RU2782925C1 - Biomedical material based on hydroxyapatite and method for its production - Google Patents
Biomedical material based on hydroxyapatite and method for its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782925C1 RU2782925C1 RU2022108967A RU2022108967A RU2782925C1 RU 2782925 C1 RU2782925 C1 RU 2782925C1 RU 2022108967 A RU2022108967 A RU 2022108967A RU 2022108967 A RU2022108967 A RU 2022108967A RU 2782925 C1 RU2782925 C1 RU 2782925C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium dioxide
- hydroxyapatite
- titanium
- rutile
- tio
- Prior art date
Links
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 47
- 239000003519 biomedical and dental material Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 129
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims abstract description 48
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910014497 Ca10(PO4)6(OH)2 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 150000002927 oxygen compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N TiO Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 20
- 210000000988 Bone and Bones Anatomy 0.000 abstract description 15
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 239000011149 active material Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000399 orthopedic Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 14
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 7
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H Tricalcium phosphate Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 6
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 description 6
- 229940078499 tricalcium phosphate Drugs 0.000 description 6
- 229910000391 tricalcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 6
- 235000019731 tricalcium phosphate Nutrition 0.000 description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 5
- 239000003826 tablet Substances 0.000 description 5
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 4
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N iso-propanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- AOWKSNWVBZGMTJ-UHFFFAOYSA-N Calcium titanate Chemical compound [Ca+2].[O-][Ti]([O-])=O AOWKSNWVBZGMTJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000560 biocompatible material Substances 0.000 description 3
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 3
- 108010064367 calcium titanate Proteins 0.000 description 3
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 3
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 3
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N precursor Substances N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 229910001929 titanium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N Calcium nitrate Chemical compound [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AQSJGOWTSHOLKH-UHFFFAOYSA-N Phosphite Chemical compound [O-]P([O-])[O-] AQSJGOWTSHOLKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DLYUQMMRRRQYAE-UHFFFAOYSA-N Phosphorus pentoxide Chemical compound O1P(O2)(=O)OP3(=O)OP1(=O)OP2(=O)O3 DLYUQMMRRRQYAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K [O-]P([O-])([O-])=O Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 2
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001603 reducing Effects 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229960000583 Acetic Acid Drugs 0.000 description 1
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J Titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 229910001297 Zn alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- WSNTYJGDOGPZEG-UHFFFAOYSA-N [Ca+2].CCO.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O Chemical compound [Ca+2].CCO.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O WSNTYJGDOGPZEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 230000000975 bioactive Effects 0.000 description 1
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 description 1
- MWKXCSMICWVRGW-UHFFFAOYSA-N calcium;phosphane Chemical compound P.[Ca] MWKXCSMICWVRGW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009694 cold isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000012362 glacial acetic acid Substances 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000000278 osteoconductive Effects 0.000 description 1
- 230000002138 osteoinductive Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative Effects 0.000 description 1
- BAQNULZQXCKSQW-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Ti+4] BAQNULZQXCKSQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002588 toxic Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 231100000167 toxic agent Toxicity 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 238000004450 types of analysis Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицинских и фармацевтических биологически активных материалов, которые могут быть использованы в ортопедической стоматологии и хирургии при восстановлении и лечении костной ткани, реконструкции и замещению поврежденных участков. The invention relates to the field of medical and pharmaceutical biologically active materials that can be used in orthopedic dentistry and surgery in the restoration and treatment of bone tissue, reconstruction and replacement of damaged areas.
Известен композиционный биорезорбируемый материал на основе гидроксиапатита, который содержит монооксид титана состава TiOx, где х=0,99; 1,09 и 1,23 в количестве 10-20 мас. % от общего, который получают смешением компонентов в среде изопропилового спирта, взятого в количестве 5-10 мл, сушкой, прессованием и последующим отжигом при температуре 580-600°C в течение 350-360 минут со скоростью нагрева 100-110°C/ч. Биорезорбируемый материал имеет микротвердость от 138 до 210 МПа и может быть использован для реконструкции и замещения участков костной ткани (патент RU 2652429; МПК А61Л 6/033, A61L 27/06, A61L 27/12; 2018 год).Known composite bioresorbable material based on hydroxyapatite, which contains titanium monoxide composition TiO x where x=0.99; 1.09 and 1.23 in the amount of 10-20 wt. % of the total, which is obtained by mixing the components in isopropyl alcohol, taken in an amount of 5-10 ml, drying, pressing and subsequent annealing at a temperature of 580-600°C for 350-360 minutes with a heating rate of 100-110°C/h . The bioresorbable material has a microhardness of 138 to 210 MPa and can be used for reconstruction and replacement of bone tissue (patent RU 2652429; IPC A61L 6/033, A61L 27/06, A61L 27/12; 2018).
Однако к недостаткам известного материала относится невысокая микротвердость, а также использование при его получение токсичного соединения - изопропилового спирта.However, the disadvantages of the known material include low microhardness, as well as the use of a toxic compound, isopropyl alcohol, in its preparation.
Известен биоактивный композиционный материал на основе гидроксиапатита, в котором диспергирован монооксид титана. Этот материал содержит в качестве монооксида титана сверхстехиометрический монооксид титана TiO1,22 при следующем соотношении компонентов, мас. %: гидроксиапатит - 77- 79, монооксид титана TiO1,22 - 21-23 (патент RU 2724611; МПК A61L 27/40, A61L 27/42, A61L 2/28; 2020 год).Known bioactive composite material based on hydroxyapatite, in which titanium monoxide is dispersed. This material contains, as titanium monoxide, superstoichiometric titanium monoxide TiO 1.22 in the following ratio, wt. %: hydroxyapatite - 77-79, titanium monoxide TiO 1.22 - 21-23 (patent RU 2724611; IPC A61L 27/40, A61L 27/42, A61L 2/28; 2020).
Недостатком известного материала являются нетривиальность используемого монооксида титана - сверхстехиометрический монооксид титана TiO1,22, и невысокая микротвердость (159-169 МПа) получаемого материала. Кроме того, использование модифицирующих частиц с покрытием в виде агломератов нарушает дисперсионное упрочнение.The disadvantage of the known material is the non-triviality of the used titanium monoxide - superstoichiometric titanium monoxide TiO 1,22 and low microhardness (159-169 MPa) of the resulting material. In addition, the use of agglomerate-coated modifying particles impairs precipitation strengthening.
Известен нанокомпозитный материал для покрытия на основе диоксида титана-гидроксиапатита, используемый для нанесения покрытия на основу из медицинского металла, такого как титан, нержавеющая сталь, титановый сплав, магниевый сплав, цинковый сплав или кобальтовый сплав. Поверхность медицинской металлической подложки представляет собой композитное покрытие, состоящее из кристаллических зерен оксида титана и кристаллических зерен гидроксиапатита, равномерно распределенных друг с другом. В композитном покрытии диаметры частиц кристалла оксида титана и кристалла гидроксиапатита составляют 30-50 нм и 50-150 нм соответственно, а средняя толщина покрытия составляет 10-300 мкм. Способ получения нанокомпозитного материала для покрытия на основе оксида титана-гидроксиапатита включает следующие этапы: приготовление золя титана путем добавления к раствору TiCl4 с массовым содержанием от 1 до 20%, избытка аммиака или раствора гидроксида натрия или раствора гидроксида калия при перемешивании с последующей центробежной промывкой деионизированной водой для его отделения. Затем готовят золь, содержащий Ca и P, для чего растворяют порошок нитрата кальция в безводном этаноле при перемешивании для получения раствора этанола нитрата кальция, в котором массовая доля этанола составляет 50-80%; растворяют пятиокись фосфора в безводном этаноле, в котором массовая доля этанола составляет от 50 до 80%; и фосфат или фосфит растворяют в этаноле для получения раствора фосфата или фосфита в этаноле, в котором массовое процентное содержание этанола также составляет от 50 до 80%. Далее в соответствии с соотношением атомного отношения Ca/P = 1,67 перемешивают полученные растворы и выдерживают для образования золя, содержащего Ca и P. Для приготовления композитного золя перемешивают все полученные растворы и оставляют для выдержки с образованием композитного золя, содержащего титан, кальций и фосфор. Затем осуществляют покрытие слоем композитного золя подложки из медицинского металла методом погружения и вытягивания или гомогенизации для получения композитного слоя золя на основе медицинского металла (Заявка CN 101601870; МПК A61L27/02, A61L27/12, A61L27/30, A61L27/40; 2009 год).Known nanocomposite coating material based on titanium dioxide-hydroxyapatite, used for coating a base of medical metal such as titanium, stainless steel, titanium alloy, magnesium alloy, zinc alloy or cobalt alloy. The surface of the medical metal substrate is a composite coating consisting of titanium oxide crystalline grains and hydroxyapatite crystalline grains uniformly distributed with each other. In the composite coating, the particle diameters of the titanium oxide crystal and the hydroxyapatite crystal are 30-50 nm and 50-150 nm, respectively, and the average coating thickness is 10-300 μm. A method for producing a nanocomposite coating material based on titanium oxide-hydroxyapatite includes the following steps: preparing a titanium sol by adding excess ammonia or a sodium hydroxide solution or a potassium hydroxide solution to a TiCl 4 solution with a mass content of 1 to 20% with stirring, followed by centrifugal washing deionized water to separate it. Then, a sol containing Ca and P is prepared, for which calcium nitrate powder is dissolved in anhydrous ethanol with stirring to obtain a solution of calcium nitrate ethanol, in which the mass fraction of ethanol is 50-80%; dissolving phosphorus pentoxide in anhydrous ethanol, in which the mass fraction of ethanol is from 50 to 80%; and the phosphate or phosphite is dissolved in ethanol to obtain a solution of phosphate or phosphite in ethanol, in which the mass percentage of ethanol is also 50 to 80%. Further, in accordance with the ratio of the atomic ratio Ca / P = 1.67, the resulting solutions are mixed and kept to form a sol containing Ca and P. To prepare a composite sol, all the resulting solutions are mixed and left to stand to form a composite sol containing titanium, calcium phosphorus. Then, a layer of composite sol is coated on a medical metal substrate by dipping and pulling or homogenization to obtain a composite sol layer based on medical metal (Application CN 101601870; IPC A61L27/02, A61L27/12, A61L27/30, A61L27/40; 2009) .
Однако известный материал может быть использован только в качестве покрытия металлического имплантата, поскольку представляет собой не блочный матричный материал, матрица которого укреплена модифицирующим агентом, а физико-химическую смесь частиц гидроксиапатита и оксида титана, равномерно распределенных друг с другом. Таким образом, известный материал не может быть использован в качестве искусственного костного имплантата, имплантированного в область дефекта кости, способствующего заживлению костной ткани. Кроме того, способ получения материала не только отличается сложностью, но использование таких реагентов, как четыреххлорид титана, раствор аммиака, натриевая щелочь, обусловливает загрязнение конечного продукта, снижая его качество.However, the known material can only be used as a coating of a metal implant, since it is not a block matrix material, the matrix of which is reinforced with a modifying agent, but a physicochemical mixture of hydroxyapatite and titanium oxide particles uniformly distributed with each other. Thus, the known material cannot be used as an artificial bone implant implanted in the area of a bone defect that promotes bone tissue healing. In addition, the method of obtaining the material is not only complicated, but the use of reagents such as titanium tetrachloride, ammonia solution, sodium alkali, causes contamination of the final product, reducing its quality.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является биомедицинский материал, представляющий собой композитный порошок гидроксиапатит-гидроксид титана, полученный смешиванием порошка гидроксиапатита, спиртового растворителя, ледяной уксусной кислоты и предшественника титана для получения суспензии предшественника гидроксиапатита-титана; добавление капель воды в суспензию предшественника гидроксиапатита-титана и проведение выдержки для получения суспензии гидроксиапатита-гидроксида титана; затем суспензию гидроксиапатит-гидроксида титана разделяют на твердое вещество-жидкость с получением композитного порошка гидроксиапатит-гидроксид титана. Полученный композитный порошок гидроксиапатит-гидроксид титана подвергали холодному изостатическому прессованию при 20 МПа в течение 10 минут с образованием цилиндрического блока (т.е. гидроксиапатит-гидроксид титана). Цилиндрический блок помещали в муфельную печь и спекали при 1100°C в течение 2 ч без давления. После завершения спекания проводили воздушное охлаждение со скоростью снижения температуры 10°C/мин. При этом фаза гидроксиапатита вступает в реакцию с TiO2, образующимся в результате разложения Ti(OH)4, с образованием трикальцийфосфата и титаната кальция. Конечный продукт состоит из трикальцийфосфата, титаната кальция и рутила. Микротвердость композита составляет от 168,2 до 340,7 МПа (патент CN 109701082; МПК A61L 27/42, A61L27/50; 2021 год).The closest to the proposed technical solution is a biomedical material, which is a composite powder of hydroxyapatite-titanium hydroxide, obtained by mixing powder of hydroxyapatite, an alcohol solvent, glacial acetic acid and a titanium precursor to obtain a suspension of the precursor of hydroxyapatite-titanium; adding drops of water to the hydroxyapatite-titanium precursor slurry and holding to obtain a hydroxyapatite-titanium hydroxide slurry; then, the hydroxyapatite-titanium hydroxide suspension is solid-liquid separated to obtain a hydroxyapatite-titanium hydroxide composite powder. The resulting hydroxyapatite-titanium hydroxide composite powder was subjected to cold isostatic pressing at 20 MPa for 10 minutes to form a cylindrical block (i.e., hydroxyapatite-titanium hydroxide). The cylindrical block was placed in a muffle furnace and sintered at 1100°C for 2 hours without pressure. After completion of sintering, air cooling was performed at a temperature reduction rate of 10°C/min. In this case, the hydroxyapatite phase reacts with TiO 2 formed as a result of the decomposition of Ti(OH) 4 to form tricalcium phosphate and calcium titanate. The final product consists of tricalcium phosphate, calcium titanate and rutile. The microhardness of the composite ranges from 168.2 to 340.7 MPa (patent CN 109701082; IPC A61L 27/42, A61L27/50; 2021).
Недостатком известного материала является содержание в конечном продукте трикальцийфосфата и титаната кальция в качестве основных компонентов костного имплантата, что снижает его биосовместимость с костной тканью за счет ухудшения остеокондуктивных и остеоиндуктивных свойств. Кроме того, способ получения материала отличается сложностью за счет многостадийности и использования большого количества реагентов.The disadvantage of the known material is the content in the final product of tricalcium phosphate and calcium titanate as the main components of the bone implant, which reduces its biocompatibility with bone tissue due to the deterioration of osteoconductive and osteoinductive properties. In addition, the method for obtaining the material is complex due to the multi-stage nature and the use of a large number of reagents.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать биомедицинский материал, сохраняющий наряду с повышенной механической твердостью высокую биосовместимости с костной тканью, обеспечивающий пониженную скорость биодеградации при замене и восстановлении костной ткани при различных костных патологиях.Thus, the authors were faced with the task of developing a biomedical material that, along with increased mechanical hardness, retains high biocompatibility with bone tissue and provides a reduced rate of biodegradation during the replacement and restoration of bone tissue in various bone pathologies.
Поставленная задача решена в составе предлагаемого биомедицинского материал на основе гидроксиапатита, содержащего кислородное соединение титана, в котором в качестве кислородного соединения титана используют диоксид титана или нестехиометрический диоксид титана, полученный при сжигании металлического титана при температуре 600-800°С на воздухе, при следующем соотношении компонентов (мас. %):The problem was solved in the composition of the proposed biomedical material based on hydroxyapatite containing an oxygen compound of titanium, in which titanium dioxide or non-stoichiometric titanium dioxide is used as an oxygen compound of titanium, obtained by burning metallic titanium at a temperature of 600-800 ° C in air, with the following ratio components (wt.%):
диоксид титана TiO1,9 (рутил) titanium dioxide TiO 2 (rutile) or non-stoichiometric
titanium dioxide TiO 1.9 (rutile)
при этом частицы диоксида титана TiO2 или нестехиометрический диоксида титана TiO1,9 размером не более 0,5 мкм распределены равномерно по всему объему матрицы из гидроксиапатита.while particles of titanium dioxide TiO 2 or non-stoichiometric titanium dioxide TiO 1.9 with a size of not more than 0.5 μm are distributed evenly throughout the entire volume of the matrix of hydroxyapatite.
Поставленная задача также решена в способе получения биомедицинского материал на основе гидроксиапатита, содержащего диоксид титана или нестехиометрический диоксид титана, полученный при сжигании металлического титана при температуре 600-800°С на воздухе, по п. 1, включающий смешивание порошков исходных компонентов, взятых в соотношении (мас. %): гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2 - 85-90; диоксид титана TiO2 (рутил) или нестехиометрический диоксид титана TiO1,9 (рутил) - 15-10, прессование при давлении 20-30 МПа с последующей термообработкой при температуре 1000-1010°С в течение 0,5- 1,0 часа.The problem is also solved in a method for obtaining a biomedical material based on hydroxyapatite containing titanium dioxide or non-stoichiometric titanium dioxide obtained by burning titanium metal at a temperature of 600-800°C in air, according to claim 1, including mixing powders of the initial components, taken in the ratio (wt.%): hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 - 85-90; titanium dioxide TiO 2 (rutile) or non-stoichiometric titanium dioxide TiO 1.9 (rutile) - 15-10, pressing at a pressure of 20-30 MPa, followed by heat treatment at a temperature of 1000-1010 ° C for 0.5-1.0 hours .
В настоящее время из патентной и научно технической литературы не известен биомедицинский материал на основе гидроксиапатита, модифицированный рутилом (TiO2) или нестехиометрическим диоксидом титана TiO1,9, содержащий компоненты в предлагаемых пределах с равномерным распределением модифицирующих частиц по всему объему матрицы, приобретающий повышенную твердость после термообработке при 1000°С в течение 0,5-1 часа без изменения химического состава.Currently, no biomedical material based on hydroxyapatite, modified with rutile (TiO 2 ) or non-stoichiometric titanium dioxide TiO 1.9 , containing components within the proposed limits with a uniform distribution of modifying particles throughout the volume of the matrix, acquiring increased hardness is not known from the patent and scientific and technical literature. after heat treatment at 1000°C for 0.5-1 hour without changing the chemical composition.
Авторами предлагается биомедицинский материал, химический состав которого, в том числе конечный состав, полученный после термообработки, наряду с высокой микротвердостью имеет высокую биосовместимость к костной ткани, поскольку состав исходного гидроксиапатита (ГАП) не подвержен разложению с образованием трикальций фосфата, который характеризуется пониженной степенью остегенности. Проведенные авторами исследования показали, что использование смеси порошков исходных компонентов в предлагаемых пределах позволяет получить биоматериал, обладающий повышенной микротвердостью после термообработке при 1000°С в течение 0,5-1 часа, при этом разложение гидроксиапатита еще не происходит, но менее 0,5 часа недостаточно для полноценного упрочнения, а более 1 час выдержки может привести к частичному разложения гидроксиапатита до трикальций фосфота. Кроме того, предлагаемые пределы соотношения компонентов позволяет наряду с достижением высоких значений механической твердости увеличить содержание в биоматериале гидроксиапатита, как компонента, имеющего наибольшее сходство с минерализованной костной тканью. При этом использование в качестве модифицирующего агента диоксида титана или нестехиометрического диоксида титана рутильной модификации, менее токсичного и имеющего более высокую плотность, чем нестабильная анатазная модификация, позволяет повысить микротвердость биомедицинского материала. Однако существенным являются пределы содержания диоксида титана. Так при содержании менее 10 мас. % TiO2 резко возрастает степень разложения ГАП с образованием трикальций фосфата во время термообработки, а при содержании более 15 мас. % TiO2 происходит падение прочности получаемого биоматериала за счет снижения дисперсионного упрочнения.The authors propose a biomedical material, the chemical composition of which, including the final composition obtained after heat treatment, along with high microhardness, has high biocompatibility with bone tissue, since the composition of the initial hydroxyapatite (HAP) is not subject to decomposition with the formation of tricalcium phosphate, which is characterized by a reduced degree of osteogenicity. . The studies carried out by the authors showed that the use of a mixture of powders of the initial components within the proposed limits makes it possible to obtain a biomaterial with increased microhardness after heat treatment at 1000 ° C for 0.5-1 hour, while the decomposition of hydroxyapatite does not occur yet, but less than 0.5 hour is not enough for full hardening, and more than 1 hour of exposure can lead to partial decomposition of hydroxyapatite to tricalcium phosphate. In addition, the proposed limits of the ratio of components allows, along with achieving high values of mechanical hardness, to increase the content of hydroxyapatite in the biomaterial, as a component that has the greatest similarity with mineralized bone tissue. At the same time, the use of titanium dioxide or non-stoichiometric titanium dioxide of the rutile modification as a modifying agent, which is less toxic and has a higher density than the unstable anatase modification, makes it possible to increase the microhardness of the biomedical material. However, the limits of the content of titanium dioxide are essential. So when the content is less than 10 wt. % TiO 2 sharply increases the degree of decomposition of HAP with the formation of tricalcium phosphate during heat treatment, and at a content of more than 15 wt. % TiO 2 there is a decrease in the strength of the resulting biomaterial due to a decrease in dispersion strengthening.
Предлагаемый биомедицинский материал может быть получен предлагаемым способом. В мельнице измельчают и смешивают порошки исходных компонентов гидроксиапатита и диоксида титана или нестехиометрического диоксида титана, полученного при сжигании металлического титана при температуре 600-800°С на воздухе, взятых в соотношении (мас. %): гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2 - 85÷90; диоксид титана диоксид титана TiO2 (рутил) или нестехиометрический диоксид титана TiO1,9 (рутил) - 15÷10. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 20-30 МПа, и полученные заготовки помещают в муфельную печь для термообработке при температуре 1000-1010°С в течение 0,5-1 часа. В результате получают композиционный материал Ca10(PO4)6(OH)2-TiO2 в виде мелкозернистого материал с микротвердостью 311-342 МПа с частицами диоксида титана TiO2 размером не более 0,5 мкм, распределенные равномерно по всему объему матрицы из гидроксиапатита. Состав полученного материала контролируют химическим и рентгенофазовым анализами. Микротвердость определяют по методу Виккерса по ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007 (наконечник типа НПМ Виккерса ГОСТ 9377-81).The proposed biomedical material can be obtained by the proposed method. In the mill, powders of the initial components of hydroxyapatite and titanium dioxide or non-stoichiometric titanium dioxide obtained by burning metallic titanium at a temperature of 600-800 ° C in air are ground and mixed, taken in the ratio (wt.%): hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 ( OH) 2 - 85÷90; titanium dioxide titanium dioxide TiO 2 (rutile) or non-stoichiometric titanium dioxide TiO 1.9 (rutile) - 15÷10. The resulting powder mixture is pressed into billets (tablets) at a pressure of 20-30 MPa, and the resulting billets are placed in a muffle furnace for heat treatment at a temperature of 1000-1010°C for 0.5-1 hour. As a result, a composite material Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 -TiO 2 is obtained in the form of a fine-grained material with a microhardness of 311-342 MPa with particles of titanium dioxide TiO 2 with a size of not more than 0.5 μm, distributed evenly throughout the entire volume of the matrix from hydroxyapatite. The composition of the obtained material is controlled by chemical and X-ray phase analyses. Microhardness is determined by the Vickers method according to GOST R ISO 6507-1-2007 (NPM Vickers tip GOST 9377-81).
На фиг.1 изображена микроструктура полученного биомедицинского материала.Figure 1 shows the microstructure of the obtained biomedical material.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами:The proposed technical solution is illustrated by the following examples:
Пример 1. Берут 85 грамм порошка гидроксиапатита, 15 грамм порошка диоксида титана (рутил, ТУ 6-09-2166-72), что соответствует соотношению (мас.%): гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2 - 85; диоксид титана TiO2 (рутил) - 15. Помещают в мельницу и доводят до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 30 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 1000°С в течение 1 часа. В результате получают композиционный материал (Ca10(PO4)6(OH)2-TiO2, в виде плотного мелкозернистого прочного материала, характеризующегося микротвердостью 311 МПа с частицами диоксида титана TiO2 размером не более 0,5 мкм, распределенные равномерно по всему объему матрицы из гидроксиапатита.Example 1. Take 85 grams of hydroxyapatite powder, 15 grams of titanium dioxide powder (rutile, TU 6-09-2166-72), which corresponds to the ratio (wt.%): hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 - 85 ; titanium dioxide TiO 2 (rutile) - 15. Placed in a mill and brought to homogeneity. The resulting powder mixture is pressed into blanks (tablets) at a pressure of 30 MPa. Then the obtained workpieces are placed in a muffle furnace and subjected to heat treatment at a temperature of 1000°C for 1 hour. The result is a composite material (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 -TiO 2, in the form of a dense fine-grained durable material, characterized by a microhardness of 311 MPa with particles of titanium dioxide TiO 2 with a size of not more than 0.5 μm, distributed evenly throughout the volume of the hydroxyapatite matrix.
Пример 2. Берут 90 грамм порошка гидроксиапатита, 10 грамм порошка диоксида титана (рутил, ТУ 6-09-2166-72), что соответствует соотношению (мас.%): гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2 - 90; диоксид титана TiO2 (рутил) - 10. Помещают в мельницу и доводят до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 25 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 1010°С в течение 0.5 часа. В результате получают композиционный материал (Ca10(PO4)6(OH)2-TiO2, в виде плотного мелкозернистого прочного материала, характеризующегося микротвердостью 318 МПа с частицами диоксида титана TiO2 размером не более 0,5 мкм, распределенные равномерно по всему объему матрицы из гидроксиапатита.Example 2. Take 90 grams of hydroxyapatite powder, 10 grams of titanium dioxide powder (rutile, TU 6-09-2166-72), which corresponds to the ratio (wt.%): hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 - 90 ; titanium dioxide TiO 2 (rutile) - 10. Placed in a mill and brought to homogeneity. The resulting powder mixture is pressed into blanks (tablets) at a pressure of 25 MPa. Then the blanks obtained are placed in a muffle furnace and subjected to heat treatment at a temperature of 1010°C for 0.5 hours. The result is a composite material (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 -TiO 2 , in the form of a dense fine-grained durable material, characterized by a microhardness of 318 MPa with particles of titanium dioxide TiO 2 with a size of not more than 0.5 μm, distributed evenly throughout the volume of the hydroxyapatite matrix.
Пример 3. Берут 85 грамм порошка гидроксиапатита, 15 грамм порошка нестехиометрического диоксида титана (полученного путем окисления металлического титана на воздухе при температуре 600°С, имеющего темно-серый цвет), что соответствует соотношению (мас. %): гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2 - 85; нестехиометрический диоксид титана TiO1,9 (рутил) - - 15. Помещают в мельницу и доводят до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 25 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 1000°С в течение 1 часа. В результате получают композиционный материал (Ca10(PO4)6(OH)2-TiO2, в виде плотного мелкозернистого прочного материала, характеризующегося микротвердостью 342 МПа с частицами диоксида титана TiO2 размером не более 0,5 мкм, распределенные равномерно по всему объему матрицы из гидроксиапатита.Example 3. Take 85 grams of hydroxyapatite powder, 15 grams of non-stoichiometric titanium dioxide powder (obtained by oxidation of titanium metal in air at a temperature of 600°C, having a dark gray color), which corresponds to the ratio (wt.%): hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 - 85; non-stoichiometric titanium dioxide TiO 1.9 (rutile) - - 15. Placed in a mill and brought to homogeneity. The resulting powder mixture is pressed into blanks (tablets) at a pressure of 25 MPa. Then the obtained workpieces are placed in a muffle furnace and subjected to heat treatment at a temperature of 1000°C for 1 hour. The result is a composite material (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 -TiO 2, in the form of a dense fine-grained durable material, characterized by a microhardness of 342 MPa with particles of titanium dioxide TiO 2 with a size of not more than 0.5 μm, distributed evenly throughout the volume of the hydroxyapatite matrix.
Пример 4. Берут 90 грамм порошка гидроксиапатита, 10 грамм порошка нестехиометрического диоксида титана (полученного путем окисления металлического титана на воздухе при температуре 800°С, имеющего темно-серый цвет), что соответствует соотношению (мас. %): гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2 - 90; нестехиометрический диоксид титана TiO1,9 (рутил) - - 10. Помещают в мельницу и доводят до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 20 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают термообработке при температуре 1010°С в течение 0,5 часа. В результате получают композиционный материал (Ca10(PO4)6(OH)2-TiO2, в виде плотного мелкозернистого прочного материала, характеризующегося микротвердостью 329 МПа с частицами диоксида титана TiO2 размером не более 0,5 мкм, распределенные равномерно по всему объему матрицы из гидроксиапатита.Example 4. Take 90 grams of hydroxyapatite powder, 10 grams of non-stoichiometric titanium dioxide powder (obtained by oxidizing titanium metal in air at a temperature of 800°C, having a dark gray color), which corresponds to the ratio (wt.%): hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 - 90; non-stoichiometric titanium dioxide TiO 1.9 (rutile) - - 10. Placed in a mill and brought to homogeneity. The resulting powder mixture is pressed into blanks (tablets) at a pressure of 20 MPa. Then the obtained workpieces are placed in a muffle furnace and subjected to heat treatment at a temperature of 1010°C for 0.5 hours. The result is a composite material (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 -TiO 2, in the form of a dense fine-grained durable material, characterized by a microhardness of 329 MPa with particles of titanium dioxide TiO 2 with a size of not more than 0.5 μm, distributed evenly throughout the volume of the hydroxyapatite matrix.
Таким образом, авторами предлагается биомедицинский материал, обладающий повышенной механической твердостью наряду с сохранением высокой биосовместимости с костной тканью.Thus, the authors propose a biomedical material with increased mechanical hardness along with high biocompatibility with bone tissue.
Claims (5)
диоксид титана TiO1,9 (рутил) titanium dioxide TiO 2 (rutile) or non-stoichiometric
titanium dioxide TiO 1.9 (rutile)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2782925C1 true RU2782925C1 (en) | 2022-11-07 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2816008C1 (en) * | 2023-07-24 | 2024-03-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук | Composite biomaterial based on hydroxyapatite and method for production thereof |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1990011979A1 (en) * | 1989-04-10 | 1990-10-18 | Stiftelsen Centrum För Dentalteknik Och Biomaterial I Huddinge | Composite ceramic material and method to manufacture the material |
| KR20040001325A (en) * | 2002-06-27 | 2004-01-07 | 김현이 | Ceramic composite implant and manufacturing method thereof |
| RU2227011C2 (en) * | 1998-10-02 | 2004-04-20 | Докса Актиеболаг | Biologically active composite material and method for its preparing |
| CN106474540A (en) * | 2015-03-31 | 2017-03-08 | 陈国栋 | The bone repair preparation method of hydroxyapatite/Ti acid sodium composite boilogical ceramic |
| CN109701082A (en) * | 2019-02-22 | 2019-05-03 | 九江学院 | A kind of preparation method and application of hydroxyapatite-titanium hydroxide composite granule |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1990011979A1 (en) * | 1989-04-10 | 1990-10-18 | Stiftelsen Centrum För Dentalteknik Och Biomaterial I Huddinge | Composite ceramic material and method to manufacture the material |
| RU2227011C2 (en) * | 1998-10-02 | 2004-04-20 | Докса Актиеболаг | Biologically active composite material and method for its preparing |
| KR20040001325A (en) * | 2002-06-27 | 2004-01-07 | 김현이 | Ceramic composite implant and manufacturing method thereof |
| CN106474540A (en) * | 2015-03-31 | 2017-03-08 | 陈国栋 | The bone repair preparation method of hydroxyapatite/Ti acid sodium composite boilogical ceramic |
| CN109701082A (en) * | 2019-02-22 | 2019-05-03 | 九江学院 | A kind of preparation method and application of hydroxyapatite-titanium hydroxide composite granule |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| РЕМПЕЛЬ С.В. и др. Разработка биоматериала на основе нанокомпозита ГАП/TiOy с разной стехиометрией. Письма о материалах, 2017, Т. 7, N. 2, с. 170-174. MARTINEZA C. et al. Natural Hydroxyapatite -Ti-Dioxide Bone Substitutes. Procedia Materials Science, 2015,V. 8, pp. 324-331, [онлайн], [найдено 30.08.2022]. Найдено из Интернет: https://doi.org/10.1016/j.mspro.2015.04.080. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2816008C1 (en) * | 2023-07-24 | 2024-03-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук | Composite biomaterial based on hydroxyapatite and method for production thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6280789B1 (en) | Process for preparation of hydroxyapatite coatings | |
| Piveteau et al. | Thin films of calcium phosphate and titanium dioxide by a sol-gel route: a new method for coating medical implants | |
| US9517293B2 (en) | Tricalcium phosphates, their composites, implants incorporating them, and methods for their production | |
| Batebi et al. | Characterization of sol-gel derived silver/fluor-hydroxyapatite composite coatings on titanium substrate | |
| Yuan et al. | Synthesis and characterization of Cerium-doped hydroxyapatite/polylactic acid composite coatings on metal substrates | |
| US4794023A (en) | Process for producing a calcium phosphate compound coated composite material | |
| US7351433B2 (en) | Method for producing polymeric sol of calcium phosphate compound and method for coating the same on a metal implant | |
| De Bonis et al. | Pulsed laser deposition temperature effects on strontium-substituted hydroxyapatite thin films for biomedical implants | |
| Hu et al. | Microstructure evolution, mechanical properties, and enhanced bioactivity of Ti-13Nb-13Zr based calcium pyrophosphate composites for biomedical applications | |
| Foroutan et al. | Mesoporous strontium-doped phosphate-based sol-gel glasses for biomedical applications | |
| Khodaei et al. | Controlled gentamicin-strontium release as a dual action bone agent: combination of the porous titanium scaffold and biodegradable polymers | |
| Farrahnoor et al. | Effects of hydroxyapatite addition on the bioactivity of Ti-Nb alloy matrix composite fabricated via powder metallurgy process | |
| Ahmadi et al. | (BaCa) TiO3 nanopowder: Synthesis and their electrical and biological characteristics | |
| Ricci et al. | Anodic growth and pre-calcification on β-Ti-40Nb alloy: Effects on elastic modulus, electrochemical properties, and bioactivity | |
| RU2782925C1 (en) | Biomedical material based on hydroxyapatite and method for its production | |
| Gemelli et al. | Microstructural study of a titanium-based biocomposite produced by the powder metallurgy process with TiH2 and nanometric β-TCP powders | |
| Sarkar et al. | Preparation of ex-situ mixed sintered biphasic calcium phosphate ceramics from its Co-precipitated precursors and their characterization | |
| Kim et al. | Progress and perspectives of metal-ion-substituted hydroxyapatite for bone tissue engineering: comparison with hydroxyapatite | |
| Cai et al. | Fabrication of hydroxyapatite/tantalum composites by pressureless sintering in different atmosphere | |
| JP2007202782A (en) | Biological material and method of manufacturing the same | |
| Zdrenþu et al. | Biocompatibility of hydroxyl-apatite thin films obtained by pulsed laser deposition | |
| Medkov et al. | Obtaining bioactive glasses by the pyrolysis of organic solutions | |
| RU2652429C1 (en) | Bioresorbable material and method for producing thereof | |
| RU2816008C1 (en) | Composite biomaterial based on hydroxyapatite and method for production thereof | |
| Gemelli et al. | Development of composites for dental implants obtained by ultrasonic mixture of TiH 2 powder and colloidal calcium phosphate |