CC BY
36
чениях плотности образцов, что обусловлено различным характером кристаллизации и конечным фазовым составом. В тоже время, значения водопоглощения и пористости, зависящие в первую очередь от дисперсности порошков, практически не отличаются.
Таким образом, применение золь-гель метода позволяет значительно снизить температуру образования кристаллических фаз и обеспечивает получение монофазных продуктов. Разработанные материалы могут быть использованы как в качестве матрицы, так и защитных антиокислительных покрытий керамоматричных композитов.
Список литературы
1. Oxidation Protection of Ceramic Composites with Carbon Fibre Reinforsment / M. E. Westwood, F. H. Hayes, R. J. Day, R. Taylor // J. Mater. Sci. - 1996. V. 31. P. 1389 - 1397.
2. Warrier K. G., Kumar G. M., Ananthakumar S. Densification and Mechanical Properties of Mullite-SiC Nanocomposites Synthesized Through Sol-gel Coated Precursors // Bull. Mater. Sci. - 2001. - V. 24. - № 2. - P. 191 - 195.
3. Fukuda K., Matsubara H. Thermal Expansion of 5-Yttrium Disilicate // J. Amer. Ceram. Soc. - 2004. - V. 87. - № 1. - P. 89 - 92.
4. Cannas C., Musina A., Piccaluga G. et al. Advances in the structure and microstructure determination of yttrium silicates using the Rietveld method // J. Solid State Chem. - 2005. -V. 178. - № 1. - P. 1526 - 1532.
УДК 661.842.455-033.24:61 О.И. Бартян, Ю.С. Лукина
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ МАТРИКСОВ НА ОСНОВЕ БРУШИТОВОГО ЦЕМЕНТА
Calcium phosphates are bioactive materials for medical application. Matrixes prepared by cement technology accelerate the bone formation. Matrixes have been synthesized on based brushite cement. The mechanical properties and porosity of these matrixes were investigated.
Фосфаты кальция - биоактивные материалы, используемые в медицине в качестве заменителей костной ткани. Матриксы, полученные по цементной технологии, способны промотировать образование костной ткани. Получены матриксы на основе брушитового цемента. Исследованы прочность и пористость таких матриксов.
К биоактивным материалам медицинского назначения в настоящее увеличивается интерес, поскольку применение таких материалов дает большие возможности в восстановлении целостности костной ткани вследствие их биологической совместимости и биологической активности.
Биоактивные материалы можно разделить на 2 группы:
- резорбируемые (или биодеградируемые) материалы - это материалы, которые постепенно растворяются в организме и стимулируют процессы остеогенеза (роста новой ткани). Такие материалы применяют краткосрочно в качестве матриц для регенерации костной ткани;
- поверхностно-активные материалы характеризуются контролируемой поверхностной растворимостью, сопровождающейся химическими реакциями, физико-химическими и биохимическими процессами, приводящими к образованию на поверхности имплантата фосфатов кальция и а дальнейшем новой костной ткани [1].
Среди таких материалов фосфатно-кальциевая керамика, а в частности апатитовая фосфатно-кальциевая керамика, вызывает интерес, поскольку гидроксиапатит
Са10(Р04)6(0Н)2 является минеральной составляющей костной ткани. Спеченные фос-фатно-кальциевые блоки невозможно адаптировать точно под костный дефект, поэтому возникла необходимость в альтернативных материалах - биоцементах, решающих эту проблему. Фосфатно-кальциевые цементы получают из водного раствора одного или нескольких фосфатов кальция. После смешения фосфаты кальция растворяются и осаждаются в менее растворимые фосфаты кальция. Возможно два типа реакций осаждения: 1) кислотно-основная реакция; 2) реакция гидролиза [2]. Повышению механической прочности способствует выделение частиц неравноосной морфологии (пластинчатых, игольчатых), обеспечивающих механическое зацепление.
Все фосфатно-кальциевые цементы можно разделить на 2 категории: а) на основе апатита; б) на основе брушита.
Биоцементы резорбируются, замещаясь костной тканью, но скорость их резорбции различна. Брушитовые цементы обладают более высокой скоростью резорбции по сравнению с апатитовыми, что является весомым аргументом их использования для восстановления костей, но имеют низкие механические характеристики.
В настоящее время используется 2 направления исследования: 1) инъекционные цементы; 2) цементные матриксы. Матриксы служат подложкой для прорастания костных клеток и кровеносных сосудов. Для этого они должны обладать макропористостью (размер пор должен быть более 100 мкм). Матриксы, обладающие микропористостью, способны задерживать, а потом удерживать клетки на поверхности [3]. Достоинством матриксов по цементной технологии является то, что в результате низкотемпературных процессов в матрикс могут быть инкорпорированы протеины, факторы роста, в связи с чем будет проявляться остеоиндуктивность. Недостатками матриксов по цементной технологии являются их низкая прочность и отсутствие макропористости.
Целью данной работы явилось исследование возможности повышения прочности матриксов путем их термообработки при различных температурах, и получение макропористых матриксов путем введения в их состав парафиновых гранул с последующей экстракцией образцов для удаления парафина.
Матриксы из фосфатно-кальциевых цементов были получены на основе дикаль-цийфосфата дигидрата (брушита) СаНР04-2Н20. Данный цемент был получен взаимодействием монокальцийфосфата моногидрата Са(Н2РО4)2Н2О и Р-трикальцийфосфата в-Саз(Р04)2, взятых в стехиометрическом соотношении.
При твердении брушитового цемента в выбранной системе протекает химическая реакция:
Са(Н2Р04)2-Н20 + р-Саз(Р04)2 + 7Н2О ^ 4СаНР04-2Н20
Данный цемент затвердеет в течение 30 секунд. Полученные по этой реакции образцы твердели 4 часа во влажных условиях при температуре 370С, после чего были высушены при разных температурах. Была установлена зависимость прочности образцов от температуры сушки в пределах от 25 до 1000 0С.
Температура негативно влияет на прочность цементных матриксов. Прочность сильно понижается от 25 до 200 0С, затем поднимается, но остается ниже, чем у образцов, не прошедших термообработку. Такое влияние температурной обработки на прочность обусловлено химическими превращениями [4]:
СаНРО4 2Н2О 85-2400с > СаНРО4 1 85-5300с > Са2Р2О7 -> у-Са2Р2О7->
8000с > р- Са2Р2О7 1 150°с > а- Са2Р2О7
По данным химических превращений и рис. 1 можно сделать вывод, что прочностные характеристики дикальцийфосфата дигидрата выше, чем безводного дикальций-фосфата (монетита) и пирофосфата кальция. Поэтому в дальнейшем следует избегать таких превращений, не подвергая матриксы температурной термообработке и выдер-
живая образцы во влажных условиях в течение суток после формовки, что предотвращает переход брушита в монетит.
3
Е 2,5 „ 2
Ö 15 ®
IS 1
а
С 0,5
100
200
300 400 500 600 Температура, С
- О- - изгиб-□-сж
700
800
900
1000
Рис. 1. Зависимость прочности сухих цементных образцов от температуры сушки
Влияние парафина на прочность и пористость было исследовано на цементных образцах на основе брушита при введении 0 - 10 % парафиновых гранул от массы цемента. Полученные по цементной технологии образцы выдерживались во влажных условиях 4 часа и подвергались экстракции этиловым эфиром в течение 4 часов. Установленные зависимости прочности и пористости приведены на рис. 2.
0% 5% 10%
Количество парафина, масс.%
0
0
I I прочности порист
Рис. 2. Влияние содержания парафина на прочность и пористость цементных матриксов.
Как можно было предположить, прочность снижается при увеличении содержания парафина, но пористость повышается незначительно, что возможно связано с тем, что парафин не экстрагируется полностью, оставаясь в некотором количестве в образце, что не является благоприятным фактором для костного цемента.
По результатам данной работы можно сделать вывод, что использование парафиновых гранул для получения матриксов не является благоприятным и следует использовать другие порообразователи, такие как желатин и водорастворимые полимерные волокна.
Список литературы:
1. Саркисов, П.Д Направленная кристаллизация стекла - основа получения многофункциональных стеклокристаллических материалов. /П.Д. Саркисов.-М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева - 1997 - 218 стр.
2. M. Bohner Physical and chemical aspects of calcium phosphates used in spinal surgery./ Bohner M. // Eur. Spine J. - 2001 - Vol. 10 - P. S114-S121
3. Y. Yin. Gelatin manipulation of latent macropores formulation in brushite cement./ Yin Y., Ye F., Yao K., Cui J., Song X.// J. Mater. Sci.: Mater. Med. - 2003 - Vol.14 -P. 255-261.
4. Щегров, Л.Н. Фосфаты двухвалентных металлов./ Л.Н. Щегров- Киев: Наукова думка - 1987 - С. 52-74
УДК 666.9-123
Н.В. Бучилин, Е.Е. Строганова, Л.Н. Василик, О.В. Лютенко Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ВЛИЯНИЕ ВИДА ГАЗООБРАЗОВАТЕЛЯ НА ПОРИСТОСТЬ КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
The porous bioactive materials based on crystallizable phosphate glass «CP» were synthesized. The physicochemical characteristics of obtained materials were determined. Obtained materials possess wholly satisfactory values of ceramic and mechanical properties.
Синтезированы пористые биоактивные материалы на основе кристаллизующегося фосфатного стекла «КФ». Определены физико-химические характеристики полученных материалов. Материалы обладают удовлетворительными значениями керамических и механических свойств.
Среди материалов, применяемых в имплантологии, особое место занимают биоактивные неорганические материалы на основе фосфатов кальция. Такие материалы отличаются способностью вступать в непосредственную связь с биологической системой организма и индуцировать процессы образования новой костной ткани [1]. Клинические испытания имплантатов из биоактивных материалов (керамики, стекол, стеклокристал-лических материалов) и эндопротезов с биоактивными покрытиями выявили их высокую эффективность в лечении костных травм и заболеваний. Известно [1], что в среде организма открытая пористость на уровне 50 % обеспечивает проникновение в биоматериалы физиологических жидкостей, кровеносных сосудов и остеобластов. При этом размер пор 100^500 мкм является оптимальным для осуществления этих процессов.
На кафедре химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева был создан биоситалл медицинского назначения на основе кальцийфосфатного стекла «КФ» и разработана технология получения беспористого стеклокристаллическо-го материала, обладающего высокими химической стойкостью и прочностью. Известно [2], что при спекании монофракционных порошков можно обеспечить уровень пористости порядка 40 %. Для получения пористого биоситалла была опробована технология спекания тонкодисперсных порошков. При спекании разных фракций порошков стекла КФ с размерами зерен от 80 до 400 мкм максимально достигнутый уровень пористости составлял 30 %, и было отмечено, что уменьшение удельной поверхности порошков приводит к увеличению температуры спекания.
Цель настоящего исследования - оптимизация условий спекания порошков кристаллизующегося кальцийфосфатного стекла «КФ» для получения спеченных материалов с открытой пористостью на уровне 50%.
Материалы и методы. В состав стекла «КФ» входят биоактивные компоненты: оксиды CaO и P2O5 в соотношении 1:1, а также технологические и каталитические добавки - B2O3, TiO2 и ZrO2. Для составления шихты использовали реактивы марки «ч.д.а.» и «ч». Варку стекла проводили в электрической печи в корундовых тиглях при температуре 1350 оС. Расплав стекломассы отливали на чугунную плиту.
