Двойные фосфаты Ca(3-x)M2x(PO4)2 (M=Na, K) как основа макропористой биокерамики со специальной архитектурой тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.21 ВАК РФ

ЕВДОКИМОВ ПАВЕЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

ДВОЙНЫЕ ФОСФАТЫ Са(31)М21(Р04)2 К) КАК ОСНОВА

МАКРОПОРИСТОЙ БИОКЕРАМИКИ СО СПЕЦИАЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ

02.00.21 - химия твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

15 О 2015

Москва-2014

005557172

005557172

Работа выполнена на кафедре междисциплинарного материаловедения факультета наук о материалах и в лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии химического факультета федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"

Научный руководитель: Кандидат химических наук

Путляев Валерий Иванович

Официальные оппоненты: Кецко Валерий Александрович

Доктор химических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. НС. Курнакова Российской академии наук, заведующий ЦКП физическими методами исследования веществ и материалов

Фадеева Инна Вилоровна

Кандидат химических наук,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт металлургии и материаловедения имени A.A. Байкова РАН", ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учрезадение высшего

профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева» (РХТУ им. Д.И. Менделеева)

Защита состоится 23 января 2015 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 501.002.05 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, дом 1, МГУ, Лабораторный корпус Б (строение 73), факультет наук о материалах, ауд.235.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Фундаментальной библиотеки МГУ имени М.В.Ломоносова: 119234, г. Москва, ГСП-1, Ломоносовский пр., д. 27.

Автореферат размещён в сети интернет на официальных сайтах ВАК Министерства образования и науки РФ http://vak.eu.gov.ru/ и факультета наук о материалах Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова ЬИр://\уилу. frim.msu.ru/

Автореферат разослан: Y^'

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.002.05, кандидат химических наук,

Сфеис*'"*-

Еремина Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Биоматериалы призваны восстановить утраченные функции организма самостоятельно или в комбинации с другими материалами и конструкциями. Одним из важных направлений в этой области является разработка материалов для остеопластики (костных имплантатов), которые предназначены для замены или лечения поврежденной костной ткани. Потребности отечественного здравоохранения в костных имплантатах достигают 200 тысяч единиц в год; при этом согласно общемировому прогнозу к 2020 г. не менее 70 млн. чел. ежегодно будут испытывать острую необходимость в подобных материалах. Успешная интеграция искусственного материала в функционирующую костную ткань требует химической, биологической и механической совместимости. Объединение этих требований в рамках конкретного материала представляет собой сложную междисциплинарную задачу.

Важнейшими характеристиками такого рода материалов, помимо естественного требования биосовместимости, являются 1) способность к резорбции, которая коррелирует с растворимостью материалов в слабокислых и нейтральных средах, 2) остеокондуктивность (или остеопроводимость) - способность материала обеспечивать проходимость биологических потоков, прорастание в имплантат кровеносных сосудов (васкуляризация), адгезию и связывание остеогенных клеток; эти характеристики коррелирует с физической проницаемостью пористого тела.

В материаловедческом аспекте это диктует вполне определенные требования к химическому составу. Традиционно применяемая керамика из гидроксиапатита -Са,о(Р04)6(ОН)2 (ГА), - практически не подвергается деградации в организме. Вместе с тем процесс интеграции (прорастания) костной ткани в такой имплантат затруднен. Связано это с крайне низкой растворимостью (биорезорбируемостью) ГА в растворных средах организма. Улучшение резорбционных свойств наблюдают у керамики, приготовленной из трикальцийфосфата Р-Саз(Р04)2 (ß-ТКФ) или композитов ГА/ТКФ. Повышение предела и скорости резорбируемости связано с уменьшением отношения Са/Р в материале имплантата или с переходом к кальцийфосфатным соединениям, кристаллическая решетка которых менее устойчива, чем у ГА. Такими соединениями могут быть, например, двойные фосфаты типа Саз_хМ2х(Р04)2 (M=Na, К) с ренанитоподобной структурой, априори менее прочной, чем ГА. Дополнительным инструментом варьирования резорбционных свойств является изменение состава: при увеличении х, уменьшается отношение Са/Р.

Остеокондуктивные свойства определяются наличием связной системы макропор (размером не менее 100 мкм). При этом керамический каркас, обрамляющий макропоры, должен обладать определенной архитектурой, позволяющей при заданной доле пор: а) максимизировать проницаемость; б) максимизировать механические характеристики, такие как прочность, жесткость; в) формировать поверхность, к которой могли бы прикрепляться, а затем делиться и дифференцироваться клетки остеогенного типа. Проектирование архитектуры каркаса и ее реализация в виде пористого керамического материала с заданной микроструктурой и фазовым составом составляют инженерный аспект настоящей работы.

Целью настоящей работы является разработка методов получения остеокондуктивных материалов, предназначенных для замены костных тканей,

обладающих повышенным уровнем резорбции по сравнению с ГА и ТКФ. В качестве таковых предложено использовать двойные фосфаты кальция и натрия общей формулой Са(3.х)М2х(Р04)2 (x=(Rl, M=Na, К) со структурой ß-ТКФ (х<0.15) и ß-CaNaP04 (х=1) в качестве компонентов керамики или многофазных композитов. Стратегия повышения резорбируемости (а точнее одного из существенных компонентов этой функции — растворимости в водных растворах), принятая в работе, основана на уменьшении энергии решетки вследствие замены катиона Са2+ на крупный однозарядный катион щелочного металла; при этом по мере замещения происходит смена структурного типа a/ß-ТКФ—► a/ß- СаМР04(ренанит).

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать процессы фазообразования и установить фазовые отношения в субсолидусной области квазибинарных разрезов Са3(Р04)2 - СаМР04 систем СаО - М20 - Р205 (где M=Na, К).

2. Определить условия синтеза (исходные реагенты, температура, время) двойных фосфатов кальция и натрия с общей формулой Са(з.х)М2х(Р04)2 (х=0-Ч, M=Na, К), исходя из полученных данных о фазообразовании и кинетики твердофазных реакций в указанных системах.

3. Получить керамические материалы на основе Са(з_х)М2х(Р04)2 (х=0-И, M=Na, К). Оценить влияние полиморфного превращения на возможность получения прочной керамики и на ее резорбируемость.

4. Разработать способы получения макропористой остеокондуктивной керамики со специальной архитектурой методами трехмерной (3D-) печати, в том числе:

— сформулировать состав и условия подготовки высококонцентрированных суспензий (ВКС), используемых для различных вариантов прототипирования;

— апробировать два варианта прототипирования - инвертированной и прямой 3 D-псчати; выбрать лучший вариант с точки зрения разрешения и прочности конечной керамики;

— определить условия термообработки моделей после печати для получения прочного керамического имплантата.

5. Оценить резорбируемость избранных составов керамики Са(з.х)М2х(Р04)2 в растворной среде при различных значениях pH.

6. Провести прочностные испытания макропористых имплантатов и выборочные медико-биологические испытания.

Научная новизна данной работы состоит в следующих положениях:

1. Впервые показано, что основные отличия системы Са3(Р04)2 - СаКР04 от Са3(Р04)2 -CaNaP04 заключаются в смещении нонвариантных равновесий в область более высоких температур, в замедлении фазовых превращений, а также в отличной от натриевого аналога структуре низкотемпературной ß-CaKP04.

2. Замедление фазового превращения a/ß-ренанит в материалах на основе Са(з_Х)М2х(Р04)2 с Са/М > 1 позволяет стабилизировать высокотемпературную фазу a-ренанита и снизить растрескивание керамики.

3. Методами ЗР-псчати впервые получены образцы макропористой керамики на основе двойных фосфатов кальция и щелочных металлов с архитектурой Кельвина, обеспечивающей остеокондуктивность.

4. Керамика, содержащая фазы на основе а-СаМРО^ обладает высокой растворимостью, что подтверждает принятую в работе стратегию повышения резорбируемости вследствие снижения энергии кристаллической решетки (увеличения мольного объема).

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Предложены методики твердофазного синтеза двойных фосфатов кальция и щелочных металлов с указанием исходных веществ, температуры и времени синтеза.

2. Определены основные параметры процесса стереолитографии кальцийфосфатных суспензий, который позволил создать керамические имплантаты с заданным размером макропор (от 50 мкм), общей пористостью 70-80% и достаточной механической прочностью (до 10 МПа).

3. Разработанные материалы состава Са(з.х)М2Х(Р04)2 (х=0-И, для М=Ыа и х=0-Ю,7 для М=К) являются биосовместимыми с культурой клеток фибробластов человека и могут быть использованы в работах по тканевой инженерии в качестве керамических матриксов.

Личный вклад автора в защищаемую работу заключается в критическом обзоре литературных данных, синтезе всех использованных в работе составов и приготовлении образцов для исследований, самостоятельном проведении всех термоаналитических, дифракционных и электронномикроскопических исследований, ионометрии растворов и, частично, высокотемпературного рентгенографического эксперимента, а также анализе и обработке экспериментальных данных, обобщении и систематизации результатов.

Представленная работа - часть плановых исследований биоматериалов, проводимых на кафедре междисциплинарного материаловедения Факультета наук о материалах МГУ и кафедре неорганической химии Химического факультета МГУ в рамках приоритетной научной темы "Создание новых типов функциональных материалов". Работа выполнена в лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии Химического факультета МГУ. Представленные в работе результаты является частью исследований, проведенных в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы" (мероприятие 1.2.2, государственный контракт № 14.740.11.0277) и при поддержке грантов РФФИ 10-03-00866, 11-08-01015а, 11-03-12179-офи-м-2011, 12-03-01025, 12-08-00681-а, 12-08-33125, 14-08-31699 и РНФ 14-1900752. При выполнении работы было использовано оборудование, приобретенное за счет средств программы развития Московского университета.

Публикации и апробация работы. По теме работы имеется 16 публикаций, включая 3 статьи в российских журналах и 1 патент. Отдельные части работы представлены на 12 конференциях в виде устных и стендовых докладов, в том числе на XII международной конференции по наноструктурированным материалам «ЫАЫО-2014» (Москва, 2014), XXI и XX международных конференцях молодых ученых «Ломоносов» (Москва - 2013, 2014), китайско-российском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Куньмин, Китай, 2013), V всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2013» (Звенигород,

2013), международной конференции по калориметрии и термическому анализу «СТЕС2012» (Лион, Франция, 2012), 4ом международном симпозиуме по структуре и свойствам в твердом теле «8Р88М4» (Бордо, Франция, 2012), международной конференции «Исследование материалов с использованием методов термического анализа, калориметрии и сорбции газа» (Санкт-Петербург, 2012), XI конференции молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии: наноматериалы, их исследование и модификация при помощи синхротронного излучения» (Звенигород, 2011), IX международном курнаковском совещании по физико-химическому анализу (Пермь, 2010), всероссийском совещании «Биоматериалы в медицине» (Москва, 2009), всероссийской конференции «Нанотехнологии в онкологии 2009» (Москва, 2009).

Структура работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, иллюстрирована 131 рисунком и 19 таблицами, а также содержит приложения. Список цитируемой литературы содержит 138 ссылок. Работа состоит из 8 глав, включая список используемых обозначений, введение, литературный обзор, экспериментальную часть (описание методов синтеза и исследования материалов), обсуждение результатов, выводы, а также список литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи, показаны научная новизна и практическая значимость работы, описаны основные этапы исследования.

В первой главе, посвященной литературному обзору, рассмотрены состав, структура и свойства костной ткани. Описаны физико-химические и кристаллохимические свойства различных фосфатов кальция. В обзоре приводятся основные методы синтеза фосфатов кальция. Рассмотрены различные методы получения макропористой керамики, в том числе подходы с использованием различных технологий трехмерной печати для создания керамических материалов с заданной архитектурой; подробно разобраны преимущества и недостатки каждого метода. Отдельно рассмотрен вопрос о выборе оптимальной архитектуры остеокондуктивной керамики и различные подходы к его решению. В заключительном разделе обзора обсуждены методы оценки биоактивности материалов.

Экспериментальная часть содержит описание основных методик, использованных в работе.

Синтез двойных смешанных фосфатов кальция и щелочных металлов осуществляли твердофазным методом, согласно следующим реакциям:

Са2Р207 + (1-х)СаС03 + хМ2С03 Са<3.х)М2х(Р04)2 + С02, (1)

Са2Р207 + (1-х)СаС03+ 2хМС1 + хН20 Са<з.х)М2х(Р04)2 + 2хНС1 + (1-х)С02. (2)

Гомогенизацию прекурсоров проводили в шаровой мельнице планетарного типа, после чего полученные смеси подвергались температурной обработке.

Плотные керамические образцы получали одноосным односторонним прессованием. Прессовки отжигали при различных температурах (900-1400 °С). Для получения макропористой керамики с двумя модами пор использовали метод репликации пенополиуретана (ППУ) и два метода трехмерной печати.

Для создания макропористой керамики на основе Са(3_х)М2х(Р04)2 (М=№,К) с заданной архитектурой использовали подходы с применением двух технологий

трехмерной печати: термоэкструзионную печать (FFF- Fused Filament Fabrication) и стереолитографию (SLA- Stereolithography).

Методы исследования образцов: Рентгенографические исследования проводили на дифрактометре Rigaku D/Max-2500 с вращающимся анодом (Япония). Съёмку проводили в режиме на отражение с использованием Си Кср. излучения в интервале углов 20 = 3-70°. Индицирование рентгенограмм проводили с использованием открытого программного обеспечения CRYSFIRE 2004. Оценку количественного состава смеси проводили с использованием корундовых чисел 1/1с. Рентгенографические эксперименты при температурах от 50 до 1250 °С проводили in-situ с использованием приставки HT-1500.

Электронномикроскопические исследования образцов проводили на растровых электронных микроскопах с автоэмиссионными источниками LEO SUPRA 50VP и NVision 40 (Carl Zeiss, Германия). Рентгеноспектральный микроанализ проводили с использованием системы энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 300 (Oxford Instruments, Великобритания).

ИК-спектры поглощения образцов регистрировали на спектрометре Spectrum One (Perkin Elmer, США) в диапазоне 350-4000 см"1 с шагом сканирования 1 см"1.

Дифференциально-термический (ДТА) и термогравиметрический (ТГ) анализ образцов проводили с использованием синхронного термоанализатора с вертикальной загрузкой образцов STA 409 PC Luxx (Netzsch, Германия). Для исследования отходящих газов использовали квадрупольный масс-спектрометр Aëolos QMS 403 С (Netzsch, Германия).

Дилатометрические измерения прессованных образцов проводили в политермическом режиме до Т = 1100°С со скоростью нагрева 57мин в горизонтальном дилатометре DIL 402 С (Netzsch, Германия).

Критическую энергию и глубину полимеризации в процессе стереолитографии определяли из калибровочной зависимости глубины полимеризации от дозы облучения; измерения дозы проводили с помощью УФ-радиометра Photex Р-420 (Техэконт, Россия).

Механические испытания образцов на сжатие при комнатной температуре проводили по ГОСТ 8462-85 и ГОСТ 25.503-97 со скоростью 1 мм/мин, из расчета 5 образцов на точку на разрывной испытательной электромеханической машине Instron 5848 (Instron, США).1

Скорости растворения керамики и порошков на основе Ca|3.x)\Î2X(P04)2 (M=Na,K) исследовали в модельных средах при различных pH с использованием автоматического титратора Titration Excellence Т50 (Mettler Toledo, Швейцария).

Исследование цитотоксичности плотных керамических образцов проводили с использованием вытяжек и самих материалов согласно требованиям ГОСТ Р ИСО 10993.599 и ГОСТ Р ИСО 10993.12-99. Оценку жизнеспособности клеток проводили с помощью колориметрического МТТ-теста.2

Для oi/енки цитосовместимости керамических образцов с заданной архитектурой в качестве тест-культуры использовали клеточную линию иммортализованных

1 Испытания проведены совместно с к.т.н. Д.В. Просвирниным (ИМЕТ РАН)

2 Испытания in vitro проведены совместно с к.ф.-м.н. И.И. Селезневой (ИТЭБ РАН, г. Пущино)

фибробластов кожи человека (ФЧ) штамма 1608 h TERT. Жизнеспособность ФЧ в динамике эксперимента оценивали с помощью МТТ-теста.

Для исследования биосовместимости образцов биоматериалов с заданной архитектурой в экспериментах in vivo использовали модель подкожной имплантации мышам линии BDF1. Окраску гистологических срезов осуществляли гематоксилин-эозином. 3

Термодинамические расчеты. Энергию Гиббса растворения индивидуальных фаз Са(3_ х)М2х(Р04)2 В воде находили как AG°29S(pacTB) = ДЯ°298(Раств) - 298AS0298(раств)- Энтальпийный и энтропийный вклады определяли как суммы величин двух последовательных процессов: 1) разрушения кристаллической решетки до газообразных ионов и 2) гидратации газообразных ионов. Абсолютная энтропия соединения была рассчитана по соотношению, предложенному Дженкинсом и Глассером [1], исходя из его мольного объема Vm , рассчитанного из рентгенографических данных. Энтальпию кристаллической решетки вычисляли по схеме, предложенной Глассером и Дженкинсом, на основании обобщенного уравнения Капустинского[2]. При дополнительной подгонке параметров модели ошибка расчета не превышала 5%.

В следующей главе представлено обсуждение полученных результатов.

Синтез Ca^.xjM2х(POJ2 (M=Na или К)

Исследование кинетики реакций (1,2) показало, что обжиг при температуре 900°С позволяет получать двойные фосфаты без повторного измельчения и обжига реакционной смеси.

Полиморфизм Са3(Р04)2

ТКФ обладает тремя полиморфными модификациями - р, а, а'. В работе показано, что переход В—>а является заторможенным реконструктивным переходом 1-го рода с ДН= 6,8 кДж/моль (рис. 1) и Л VI(•'= +4,5%, превращение начинается при 1183°С, для его полного протекания требуется обжиг при 1400°С в течение 1 ч. При обратном переходе величины переохлаждения могут превышать 300°С. Это позволяет получить высокотемпературную

Рис. 1. Данные ДТА полученные при нагреве и Рис. 2. ТТТ- диаграмма а—►р превращения в охлаждении ТКФ со скоростью 5°/мин. Са3(Р04)2; изолинии, соответствуют степеням

превращения 10 и 50%; красный пунктир -критический режим охлаждения (:-5°/мин)

^ Биологические испытания макропористых керамик in vitro и in vivo проведены проф., д.б.н. Н.С. Сергеевой (МНИО им. П. А.Герцена)

Переход а—>а' относится к быстрым деформационным переходам 1-го рода с АН= 10,73 кДж/моль, переход начинается при 1455°С и практически не демонстрирует температурного гистерезиса, что следует из полученных данных ДТА. Это исключает возможность получения а'-Са3(Р04)2 даже при закалке.

Полиморфизм СаЫаРО4

Рентгенограммы а-СаЫаР04 были проиндицированы в гексагональной ячейке (предполагаемая пространственная группа РЗт 1 с параметрами элементарной ячейки а=5,23А, с=7,24А). Исходя из порошковой рентгенограммы р-СаЫаР04, были получены следующие кристаллографические характеристики: параметры а'=20,378(3), ¿>'=5,406(1) и с'=9,155(5)А; кристаллическая структура может быть описана в пространственной группе Рп2{а. Между размерами ячеек обеих модификаций можно установить следующую взаимосвязь: о' = 3с, 6' = а, с' = -Л а, которая отражает направление осей в гексагональной и ортогексагональной системах координат, а также упорядочение вдоль инверсионной оси 3-го порядка (утроение параметра ячейки). Последнее связано с тремя различными ориентациями фосфатных тетраэдров в катион-анионных колонках глазеритной структуры. По данным ДТА температура перехода р/а-СаЫаР04 составляет Т=680°С, причем данный переход сопровождается резким эндотермическим эффектом при нагреве (Д//р/а=8,22±0,16 кДж/моль), температурного гистерезиса не наблюдается. По данным дилатометрии было показано, что переход р—мх СаМаР04 сопровождается положительным объемным эффектом Д У/У= +6%, высоко-температурная рентгенография дает сходную оценку &У/У= +5,6 % . Быстрый переход 1-го рода а/р-Са\'аР04 носит деформационный характер и связан с небольшими (меньше межатомных расстояний) кооперативными смещениями атомов в катион-анионных колонках структуры глазерита и, главным образом, с поворотами фосфатных тетраэдров. Изменение объема создает (по нашей оценке) механические напряжения порядка 600 МПа, что приводит к интенсивному растрескиванию компактного материала.

Полиморфизм СаКР04

В работе показано, что фаза а-СаКР04 (РЗт 1, «=5,615(1), с=7,725(1) А) изоструктурна ct-CaNaP04. Субъячейка р~СаКР04 была описана нами как моноклинная (о=5,492(4), 6=9,603(2), с=16,245(5) А, (3=68,9(1)°), однако значительная часть сверхструктурных отражений, по-видимому, несоразмерна субъячейке.

Переход р/а-СаКР04 явно имеет более сложную природу в сравнении с аналогичным переходом в натриевой системе. По данным проведенного ДТА переход р/а-СаКР04 происходит в диапазоне 660-860 °С (по данным высокотемпературного РФА около 675±25°С), АН- 2,8 кДж/моль; причем и сам эффект, и его значение воспроизводятся плохо. По данным дилатометрии переход р—»а СаКР04 сопровождается объемным эффектом ДК/Кне более 2%.

Фазовые равновесия Са3(Р04)2-СаМаР04 и Са3(Р04)2-СаКР04

Основное сходство систем Са3(Р04)2 - СаКР04 (рис. 3) с Са3(Р04)2 - СаЫаР04 (рис. 4) заключаются в том, что:

1. Фазы «А» и «В» являются упорядоченными твердыми растворами на основе а-СаМР04 со сверхструктурой 2x3, структурными аналогами нагельшмидтита А?(Х04)(У04)2; т.е. с учетом глазеритного мотива разбиения на катионные { } и

катион-анионные [ ]колонки - {Са4}[Са1+х/2 М2 хп,+х/,

(Р04)4]

Превращения а/р-СаМР04 - относительно быстрые деформационные переходы 1-го рода.

Основные отличия системы Са3(Р04)2 - СаКР04 (рис. 3) от Са3(Р04)2 - СаЫаР04 (рис.

4) заключаются в:

1. отличной от натриевого аналога структуре низкотемпературной р-СаКР04, вследствие чего превращение а —> р сопровождается меньшим изменением мольного объема, чем у натриевого аналога;

2. замедлении фазовых превращений вследствие меньшей диффузионной подвижности катиона калия, приводящему, в частности, и к появлению полиморфизма у промежуточной фазы упорядоченного твердого раствора на основе а-СаКР04;

3. наличии фазы «X» (Са8К2(Р04)6п2) со структурой апатита с пустыми каналами.

1400

1200

юоо

800

Р-ТКФ + а-СаКРО/

11111 I—■ I I—I-

1200

800

600

Са,(РО(), 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 СаКРО,

Са,(1'04>:

Рис. 3. Фазовая диаграмма системы Са3(Р04)2- Рис. 4. Фазовая диаграмма системы Са3(Р04)2-

СаКР04 с нанесенными данными ДТА (красные СаКаР04 с нанесенными данными ДТА (красные

точки) и высокотемпературного РФА (синие точки) и высокотемпературного РФА (синие

отрезки, обозначающие температурный диапазон, в отрезки, обозначающие температурный диапазон, в

котором наблюдалось фазовое превращение, концы котором наблюдалось фазовое превращение, концы

отрезков - температуры проведения Т-РФА). отрезков - температуры проведения Т-РФА).

Сплошные линии - данные Андо [3].

Фаза «X» была описана нами в рамках пространственной группы Р63//и (а= 9,458(1) А, с= 7,033(5) А). Полученные размеры и тип симметрии элементарной ячейки, а также запись формулы фазы «X» - Са{б.у)КхСа(2,У|К(2-у|(Р04)6П2 (приводя состав Са(3.Х)К2Х(Р04)2 с х= 0,33 к целочисленным индексам), позволяют предположить, что фаза «X» имеет сходную с апатитом структуру, в которой каналы, составленные катионами в позиции II (6И), являются пустыми. По данным ИК- спектроскопии, никаких характерных колебаний для ОН-группы (при = 630 и 3570 см"1) не было обнаружено, что косвенно свидетельствует об отсутствии молекул воды и, следовательно, о незаполненном канале в структуре апатита.

ю

Термодинамическая оценка растворимости основных кристаллических фаз в системах Са3(Р04)2 ~ Са1ЧаР04 и Са3(Р04)2 - СаКР04

Имеющиеся данные о кристаллических фазах в исследуемых системах и значения объемов их элементарных ячеек позволили сделать термодинамическую оценку растворимости с целью прогноза их резорбционных свойств. Очевидно, что увеличение содержания щелочных металлов действительно позволяет значительно понизить энергию кристаллической решетки соответствующих соединений. При этом уменьшается энтальпия гидратации, поскольку однозарядные катионы гидратируются хуже двухзарядного катиона кальция. Было показано, что наименьшее значение энтальпии растворения достигается как раз для среднего состава - фаза «А» (Са5№2(Р04)2). Таким образом, безусловно растворимыми следует считать фазы а-Са№Р04, «А», а-СаКР04 и Р-СаКР04. Фаза X, как и другие апатитные фазы, обладает довольно высокими значениями энергии кристаллической решетки и, потому, довольно низкой в сравнении с другими фазами калиевой системы растворимостью. Исходя из значений энергии Гиббса растворения, рассматриваемые фазы можно ранжировать по их растворимости в воде следующим образом:

ГА < р-ТКФ < сс-ТКФ < р-СаМаР04 < Х(=Са8К2(Р04)6)< а-СаЫаР04< р-СаКР04 < < А (=Са5"Ыа2(Р04)4) < а-СаКР04

Плотная керамика на основе Са(;_х)М2х(Р04), (М=Ыа, К)

Влияние химического и фазового состава образцов на механические характеристики и растворимость было изучено на модельных образцах пло+ной керамики. Было показано, что в области составов х=0,3 и 0,4 почти не происходит усадки в процессе спекания (рис. 5).

0,0 0,1 0.2 0.3 0,4 0.5 0.6 0.7 0.8 0,9 1,0

X в Са(,, К2>(Р04),

800 1000 1200 Температура ("С)

Рис. 5. Зависимость плотности керамических Рис. 6. Данные дилатометрии для компактного

материалов на основе (1-х)Са,(Р04)2 + хСаКР04 до образца фазы Са^.^КгхСРСУг, где х=0,4. (черные квадраты) и после (красные точки) спекания в зависимости от состава.

Это связано с большим количеством фазовых превращений (рис. 6) с изменением объема, что приводит к дополнительному образованию большого количества трещин.

Экстремальный ход зависимости прочности и трещиностойкости от состава коррелирует с плотностью керамик, хотя не может быть полностью объяснен только различной плотностью. Следует отметить, что микрорастрескивание наблюдается практически во всех полученных образцах вследствие анизотропии изменения размеров

при переходе |3/а в СаКаР04, тем не менее, это не приводит к спонтанному разрушению керамик, а образцы с х=0,6-;-0,8 демонстрируют прочность на изгиб не менее 10 МПа.

Распространение трещины в керамиках связано с особенностями их микроструктуры (рис. 7). Различные этапы травления шлифов керамик (в процессе моделирования их резорбции в средах с различным рН) выявляют ламелярную структуру вследствие фазовых превращений.

Рис. 7. Микроструктура образцов керамик Са^Каг^РОЛ, где х=0.4, после опытов по растворению в: а) трис-буфере с рН=7,4; о) воде с рН=6,5.

Растворение керамических образцов. Твердые растворы на основе высокотемпературного ренанита а-СаМР04 являются перспективным компонентом для создания резорбируемой биокерамики на его основе; значение рН водной суспензии (близкое к 8) является приемлемым для рекомендации подобных материалов к дальнейшим медико-биологическим испытаниям.

Рис. 8. Микроструктура (а) керамического образца на основе Са^К, „(Р04)2 с данными РСМА (б). Керамика подвергнута травлению раствором лимонной кислоты (10 сек, рН=5). Красный график соответствует содержанию калия, зеленый — кальций, синий - фосфор. Фаза, соответствующая углубленной части образца (темные участки), имеет отношение Са/К выше, чем более высокая поверхность, причем у выступающей фазы соотношение Са/К = 4, что соответствует Са8К2(Р04)2 (фаза X).

Разработанные материалы представляют собой бифазные композиты, содержащие высокорезорбируемую фазу а-СаМР04 (а в случае натриевой системы и ее упорядоченный вариант - фазу А(=Са5На2(Р04)4); уровень растворимости этих фаз превышает таковой для СаНР04'2Н20) и плохо растворимую фазу, в качестве которой выступают р-ТКФ или фаза X (в калиевой системе, с апатитной структурой). Рис. 8 демонстрирует разную скорость растворения фазы X и высокотемпературной фазы а-СаКР04 в растворе лимонной кислоты при рН=5.

Биологические исследования in vitro Ca(3_x)M2x(POj)2 (M=Na, К)

Биологические испытания плотных керамик показали, что материалы с х=0,5^0,8 для натриевой системы и 0,5+0,7 для калиевой демонстрируют удовлетворительные с точки зрения цитотоксичности результаты. Происходит интенсивный рост клеток, и их жизнеспособность не снижается. Создание в первоначальный момент времени слабощелочных сред позволяет рекомендовать данные материалы для исследования in vivo.

Макропористая керамика на основе Ca^.x>M2x(P04) 2 (M=Na, К)

Были выбраны две основные модели каркаса керамики — модель разупорядоченной пены и модель упорядоченной пены (структура Кельвина). В первом случае использовали метод репликации формы каркаса сетчато-ячеистого ППУ, во втором - керамику с заданной архитектурой получали с использованием технологий трехмерной печати.

Репликация формы ППУ. При проведении механических испытаний было показано, что макропористая керамика на основе смешанных фосфатов кальция и щелочных металлов, полученная репликой с сетчато-ячеистого полиуретана, обладает прочностью менее 0,1 МПа, поскольку представляет собой тонкостенный полый керамический каркас с дополнительными концентраторами напряжений в виде остроугловых переходов. На основании полученных данных в ходе механических испытаний на сжатие можно сделать вывод, что фосфатная керамика, созданная в варианте ППУ реплики, ведет себя не как объемное тело, а скорее как система слабосвязанных полых фрагментов. Это обусловлено тем, что балки, составляющие каркас, имеют вид пустотелых тонкостенных призм.

Метод термоэкструзионной печати. Керамические образцы, полученные с помощью технологии термоэкструзионной печати, обладают заданной архитектурой - структурой Кельвина. В каркасе полученных керамик отсутствуют полости в отличие от керамик, полученных методом репликации ППУ губок.

? 0.25

Са„Ыа14(РОД, FFFJ

а- Са/РОД, FFF р-Са,(Р04)2, FFF

CaNaP04, FFF J" СаКР04, FFF f '

а- Ca (PO ),. ППУ Ca,4K, ,(P04)„ ППУ i ••.:.. i ' . ,

/К'фирм.ишя мри сжатии (%)

0,4 х в Са

0,6 0,8

1,0

Рис. 9. Сравнение прочностных характеристик керамических материалов, полученных путем различных техник: ППУ - негативная реплика пенополиуретана, РРР- получение форм для шликерного литья путем трехмерной термоэкструзионной печати (РРР).

Главным отличием и преимуществом структуры Кельвина над ППУ заключается в наличии сквозных взаимосвязанных направленных каналов пор, которые обуславливают хорошую проницаемость для керамик, имеющих топологию выбранной структуры.

Термоэкструзионная трехмерная печать позволяет получать формы с заданным размером элементов каркаса, в результате были получены структуры в форме куба со стороной 1 см, размером "перемычек" -1000 мкм и диаметром пор -750 мкм. При этом пористость получаемых структур >65%, что является хорошим значением для проницаемости, при сохранении их достаточной прочности (более 0,1 МПа). Керамические материалы, полученные путем заполнения форм заданной архитектуры, обладают прочностью, как минимум, на порядок величины превосходящую прочность керамики, полученной с использованием репликации ППУ. Поведение керамики, созданной с использованием РРР-технологии, при нагружении соответствует сплошному твердому телу. На рис. 9 сопоставлены прочностные характеристики керамических материалов, полученных по технологии негативной репликации ППУ и с использованием РБР- трехмерной печати.

Метод стереолитографии. Для получения макропористой керамики с меньшим диаметром пор первой моды был использован метод стереолитографии. Стереолитография представляет собой процесс послойной полимеризации жидкого светоотверждаемого мономера. В работе варьировали следующие параметры процесса: долю фосфатного порошка в суспензии, содержание фотоинициатора, содержание красителя, концентрацию растворителя, тип и концентрацию ПАВ, дозу облучения и толщину полимеризуемого слоя. Использовали светоотверждаемые высококонцентрированные суспензии порошок/мономер с объемной долей порошка до 50%. Варьируя содержание красителя, можно контролировать светочувствительность суспензии (рис. 10).

1000

800

Я

^ 600

400

200

□ йс« 1 оба во к (I) = 480 ± 30 мкм ) ■ Судан Ж. 0,65 мм оль/л (1)р = 153 ± 5 мкм

• Судан Ж. 0,74 ммо.1ь/.1 (О = N8 ± 4 мкм

• 'Судан Ж, I ммиль/л (О ~ 103 _ 8 мкм)

• Сажа. 29,6 ммоль/л (П = 139 ± 9 мкм)

т Сажа. 100 мчкмь/л (I) =75 + 6 мкм)., "

1000

Е (мДж/см )

Рис. 10. Зависимость глубины полимеризации ВКС на основе ТКФ от дозы при использовании разной концентрации красителя Судана Ж.

Без использования красителя

С использованием красителя

К«

200мкм

200мкм

Рис. 11. Сравнение разрешения метода стереолитографии для ВКС с добавлением порошка смешанны? фосфатов при использовании красителя в качестве добавки (правая фотография) и без добавок (левая).

}

Использование красителя в качестве добавки приводит к увеличению разрешения и уменьшению эффекта рассеяния света на частицах порошка, диспергированных в растворе мономера (рис. 11).

Используя рассчитанную температурную программу для удаления органической составляющей, композитные (полимер/порошок) трехмерные формы подвергали термической обработке. После процесса выжигания полимерной части, порошки смешанных фосфатов кальция и щелочных металлов спекали. На рис. 12 и 13 представлены каркасы до процесса температурной обработки и после. В результате процесса спекания геометрические размеры каркасов и их пор уменьшились на -10%. Было показано, что микроструктура керамических каркасов образцов, полученных с помощью технологии стереолитографии, не отличается от микроструктуры керамик, сформованных методом прессования. Полученные керамические материалы имеют бимодальное распределение пор по размерам (доля пор 1-10 мкм составляет 10%, доля пор > 20 мкм составляет более 70%).

Рис. 12. Фотография композита (полимер/порошок) Рис. 13. Фотография керамического каркаса цилиндрической формы со структурой Кельвина цилиндрической формы со структурой Кельвина вдоль направления [111]. Диаметр пор 500 мкм. вдоль направления [111]. Диаметр пор 500 мкм.

Прочностные характеристики керамических материалов с заданной архитектурой Кельвина, полученные с помощью метода стереолитографии, как минимум, на три порядка величины превосходят прочность керамики, полученной с использованием репликации ППУ, и почти на два порядка - полученных с помощью заполнения полимерных форм (табл. 1). Поведение такой керамики при нагружении соответствует сплошному твердому телу.

Таблица 1. Сравнение максимальных значений прочностных характеристик при сжатии макропористых

керамических материалов на основе Са^.^Мг^РО,,)! (М=Ыа, К), полученных различными методиками.

Метод получения макропористой керамики

ППУ FFF Стереолитографии

0,01 МПа 0,22 МПа 10 МПа

Растворимость образцов макропористой керамики на основе Са^.х)М2Х(Р04)2, В целом, несмотря на потенциально высокую растворимость соединений калиевой системы, образцы с повышенным содержанием калия представляют собой композиты типа ХУа-СаКР04.

Неоднородное растворение таких композитов приводит, по-видимому, к возникновению внутридиффузионных затруднений, в результате чего скорость их

растворения ниже, чем у натриевых образцов. Таким образом, в соответствии с кинетикой растворения реальных образцов керамики в растворе лимонной кислоты при рН=5 (рис. 14, 15) можно выстроить следующий ряд:

ГА < р-ТКФ < Х(=Са8К2(Р04)б) ~ композиты Р-ТКФ/ р-Са№Р04 < а-ТКФ < < композиты а-СаКР04/Х < композиты А(=Са5№2(Р04)4)/а-СаКаР04

500

Т (мин)

Рис. 14. Кинетика растворения порошков ГА (оранжевый график), Р-ТКФ (черный график), а-ТКФ (фиолетовый график), Са2,5Ыа(Р04)2 (зеленый график), Саз^Ыа] 2(Р04)2 (красный график). Сплошная линия соответствует образцам, которые были получены путем медленного охлаждения, пунктирная линия - образцы, полученные путем закалки на воздух с ]200°С.

500

Т (мин)

Рис. 15. Кинетика растворения порошков ГА (оранжевый график), Р-ТКФ (черный график), а-ТКФ (фиолетовый график), Са2,4К|.2(Р04)2 (красный график), Са2,зК|.4(Р04)2 (зеленый график). Сплошная линия соответствует образцам, которые были получены путем медленного охлаждения, пунктирная линия - образцы, полученные путем закалки на воздух с 1200"С.

Биологические испытания in vitro и in vivo образцов макропористой керамики на основе Са(3.х)М2Х(Р04)2. Выявлено, что материалы не токсичны для клеток, т.к. активно поддерживают колонизацию поверхности в динамике культивирования. Поверхность макропористой керамики со структурой Кельвина на основе Са<3.х)М2х(Р04)2 имеет хорошие адгезивные свойства (для клеток). Фибробласты заселяют всю поверхность керамических образцов с заданной архитектурой. Окружающие имплантат ткани интактны: реакции воспаления и отторжения отсутствуют. Таким образом, исследуемые материалы следует признать биосовместимым. Список цитированной литературы

1. Flora N.J., Yoder С.Н., Jenkins H.D.B. Lattice energies of apatites and the estimation of ДНДР043", g) // Inorganic Chemistry. 2004. T. 43, № 7. C. 2340-2345.

2. Glasser L., Jenkins H.D.B. Lattice energies and unit cell volumes of complex ionic solids // Journal of the American Chemical Society. 2000. T. 122, № 4. C. 632-638.

3. Ando J. Phase Diagrams of Ca3(P04)2-Mg3(P04)2 and Ca3(P04)2-CaNaP04 Systems // Bulletin of the Chemical Society of Japan. 1958. T. 31, №2. C. 201-205.

Основные выводы.

1. Фазовые соотношения в квазибинарных разрезах Са3(Р04)2 - СаМР04 (где M=Na, К) характеризуются высокотемпературным изоморфизмом между глазеритоподобными фазами а'-Са3(Р04)2 и а- СаМР04. В области составов, близких к чистым компонентам, понижение температуры приводит к относительно быстрым фазовым превращениям первого рода деформационного характера. В области средних составов понижение

температуры сопровождается катионным упорядочением высокотемпературного твердого раствора на основе а-СаМР04 с образованием индивидуальных фаз.

2. Основные отличия системы Са3(Р04)2 - СаКР04 от Са3(Р04)2 - CaNaP04 заключаются:

а) в смещении нонвариантных равновесий в область более высоких температур;

б) в замедлении фазовых превращений, вследствие меньшей диффузионной подвижности катиона К+, приводящей, в частности, й к появлению полиморфизма у промежуточной фазы упорядоченного твердого раствора на основе а-СаКР04;

в) в отличной от натриевого аналога структуре низкотемпературной ß-CaKP04, вследствие чего превращение а —> ß сопровождается меньшим изменением мольного объема, чем у натриевого аналога.

3. В керамиках на основе ß-CaNaP04 и ß-CaKP04 быстро протекающее полиморфное превращение вызывает образование трещин, в первом случае значительный положительный объемный эффект превращения может приводить к разрушению образцов. Для предотвращения этого явления предложено использовать материалы, содержащие высокотемпературные полиморфные модификации а-СаМР04 нестехиомет-рического состава с Са/М>1.

4. Показано, что стереолитография кальцийфосфатных суспензий позволяет получить керамические имплантаты с заданным размером макропор (от 50 мкм) и общей пористостью 70-80%. Впервые получены образцы макропористой керамики на основе двойных фосфатов кальция и щелочных металлов с архитектурой Кельвина, обеспечивающей остеокондуктивность, а также характеризующиеся достаточной механической прочностью (до 10 МПа).

5. Исследованные в работе материалы можно ранжировать следующим образом в порядке возрастания резорбируемости в нейтральных и слабокислых растворах: ß-Ca3(P04)2 < Са8К2(Р04)6 = композиты ß-Ca3(P04)2/ß-CaNaP04 < а-Са3(Р04)2 < композиты а-СаКР04/Са8К2(Р04)б < композиты Ca5Na2(P04)4/a-CaNaP04. Твердые растворы на основе высокотемпературного ренанита а- СаМР04 являются перспективным компонентом для создания резорбируемой биокерамики на его основе; значение pH водной суспензии близкое к 8) является приемлемым для рекомендации подобных материалов к медико-биологическому применению.

6. Результаты биологических испытаний подтверждают, что материалы Са(3.х)М2х(Р04)2 (х=0-1, для M=Na и х=0-0,7 для М=К) биосовместимы с культурой клеток фибробластов человека, не являются цитотоксичными и не содержат компонентов, затрудняющих адгезию, распластывание и пролиферативную активность фибробластов, могут применяться в работах по тканевой инженерии.

Основные публикации по теме диссертации

1. П.В. Евдокимов. В.И. Путляев, В.К. Иванов, Гаршев A.B., Шаталова Т.Б., Орлов Н.К., Климашина Е.С., Сафронова Т.В. «Фазовые равновесия в системах трикальциевый фосфат -смешанный фосфат кальция и натрия (калия)» // Журнал неорганической химии. 2014, Т. 59. No. 11. С. 1219-1227.

2. Путляев В.И.. Евдокимов П.В.. Гаршев A.B., Просвирнин Д.В., Климашина Е С., Сафронова Т.В., Иванов В.К. «Прочностные характеристики резорбируемой остеокондуктивной керамики на основе двойных фосфатов кальция и щелочных металлов» // Известия вузов. Физика, Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. Т. 56. № 10. С. 72-77.

3. П.В. Евдокимов, В.И. Путляев, Д.А. Мерзлов, Т.Е. Шаталова, Т.В. Сафронова, Е.С. Климашина, Б.Р. Чурагулов «Полиморфизм Саз(Р04)2» // Наносистемы: физика, химия, математика, 2013. №4 (1). С. 48-53.

4. Т.В. Сафронова, В.И. Путляев, П.В. Евдокимов. Г.К. Казакова, В.К. Иванов "Способ получения субмикронной бифазной керамики на основе трикальцийфосфата и гидроксиапатита" // Патент #2013134721

5. P. V. Evdokimov. V. I. Putlayev, N. К. Orlov, D. V. Prosvirnin, E.S. Klimashina «Resorbable osteoconductive complex shaped ceramics based on double phosphates of calcium and alkali metals» // oral presentation, conference proceedings. XII International Conference on Nanostructured Materials (NANO 2014). Moscow, Russia, 2014.

6. Евдокимов П.В.. «Высокопористая биорезорбируемая керамика на основе двойных фосфатов кальция и щелочных металлов» // тез. докл. XXI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». МГУ. Москва, Россия, 2014.

7. P. Evdokimov. V. Putlayev, D. Merzlov, A. Garshev, T. Safronova, D. Prosvirin, E. Klimashina «Resorbable Bioceramics in Саз(Р04)2 - CaMP04 Systems (M=Na,K) // conference proceedings. Advanced Metals Ceramics And Composites. Kunming, China, 2013. №1. P. 186-189.

8. Евдокимов П.В.. Путляев В.И. «Остеокондуктивная резорбируемая керамика на основе Са<з_ х)М2х(Р04)2 (M=Na, К)» //тез. докл. V Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО 2013». Звенигород, Россия, 2013. С. 452-453.

9. Евдокимов П.В. «Резорбируемая остеокондуктивная керамика на основе Са(з_х)М2Х(Р04)2 (M=Na, К) // тез. докл. XX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». МГУ, Москва, Россия, 2013.

10. Evdokimov P.. Putlayev V., Garshev A., Shatalova Т., Merzlov D., Galitskiy V., Churagulov В., "Study of Ca3(P04)2-CaNaP04 and Ca3(P04)2-CaKP04 phase diagrams by different techniques of thermal analysis" // conference proceedings. CTEC2012 - Calorimetry and Thermal Effects in Catalysis. Lyon, France, 2012.0-25.

11. Evdokimov P.. Putlayev V., "Materials based on double calcium and alkaline metals Саз.хМ2х(Р04)2 (M=Na,K) for biomedical applications" // conference proceedings. SPSSM.4 - 4th International Symposium on Structure-Property Relationships in Solid State Materials. Bordeaux, France, 2012. P-88.

12. Evdokimov P.V.. Putlayev V.I., Shatalova T.B., Garshev A.V., Merzlov D.A.. Galitskiy V.A., "Study of Ca3(P04)2-CaNaP04 and Саз(Р04)2-СаКР04 with different methods of thermal Analysis" // conference proceedings. Study of materials by methods of thermal analysis, calorimerty and gas sorption. Saint-Petersburg, Russia, 2012. P. 123-128.

13. Евдокимов П.В.. Путляев В.И. «Биорезорбируемые материалы на основе двойных фосфатов кальция и щелочных металлов» // тез. докл. XI Конференция молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии: наноматериалы, их исследование и модификация при помощи синхротронного излучения». Звенигород, Россия, 2011. С. 13.

14. Евдокимов П.В.. Путляев В.И., Вересов А.Г. «Биорезорбируемые материалы на основе смешанных фосфатов кальция и щелочных металлов» // тез. докл. IX Международное Курнаковское совещание по физико-химическому анализу. Пермь, Россия, 2010. С. 62.

15. Евдокимов П.В.. Путляев В.И., Вересов А.Г. «Биорезорбируемые материалы на основе смешанных фосфатов кальция и щелочных металлов» // тез. докл. Всероссийское совещание «Биоматериалы в медицине». Москва, Россия, 2009. С. 29-31.

16. Евдокимов П.В.. Путляев В.И., Вересов А.Г. «Материалы с повышенной биорезорбируемосгью на основе смешанных фосфатов кальция и щелочных металлов» // тез. докл. Нанотехнологии в онкологии 2009. Москва, Россия, 2009.

Подписано в печать: 22.11.2014 Объем: 1,0 пл. Тираж: 100 экз. Заказ № 427 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. (495) 363-78-90; www.reglet.ru