017C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01115360A (en) * 1987-10-29 1989-05-08 Hoya Corp Inorganic living body material and preparation thereof
KR20060052140A (en) * 2004-10-11 2006-05-19 주식회사 엘지화학 Sintered bioactive ceramic composite implant and preparation thereof
RU2595703C1 (en) * 2015-10-29 2016-08-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Zirconium oxide-based method for producing porous bioactive ceramics
RU2640853C2 (en) * 2012-08-20 2018-01-12 Керамтек Гмбх Composite material based on zirconium oxide
RU2741918C1 (en) * 2020-06-29 2021-01-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method of producing biocompatible porous zirconium dioxide ceramics for endoprosthesis replacement

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01115360A (en) * 1987-10-29 1989-05-08 Hoya Corp Inorganic living body material and preparation thereof
KR20060052140A (en) * 2004-10-11 2006-05-19 주식회사 엘지화학 Sintered bioactive ceramic composite implant and preparation thereof
RU2640853C2 (en) * 2012-08-20 2018-01-12 Керамтек Гмбх Composite material based on zirconium oxide
RU2595703C1 (en) * 2015-10-29 2016-08-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Zirconium oxide-based method for producing porous bioactive ceramics
RU2741918C1 (en) * 2020-06-29 2021-01-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Method of producing biocompatible porous zirconium dioxide ceramics for endoprosthesis replacement

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PRASAD S. et al. Preparation, In-Vitro Bioactivity And Mechanical Properties of Reinforced 45S5 Bioglass Composite Mith HA-ZrO2 Powders, Oriental Journal of Chemistry, 2017, v. 33, N 3, pp. 1286-1296. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Boccaccini et al. Sintering, crystallisation and biodegradation behaviour of Bioglass®-derived glass–ceramics
JPH04504403A (en) Synthetic ceramic materials and their manufacturing methods
Aguilar-Reyes et al. Processing and in vitro bioactivity of high-strength 45S5 glass-ceramic scaffolds for bone regeneration
CA2286039A1 (en) Bioactive sol-gel compositions and methods
Shuai et al. Processing and characterization of laser sintered hydroxyapatite scaffold for tissue engineering
CN110054491B (en) Preparation method of nano zinc oxide doped hydroxyapatite porous bioceramic
WO2011031821A1 (en) Glass ceramic scaffolds with complex topography
US7416564B2 (en) Porous bioceramics for bone scaffold and method for manufacturing the same
FU et al. Zirconia incorporation in 3D printed β-Ca2SiO4 scaffolds on their physicochemical and biological property
Mantsos et al. Non-crystalline composite tissue engineering scaffolds using boron-containing bioactive glass and poly (D, L-lactic acid) coatings
Yun et al. Hierarchically mesoporous–macroporous bioactive glasses scaffolds for bone tissue regeneration
RU2595703C1 (en) Zirconium oxide-based method for producing porous bioactive ceramics
CN110054505B (en) Preparation method of nano-loaded zinc hydroxyapatite porous bioceramic
Wang et al. Macroporous calcium phosphate glass-ceramic prepared by two-step pressing technique and using sucrose as a pore former
WO2000030998A1 (en) Porous ceramic composites
KR101762580B1 (en) A method for preparing porous bone graft materials
Ivanchenko et al. Making calcium phosphate biomaterials
Sadeghzade et al. Improving the mechanical and bioactivity of hydroxyapatite porous scaffold ceramic with diopside/forstrite ceramic coating.
RU2771017C1 (en) Method for producing bioactive ceramics based on zirconium dioxide
JP3718708B2 (en) Calcium phosphate bioceramic sintered body and method for producing the same
Rigo et al. Hydroxyapatite coating on silicon nitride surfaces using the biomimetic method
Swain Processing of porous hydroxyapatite scaffold
KR101186370B1 (en) Porous bio-material with multi-layer structure and method for manufacturing the same
Jongprateep et al. Effects of solid loadings and silica addition on microstructure and compressive strength of hydroxyapatite specimens fabricated by freeze casting technique
RU2743834C1 (en) Method for producing porous bioceramic wollastonite