Биокерамика на основе фосфатов кальция

Один из наиболее интересных подходов для повышения прочности и уменьшения хрупкости ГА керамики - изготовление композитов ГА - полимер.

В работах [256,261] разработаны композиционные материалы на основе полиэтилена. С увеличением содержания до 40% ГА в композите модуль Юнга увеличивается, и находится на уровне 1-8 ГПа, что близко к таковому у естественной кости. Однако полиэтилен является биоинертным материалом и уменьшает способность срастания имплантата с костной тканью.

Известны работы [255,264-266], направленные на изучение композитов ГА - коллаген, которые по составу схожи с естественной костью. Композиты могут быть изготовлены посредством смешивания порошка ГА с раствором коллагена и последующим затвердеванием смеси под УФ - излучением или прессованием смеси ГА-коллаген при температуре 40 ⁰С и давлении 200 МПа. Однако полученные материалы имеют низкие прочностные характеристики, например прочность при растяжении равна 6,5 МПа, а модуль Юнга 2 ГПа. Биомиметический подход к получению композитов ГА-коллаген основан на осаждении кристаллов ГА из растворов СБФ (simulated body fluids), повторяющих состав межтканевой жидкости, на волокна коллагена. При этом получается пористый материал с энергией разрушения 510 Дж/м² [21]. Прочностные свойства большинства композитов ГА-коллаген неудовлетворительны. В то же время эти материал показывают более высокую биоактивность, нежели гидроксиапатит и коллаген в раздельности. Используя коллаген, можно создавать материалы с контролируемой резорбируемостью. Коллаген (желатин) часто используют как материал - носитель лекарственных средств пролонгированного действия [21].

Возможен также альтернативный подход, основанный на введении полимера в керамическую матрицу. Это позволило бы создать материалы с непрерывным керамическим каркасом. Механические свойства таких керамико-полимерных материалов в значительной степени должны отличаться от свойств полимерно-керамических материалов.

В работах [267-268] приведены результаты по формированию микроструктуры композиционных материалов ГА-полимер при вакуумной пропитке керамики водными растворами некоторых полимеров и механическим свойствам композитов. Способ приготовления основан на инфильтрации раствора полимера (желатин и поливиниловый спирт (ПВС)) в пористую керамическую матрицу с последующей сушкой композиции.

В качестве исходных материалов использовали тонкодисперсный порошок ГА с соотношением Ca/P = 1,67, удельной поверхностью по БЕТ 5,5 м²/г и размером агломератов менее 1 мкм, полученный осаждением аммиаком из водных растворов двузамещенного фосфата аммония и хлорида кальция. В работе также использовали следующие материалы: желатин марки П-11, ГОСТ 11293-89 (Могилёвский желатиновый завод, Белоруссия) - биополимер, продукт денатурации коллагена-белка соединительной ткани; ПВС (Лаверна, Россия) - синтетический полимер, продукт взаимодействия поливинилацетата с метиловым спиртом.

Пористую керамику изготовляли с использованием фракции гранул ГА-желатин в соотношении один к двум, диаметром 400-600 мкм, которую получали согласно [203]. Гранулы ГА-желатин подвергали одноосному прессованию под давлением 50 и 100 МПа с получением дисковых образцов, которые обжигали при 1200 ⁰С с выдержкой 1 ч [229].

Полученные образцы пористой керамики подвергали вакуумированию в 1, 4, 7 и 10%-ных растворах желатина и ПВС в дистиллированной воде при остаточном давлении 1,33 Па (10^-2 мм.рт.ст.) в течение 10 и 30 мин. Для сравнения, образцы керамики выдерживали в растворах полимеров при атмосферном давлении в течение 30 мин. Температура раствора варьировалась от 25 до 75⁰С. Затем полученные образцы извлекали из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 24 часа при комнатной температуре.

Установлено, что количество полимера, инфильтрируемого в керамику, зависит от концентрации раствора, исходной пористости керамики и времени пропитки. Так, масса образцов пропитанных растворами желатина, увеличивается линейно с увеличением концентрации раствора, исходной пористости образцов и времени пропитки. Максимальное изменение массы порядка 4-5 % достигается пропиткой 10 %-ным раствором желатина образцов пористостью 45-50 об.% при остаточном давлении 1,33 Па (10^-2 мм.рт.ст.) с выдержкой 30 мин. Масса образцов, пропитанных растворами ПВС, также растет с увеличением исходной пористости и времени пропитки. Однако максимальное изменение массы порядка 3-4 % достигается пропиткой 4 %-ным раствором ПВС и при дальнейшем увеличении концентрации находится на том же уровне.

Степень заполнения порового пространства находится в интервале от 1 до 9 % и 1 до 12% для образцов, пропитанных раствором ПВС и желатина соответственно. Максимальная степень заполнения достигается при высокой концентрации полимера в растворе, исходной пористости образцов 45-50 об.% и остаточном давлении 1,33 Па (10^-2 мм.рт.ст.) с выдержкой 30 минут. Таким образом, 80 % порового пространства остается не заполненным, что обусловлено условиями пропитки и размером пор в образцах. При изменении температуры растворов полимеров в интервале от 25 до 75⁰С масса образца не меняется.

Данные оптической и электронной микроскопии показали, что пропитка образцов полимером происходит равномерно тонким слоем, по всему объёму, за исключением образцов, пропитанных 7 и 10%-ным раствором ПВС (рис. 57).

Материалы подвергали испытанию на диаметральное сжатие. Прочность растет с увеличением концентрации раствора и времени пропитки. Наиболее интенсивное увеличение прочности с 2 МПа в исходном состоянии до 9,8 МПа наблюдается у образцов с исходной пористости образцов 45-50 об.%, пропитанных 10%-ным раствором желатина при остаточном давлении 1,33 Па (10^-2 мм.рт.ст.) с выдержкой 30 минут. Значение прочности керамики, пропитанной растворами ПВС, изменяется в пределах от 1,5 до 5,3 МПа (рис. 58).

Для описания зависимости от пористости общепринято использовать соотношение Рышкевича (64) и показательную зависимость М.Ю. Бальшина (65). Величины коэффициентов q и m характеризуют степень влияния пор на прочность: чем выше значения этих коэффициентов, тем в большей степени пористость влияет на прочность материала. Изменение q и m в широких пределах может быть обусловлено их зависимостью от формы пор. Чем выше концентрация напряжений, создаваемая порами, тем больше значения q и m. Соотношение между максимальным нормальным напряжением, _max, в вершине надреза, моделирующего пору, и коэффициентом интенсивности напряжений К_I имеет вид:

_max 2К_I / , (68)

где -радиус кривизны вершины надреза, а критическое значение коэффициента интенсивности напряжений, создаваемое надрезом (порой), достигается при 0 [269]:

К_I = lim _max/2.(69)

0

Из (68) и (69) следует, что с уменьшением снижается уровень напряжений, достаточный для разрушения материала, т.е. прочность материала становится более чувствительной к пористости с увеличением коэффициента концентрации напряжений, создаваемой порами.

Таким образом, показана принципиальная возможность улучшения механических свойств пористой керамики путем пропитки порового пространства полимерами. Инфильтрация полимера в керамику приводит к повышению прочности в 2-6 раз. Очевидно, что этот эффект зависит от свойств полимера и микроструктуры матрицы, а также от технологических условий эксперимента.

в последние годы проводится много работ для создания новых композитов на основе керамики, упрочненными частицами, волокнами и металлами для улучшения механических свойств. Однако существует значительное количество проблем, связанных, например, для ГА-металлических композитов с коррозией и негативными реакциями с тканью, т.е. введение инородных материалов в керамику может привести к уменьшению биосовместимости и может способствовать разложению ГА с формированием ТКФ. Присутствие ТКФ в ГА увеличивает его склонность к биодеградации и способствует медленному росту трещин. Другой нежелательный эффект, связанный с армированием керамики - увеличение модуля упругости материала.

Можно отметить, что композиты на основе ГА не нашли пока еще широкого применения из-за ряда проблем, которые перечислены выше. Тем не менее, работы, направленные на создание композитов ГА-полимер, интенсивно продолжаются. В качестве полимеров наиболее часто используются не только коллаген, но и желатин, хитозан, полилактиды, полигликолиды и т.д. [270-271].

4.4 Фосфатно-кальциевые цементы

Существуют определенные проблемы в применении керамики на основе фосфатов кальция для заполнения дефектов костных тканей. Керамическим блокам непросто придать требуемую форму для заполнения дефекта, обеспечив при этом плотное прилегание керамического имплантата к костной ткани, необходимое для остеоинтеграции. Решение проблемы найдено применением цементов, которые должны обладать формуемостью, способностью к полному заполнению дефекта in situ, заданной скоростью схватывания и твердения, требуемыми механическими свойствами. С применением таких цементов могут быть реализованы многие задачи, возникающие в стоматологии и костной хирургии.

Первые фосфатно-кальциевые цементы были разработаны Брауном с соавторами [272]. Затем были предложены разнообразные составы цементов [273-278], основными продуктами взаимодействия исходных реагентов в них являются всего лишь три соединения: осажденный апатит (ОГА), дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД) и аморфный фосфат кальция (АКФ). АКФ быстро превращается в ОГА при физиологических условиях [279]. В основном, усилия исследователей направлены на создание цементов первой группы, хотя и цементы на основе ДКФД имеют свои интересные особенности. Химический и фазовый составы цемента формируются при взаимодействии с окружающей средой, поэтому конечный продукт может содержать, например карбонат-группы, входящие цемент в результате взаимодействия с углекислым газом атмосферы.

Фосфатные вяжущие системы широко применяются в технике [280]. Костные и стоматологические цементы основаны на тех же принципах, что и, например огнеупорные [281]. Вяжущая система, в общем случае, представляет собой гетерогенную композицию, содержит одну или более твердую дисперсную активную фазу (наполнитель) и затворяющую жидкость (связующее). Твердение таких композиций происходит в результате образования новых химических соединений, полимеризации, поликонденсации и адгезии [282]. Степень протекания тех или иных из указанных процессов определяется основностью/кислотностью наполнителя и его химической активностью по отношению к связующему, дисперсностью наполнителя, составом и концентрацией связующего, условиями проведения процесса твердения.

Рассматривают два типа взаимодействий, приводящих к формированию структуры и свойств фосфатно-кальциевых цементов [283-284]. Первое - это взаимодействие относительно кислого компонента с относительно основным с получением продукта с рН, близким к нейтральному. Типичным примером является цемент, разработанный Брауном с соавторами [272], в состав которого входят ТеКФ (основный компонент, Са/Р = 2,0)) и ДКФ (слабо кислый, Са/Р = 1,0):

Са₄(РО₄)₂О + СаНРО₄ > Са₅(РО₄)₃ОН (70)

Н₂О

Другой вариант - это взаимодействие ?-ТКФ (Са/Р = 1,5) с МКФМ (Са/Р = 0,5) с получением ДКФД:

Са₃(РО₄)₂ + Са(Н₂РО₄)₂·Н₂О +7Н₂О > 4СаНРО₄·2Н₂О (71)

С целью улучшения биологического поведения, в состав цемента, получаемого по реакции (71), могут быть введены карбонат-группы, например посредством добавления к реакционной смеси карбоната кальция [285, 286].

Важнейшее значение для кинетики схватывания и твердения, формирования микроструктуры и механических свойств конечного продукта имеет состав затворяющей жидкости (связующего). В принципе, возможно введение одного из компонентов вяжущей системы в качестве дисперсного наполнителя, а второго - через раствор, в качестве затворяющей жидкости. Известно использование растворов фосфатов, в частности карбоната натрия, в качестве затворяющей жидкости [287].

Второй тип реакций схватывания основан на процессах, в которых соотношение Са/Р не изменяется. Типичными примерами является взаимодействие ?-ТКФ с водой с образованием ОГА:

3Са₃(РО₄)₂ + Н₂О > Са₉(НРО₄)(РО₄)₅(ОН) (72)

В отличие от, например акрилатных стоматологических цементов, либо алюмофосфатных цементов, применяемых в технике высоких температур, схватывание и твердение фосфатно-кальциевых костных и стоматологических цементов происходит не в результате процессов полимеризации, и с незначительными тепловыми эффектами. Объем цементной смеси мало изменяется в процессе схватывания. Схватывание и твердение цементов сопровождается постепенно уменьшающимся содержанием жидкой фазы вследствие образования кристаллогидрата при кристаллизации ДКФД или вовлечения гидроксильных групп в структуру гидроксиапатита. Первоначально жидкая фаза смачивает частицы твердых фаз, способствуя формированию механического контакта и адгезии частиц, с последующей кристаллизацией в пределах жидкой фазы коллоидных частиц. Наличие прослоек жидкой фазы на этой стадии придает цементной пасте пластичность при формовании. Со временем происходит дальнейшая кристаллизация новой фазы и цемент твердеет. Повышению механической прочности способствует выделение частиц неравноосной морфологии (пластинчатых, игольчатых), обеспечивающих механическое зацепление [288,289].

Большинство работ по костным цементам было направлено на изучение системы (70). Процесс формирования микроструктуры и свойств продукта взаимодействия в этой системе существенно отличается от таковых для гидроксиапатитовой керамики, получаемой осаждением порошка ОГА из раствора, последующей его термообработкой для получения ГА, формованием и спеканием ГА при температуре около 1200-1250⁰С. Процесс схватывания и твердения, происходящий в системе (70), является комплексным, включающим растворение наполнителя в затворяющей жидкости, химическое взаимодействие и диффузию компонентов, осаждение новой фазы и ее кристаллизацию. При идеальных условиях, растворение компонентов обеспечивает доставку ионов кальция и фосфат-ионов в раствор, взаимодействие которых приводит к осаждению ОГА. Состав раствора при этом смещается к инвариантной точке на пересечении изотерм растворимости. Реально на процесс влияют такие факторы, как размер частиц дисперсных фаз, наличие затравочных кристаллов для выделения ОГА, количество жидкой фазы и др. В работе Лиу с соавт. [288] было выявлено, что процесс формирования структуры при схватывании и твердения цемента в системе (70) лимитируется сначала скоростью растворения в воде ДКФ и кристаллизацией первичного ОГА, а затем кристаллизацией вторичных иглоподобных кристаллов ОГА по границам первичных кристаллов. В результате этого достигнута прочность цемента при сжатии до 60 МПа на 6 час твердения. Введение затравочных кристаллов ГА не приводило к повышению прочности, что объясняют снижением пересыщенности раствора.

В качестве альтернативы, была изучена система ТеКФ - ДКФД [290]. В зависимости от соотношения компонентов ДКФД: ТеКФ прогнозировался синтез либо Са-дефицитного ОГА (2:1, Са/Р = 1,50), либо ОГА стехиометрического состава (1:1, Са/Р = 1,67) согласно реакциям:

6CaHPO₄·2H₂O + 3Ca₄(PO₄)₂O > 2Са₉(НРО₄)(РО₄)₅ОН + 13Н₂О (73)

Н₂О

2CaHPO₄·2H₂O + 2Ca₄(PO₄)₂O > Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + 4Н₂О (74)

Н₂О

Установлено, что лимитирующей стадией взаимодействия является растворение ТеКФ. Независимо от соотношения исходных компонентов, первичным продуктом реакции была аморфная фаза, а химическое равновесие быстрее (1-2 суток) достигалось при расчете содержания компонентов на осаждение продукта стехиометрического состава. Показано, что скорость резорбции цемента можно контролировать соотношением исходных компонентов смеси.

Схватывание может быть достигнуто и непосредственно в процессе синтеза ГА. Одним из возможных вариантов синтеза является взаимодействие между гидроксидом кальция и раствором фосфатной соли, например ДКФД [200]. Материалы, полученные с использованием Са(ОН)₂ уже нашли достаточно широкое применение в стоматологии, в частности для защитного покрытия пульпы зуба и заполнения корневого канала [291]. Преимуществом таких цементов является их антибактериальное и противовоспалительное действие из-за относительно высокого значения рН, иногда выше 12,5. Не обнаружено отрицательных реакций тканей организма на цементы с основным значение рН. Цемент с высоким значением рН может служить также в качестве буферного слоя между зубной тканью и кислыми стоматологическими цементами. Показано, что цементы с СаО в качестве одного из наполнителей обладают повышенной скоростью твердения по сравнению с таковыми на основе ТеКФ и ДКФД [292]. Сравнительное исследование фазообразования в системе гидроксид кальция - двузамещенный фосфат аммония и в "классической" системе ТеКФ - ДКФ было выполнено в работе [293].

Исходные компоненты: Са(ОН)₂ и К₂НРО₄, смешивали в планетарной мельнице при соотношении с шарами 1:2 в течение 5 мин для получения наполнителя цементной смеси. Размер частиц порошка после помола был менее 1 мкм. В качестве затворяющей жидкости использовали 1М раствор К₂НРО₄. Соотношение жидкой и твердой фаз в цементной смеси было от 0,25 до 0,50 мл/г. Наполнитель помещали в платиновый сосуд, добавляли затворяющую жидкость и систему перемешивали с помощью шпателя. Предполагалось прохождение следующей реакции в системе:

9Са(ОН)₂ + 6К₂НРО₄ > Са₉(НРО₄)(РО₄)₅ОН + 6КОН + 11Н₂О (75)

Формирование фазового состава изучали рентгеновским методом с использованием дифрактометра Philips X'Pert PRO, снабженного термостатом и детектором, который позволял проводить скоростную съемку дифрактограмм. Проводили также исследование затвердевших цементов методами ИК-спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии; изучали кинетику схватывания цементов на приборе Вика по процедуре, регламентируемой стандартом ISO 1566 (время схватывания оценивали по моменту, когда игла прибора Вика не оставляла отпечаток на поверхности цемента под нагрузкой 400 г), а также проводили измерения рН вытяжки из цемента в дистиллированную воду после выдержки в течение от 1 часа до 10 суток.

На рис. 59 показаны дифрактограммы цемента после его затворения при 37⁰С в течение до 51 мин. Для сравнения, на рис. 59 приведены также дифрактограммы исходных твердых реагентов. Уже в первые моменты времени после затворения исчезают рефлексы, характерные для исходных компонентов и происходит образование апатитоподобной фазы. Пики дифрактограмм существенно уширены, что указывает на низкую закристаллизованность продукта взаимодействия. В противоположность этому, пики от ДКФ и ТеКФ обнаруживались даже после 45 мин взаимодействия в этой системе, однако рефлексы, соответствующие апатитоподобной фазе, значительно менее уширены. На рис. 60 представлена зависимость ширины на полувысоте пика (211) гидроксиапатита (рис. 60,а) и интенсивности этого пика (рис. 60,б) для изучаемого цемента (1) в зависимости от времени твердения при температурах 25 и 37⁰С, а также для "классического" цемента (2) при 37⁰С. Очевидно, поведение двух цементных систем различно. Для цемента 1 характерно снижение ширины пика во времени, тогда как для цемента 2 она возрастает. Кристалличность продукта взаимодействия в цементе 1 возрастает с повышением температуры до физиологической. ИК-спектры цементов также разнятся значительно (рис. 61). Основное различие в полосах РО₄^3--групп состоит в наличии полос при 1096 и 475 см^-1 для цемента 2. Полоса поглощения ?_? карбонатных групп при 1650-1300 см^-1 значительно более интенсивная для цемента 1 по сравнению с таковой для цемента 2. Причиной этого может являться высокая реакционная способность Са(ОН)₂ к взаимодействию с углекислым газом атмосферы: Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О, причем образующийся карбонат кальция участвует в реакции и приводит к образованию КГА или карбонат-замещенного кальций-дефицитного ГА. Для цемента 1 также обнаружено появление полосы ?₂ при 873 см^-1, что подтверждает замещение ОН^--групп карбонат-ионами. Таким образом, цемент 1 характеризуется низкой степенью кристалличности и высоким содержанием карбонат-групп, замещающих гидрокси-группы и, по-видимому, фосфат-группы. Микроструктура цемента 1 показана на рис. 62. В отличие от этого, "классический" цемент 2 содержит фазу с более высокой степенью кристалличности и карбонат-группы в нем либо адсорбированы на поверхности, либо предпочтительно замещают РО₄^3--группы. Однако цемент 1 имеет низкие значения прочности при сжатии: до 5 МПа.

С целью повышения прочности было изучено влияние состава и количества затворяющей жидкости на прочность материала. Были исследованы также возможности увеличения показателей механических свойств за счет введения инертных заполнителей в вяжущую систему. Опробованы порошки кремнезема различной дисперсности и волластонита. В результате удалось повысить прочность цементов изученной системы с 5 до 20 МПа, причем прочность практически не изменяется после выдержки затвердевшего цемента в воде при 37⁰С в течение до 21 суток. Преимуществом разработанной вяжущей системы является возможность регулирования времени схватывания в широких пределах, начиная от 3-5 мин, в противоположность "классическим" системам, основанных на смесях ТеКФ с ДФК или ДКФД [284]. Однако время схватывания последних может быть сокращено за счет либо снижения содержания затворяющей жидкости, либо использования добавок, таких как ортофосфорная кислота, МКФМ, солей ортофосфорной кислоты или затравочных кристаллов ОГА [20]. Отмечается возможность схватывания цементов с такими добавками в течение 10-15 мин [284].

При взаимодействии компонентов в системе ?-ТКФ - СаСО₃ (или ТеКФ) - МКФМ вначале может происходить выделение кристаллов ДКФД и, затем, ОГА. Начальная скорость взаимодействия весьма высока и приводит к схватыванию в течение нескольких секунд. Затем цемент необходимо измельчить, после чего она снова схватывается с выделением ОГА [284].

Цементы второй группы (брушитовые цементы) характеризуются выделением кристаллов ДКФД (структура брушита) при затворении наполнителя затворяющей жидкостью. К данной группе принадлежат цементы систем ?-ТКФ - МКФМ [294], ?-ТКФ - Н₃РО₄ [295], ТеКФ - МКФМ - СаО [296]. Цементное тесто должно иметь в этих случаях рН менее 6, необходимое для выделения ДКФД. В системе ?-ТКФ - МКФМ значение рН достигает 4 в процессе схватывания, однако изменяется в сторону нейтрального в течение последующего твердения. Время схватывания этих цементов зависит от растворимости основной фазы, уменьшаясь с повышением растворимости [297-300].

Свойства апатитовых и брушитовых цементов могут быть модифицированы введением, например сульфата кальция (гипса), который, как известно, быстро резорбируется тканевыми жидкостями организма. Возможен и альтернативный подход: введение частиц ГА в гипс с последующим его затворением водой. Гипс схватывается при затворении водой согласно реакции:

CaSO₄·0,5H₂O + 1,5H₂O > CaSO₄·2H₂O (76)

Частицы подвергнутого термообработке ГА не взаимодействуют с гипсом. Достигнуты максимальные значения прочности при сжатии такого цемента около 31 МПа при содержании в нем 40 масс.% частиц ГА [301].

Микроструктура всех кальций-фосфатных цементов характеризуется наличием значительной пористости, оказывающей существенное влияние на механические свойства. Пористость может быть использована как положительной фактор, например при создании систем локальной доставки лекарственных препаратов в организм человека: пептидов, антибиотиков, противоопухолевых и анти-воспалительных препаратов, морфогенетических протеинов [28, 302]. Однако поры, формирующиеся при схватывании и твердении цементов, ограничены по размерам, что сдерживает возможности их использования в клеточных технологиях восстановления костных дефектов, для которых необходимы поры размером более 150 мкм. В общем случае, поры в цементном материале могут быть получены с применением различных добавок, удаляемых после твердения вяжущей системы, например кристаллов растворимых солей, сахара, полимеров [303]. Макропористость до 50 об.% может быть достигнута введением таких порообразующих добавок. Другой вариант - это введение в вяжущую систему гидрофобной жидкости, например масла, формирующей капли в цементной пасте. Йошикава с соавт. [304] формировали пористость введением в цемент сахарозы. В работе [305] предложен вариант способа изготовления макропористых матриксов по цементной технологии. Предложенное техническое решение создает два основных преимущества по сравнению с известными: позволяет изготавливать материал с плотной твердой фазой и использовать при этом температуры ниже комнатной. В качестве исходной вяжущей системы использовали "классическую" систему ТеКФ - ДКФ. К сухой цементной смеси добавляли чешуйки льда, полученные замораживанием раствора Na₂HPO₄ и протиркой через сито с размером ячейки 1 мм при температуре жидкого азота. Сухую смесь и чешуйки льда добавляли в жидкий азот, выливали в стальную форму и прессовали под давлением 106 МПа. Полученные таблетки выдерживали в растворе фосфата натрия при 37⁰С в течение 7 суток, затем высушивали при 80⁰С. В результате получали материалы с макропористостью до 41% и общей пористостью до 62%, в зависимости от количества вводимого льда. Доля пор размером более 50 мкм составила 15,3%. Прочность материала при сжатии весьма низка, около 0,6 МПа, что объясняется ее снижением по экспоненциальному закону с увеличением пористости (прочность материала с пористостью 31% составила 37 МПа). Представляется, что достижение высокой пористости и, в то же время, достаточной прочности - задачи противоположные.

Для повышения прочности может быть применено армирование цемента волокнами, причем армирование может также обеспечивать создание канальных пор, если армирующие волокна растворимы и подвержены резорбции. В работе [306] в "классическую" цементную пасту ТеКФ с ДКФ (мол. соотношение компонентов 1:1), затворенную водой, вводили резорбируемые жидкостями организма волокна Викрил™ (полиглактин 910) диаметром 322 мкм и длиной 8 мм в количестве 25 об.%. После схватывания и твердения при 37⁰С и 100% влажности, часть образцов погружали в изотонический 0,9%-ный раствор NaCl на период времени до 56 суток. Прочность при изгибе было повышена с 5 МПа для неармированного цемента до 12-14 МПа для композиционного материала. После примерно 10 суток выдержки в изотоническом растворе прочность резко снижалась. Особенно заметно, примерно в 100 раз, была повышена работа разрушения, максимальное значение которой составило для композиционного материала 3,4 кДж/м². Механизм повышения работы разрушения - перекрытие распространяющейся трещины мостиками связи - волокнами, вытягивание которых из цементной матрицы препятствует раскрытию трещины из-за сил трения по границе раздела волокно-матрица [170]. После растворения в матрице были сформированы канальные поры размером более 250 мкм. Предложенный прием представляется весьма эффективным для создания матриксов по цементной технологии.

Для того, что найти широкое практическое применение в костной хирургии для непосредственного заполнения дефектов кости, например при пластике позвоночника, апатитовые цементы должны обладать повышенной прочностью и инжектируемостью - две основные проблемы, на решение которых направлены усилия исследователей. Проблема повышения механических свойств является одной из наиболее актуальных. Прочность апатитовых цементов при сжатии находится в интервале 20-83 МПа, существенно ниже прочности кортикальной кости (90-209 МПа) [307]. Прочность брушитовых цементов еще ниже: при сжатии она составляет 1-24 МПа, при растяжении (диаметральном сжатии) - 0,7-4,5 МПа [308]. В таблице 15 приведены торговые марки некоторых промышленных костных и стоматологических цементов, исходные компоненты, образующиеся соединения и данные по прочности [28].

Отмечалось, что прочность цементов при сжатии находится в интервале 10-80 МПа, что существенно ниже прочности костной ткани (300-400 МПа), а также акрилатных костных цементов (68-260 МПа) [309]. Прочность цементов системы ?-ТКФ- ТеКФ была существенно повышения введением в их состав частично-стабилизированного диоксида циркония, про принципу трансформационного упрочнения [170]. Предпринимались также попытки повышения прочности цементов использованием добавок желатина [309, 310]. Изучали цементы, схватывание и твердение которых происходит в результате взаимодействия ?-ТКФ с водой с образованием кальций-дефицитного ГА, ДКФД или ОКФ, в зависимости от условий проведения реакции. При физиологических значениях рН и температуры продуктом реакции является кальций-дефицитный ГА, причем на скорость схватывания можно влиять введением других солей кальция [311]. Введением 5 масс. % желатина удалось повысить прочность цемента с 8 до 14 МПа (после 1 недели выдержки), причем прочность возрастала до 35 МПа на 30 сутки твердения. Вводя дополнительно в состав смеси пластинчатые кристаллы СаTiO₃ (4 мкм длиной) или ГА (3 мкм длиной) прочность на 7 сутки цемента с 5 масс. % желатина была повышена до 31,3 и 34,8 МПа, соответственно [309]. Повышение содержания желатина свыше 5 масс. % снижало прочность. Преимуществом цемента с желатином является его пластичность и устойчивость к быстрому схватыванию при помещении в буферную среду трис(гидроксиметил)аминометана. Аналогичный вариант был изучен в работах [311], однако в цемент дополнительно вводили 5 масс.% ДКФД. Достигнута максимальная прочность 14 МПа до 150 ч твердения, по сравнению с 2,5 МПа для контрольной смеси без желатина.

Значительное повышение как прочности, так и инжектируемости апатитовых и брушитовых цементов было достигнуто в работах [307]. Немодифицированные специальными добавками цементы не являются инжектируемыми системами, поскольку они легко расслаиваются при инжектировании из шприца на твердую и жидкую фазы, как при фильтр-прессовании. Повышение устойчивости системы к расслоению на твердую и жидкую фазу можно достичь использованием различных добавок к жидкой фазе, таких как молочная кислота, глицерин, хитозан, лимонная кислота или растворимые полимеры [312]. Цитратные ионы не токсичны и обнаруживаются в твердых тканях человека [307]. Известно, что цитратные ионы тормозят процесс выделения ОГА в цементах. Вследствие низкого значения рН лимонной кислоты (рН = 1,32) в ней происходит быстрое растворение частиц фосфатов кальция, процесс завершается при полном расходе кислоты. Концентрации ионов Са²⁺ и фосфат-ионов в связующем резко возрастает. Уровень пересыщения, необходимый для выделения ОГА из цитрат-содержащей среды, повышается. Положительным эффектом цитрат-ионов является снижение вязкости пасты, происходящее, как полагают, из-за сил отталкивания, создаваемых этими ионами. Избежать недостатков, связанных с использованием лимонной кислоты, можно, применяя ее соли.

В работе [307] изучали реологическое поведение и прочность "классического" апатитового цемента в системе ТеКФ - ДКФ с добавками трехнатриевой соли лимонной кислоты, исходя из следующих предпосылок: 1) соль не вызывает существенного снижения рН, в отличие от лимонной кислоты; 2) не должно происходить значительного повышения концентрации Са²⁺ и РО₄^3- в жидкой фазе и 3) соль не должна существенно тормозить кинетику схватывания цемента. Готовили в шаровой мельнице твердую смесь ТеКФ (размер частиц 10-15 мкм) с ДКФ в примерно эквимолярном соотношении. Затем к смеси добавляли 1 г сухой смеси Na₂HPO₄/NaH₂PO₄ (мол. соотношение 1:2) для ускорения схватывания до 4-5 мин при затворении водой. Готовили цементные образцы с соотношением фосфатная фаза : жидкость 3,3 г/мл, используя в качестве жидкости раствор 500 мМ трехнатриевого цитрата или 500 мМ лимонной кислоты в воде. Цементную пасту получали, смешивая 800 мг твердой фазы с варьируемым количеством жидкости в вибросмесителе в течение 15 с. Образцы цемента в стальной пресс-форме подпрессовывали давлением 9-50 МПа и затем к ним прикладывали давление 0,7 МПа на период времени 2 ч при 37⁰С и относительной влажности 100%. Перед механическими испытаниями образцы выдерживали в воде в течение 22 ч.

Время схватывания зависело от соотношения твердой и жидкой фаз, в общем снижаясь с повышением содержания первой, а также от количества натриевой соли. Использование раствора соли привело к повышению прочности цемента на 400% по сравнению с цементом, затворенным водой. Максимальное значение прочности составило 154 МПа (500 мМ соли в растворе, подпрессовка давлением 50 МПа) при его пористости 19%. Паста обладала великолепной инжектируемостью (отношение массы инжектированной пасты к исходной ее массе) при экструдировании из шприца с иглой для подкожных инъекций (игла 1,1 мм х 30 мм, внутренний диаметр отверстия 800 мкм) со скоростью 200 мм/мин при приложении усилия 300 Н. Важно, что при комнатной температуре паста сохранялась жидкой в течение более 1 ч, а при физиологической температуре она схватывалась в течение нескольких минут.

Аналогичный подход был применен и к брушитовым цементам системы ?-ТКФ - МКФМ [308]. Предварительно подпрессованный под давлением 10 МПа цемент после схватывания и твердения в течение 24 ч во влажной среде имел прочность до 55 МПа, что значительно превосходит известные данные для брушитовых цементов.

Важной "эксплуатационной" характеристикой цементов является их способность сохранять свои свойства в течение длительного периода времени. В работе [313] изучали старение смесей наполнителя брушитовой вяжущей системы ?-ТКФ - МКФМ при хранении при комнатной температуре. Механическая смесь компонентов при 22⁰С и относительной влажности 60% взаимодействовала с образованием ДКФ (монетит) в течение нескольких дней по механизму растворения/осаждения, происходящей в результате конденсации влаги на поверхности частиц. Замедлить взаимодействие компонентов данной системы удалось использованием осушенной атмосферы и введением твердых добавок трехнатриевого цитрата. Введение лимонной кислоты также эффективно тормозит взаимодействие, но одновременно снижает скорость схватывания цемента.

Таким образом, описанные результаты исследований приводят к выводу о высокой перспективности фосфатно-кальциевых цементов для применения в пластике костных тканей и в стоматологии, поскольку цементные материалы легко могут формоваться in situ, дозировано инжектироваться в место дефекта с использованием обычных шприцев, время их схватывания и твердения может регулироваться в широких пределах, они характеризуются высокой прочностью и легко регулируемой кинетикой резорбции (соотношением фаз ДКФД и ОГА). Цементная технология позволяет получать как относительно плотные, так и высокопористые материалы, пригодные для специфических применений, например для систем доставки лекарственных препаратов в организм.

Многочисленные исследования поведения фосфатно-кальциевых цементов in vivo продемонстрировали их высокую биологическую совместимость. В качестве примера можно отметить следующие результаты. Имплантирование цементных образцов системы ?-ТКФ - МКФМ - сульфат Са в эпифиз берцовой кости кролика показало, что через 16 суток имплантирования цемент замещался новой костью с механическими свойствами, не уступающими таковым у исходной костной ткани [314]. Образцы цемента в системе ?-ТКФ - ДКФ - СаСО₃ - ОГА имплантировали в трабекулярную часть кости козла. Во времени происходила резорбция цемента остеокластами с образованием новой костной ткани на поверхности материала без потери целостности связи кость - цемент [315]. Не обнаружено каких-либо отрицательных реакций (воспалительных, токсических и др.) со стороны организма при имплантировании цементов системы ?-ТКФ - ДКФД - ОГА в берцовую кость и в мышечную ткань собак [316]. Можно привести много результатов исследований с аналогичными результатами. Применение цементов уже переведено в клиническую стадию. Например, в работе [317] описаны результаты клинических испытаний цемента Biopex (Mitsubishi Materials, Япония) системы ?-ТКФ - ДКФД - ТеКФ для залечивания повреждений дистального отдела лучевой кости пациентов, больных остеопорозом. Залечивание перелома происходило в течение (в среднем) 3,5 недель, введение цемента в перелом существенно ускоряло процесс остеогенеза.

Существуют определенные перспективы для применения фосфатно-кальциевых цементов не только в костной хирургии и ортопедии, но также и в стоматологии, например для защиты пульпы или выстилки полостей. Возможно, цементы могут быть использованы для временной фиксации металлических корневых имплантатов. Однако их применение в качестве несущих нагрузку материалов ограничивается хрупкостью, низкими по сравнению с акрилатными материалами прочностью и сопротивлением усталостному разрушению.

Перспективными направлениями исследований в области фосфатно-кальциевых цементов являются создание технологии макропористых материалов для повышения остеокондуктивных качеств при сохранении требуемой прочности, регулирование резорбируемости макропористых матриксов для клеточных технологий реконструкции костных дефектов и создание по цементной технологии новых систем доставки лекарственных препаратов. В области технологии целесообразно изучение новых реакционно-твердеющих систем, для которых не требуется проведение предварительного синтеза ортофосфатов кальция, что позволило бы снизить стоимость продукции.

4.5 Покрытия

Покрытия на основе гидроксиапатита весьма эффективны для обеспечения остеоинтеграции металлических имплантатов с костными тканями [318-320]. Титановые имплантаты с такими покрытиями используются в стоматологии и ортопедии. Покрытие должно обладать развитой системой отрытых, взаимосвязанных пор достаточного размера (предпочтительно более 150 мкм) для обеспечения биологических потоков, необходимых для процесса остеоинтеграции. Важной проблемой является долговременная устойчивость покрытия к резорбции, которая зависит не только от адгезионной прочности, но и от фазового состава и степени кристалличности структуры [321-323]. Резорбция может приводить к образованию дебриса, закупорке кровеносных капилляров и некрозам [109]. Повысить сопротивление биорезорбции позволяет введение фтора в состав ГА-покрытия, поскольку фторгидроксиапатит имеет существенно более низкое значение произведения растворимостей в водных солевых растворах, чем ГА [109].

В качестве материалов для стоматологических и ортопедических имплантатов используют нержавеющую сталь, сплавы на основе кобальта, титан и его сплавы [324-326]. Последние, возможно, наиболее перспективны, обладая такими качествами, как биосовместимость, коррозионная стойкость, относительно низкий модуль упругости и высокая усталостная прочность. К недостаткам титановых сплавов можно отнести относительно низкие износостойкость и сдвиговую прочность. Физико-химические аспекты взаимодействия титана и его сплавов со средой организма были подробно рассмотрены А.В.Карловым и В.П.Шаховым [11].

Существуют разнообразные методы нанесения ГА-покрытий на металлические, в том числе титановые имплантаты: магнетронное распыление, совместное электронно-лучевое испарение CaO и термическое испарение P₂O₅ [323], ионно-стимулированное осаждение [327,328], осаждение методом лазерной абляции [329], химическое осаждение из паровой фазы, электрофоретическое осаждение, золь-гель, биомиметические методы. Основным, нашедшим коммерческое применение методом формирования ГА-покрытий является плазменное напыление, несмотря на такие недостатки формируемого этим методом покрытия, как невысокая прочность адгезии к подложке, неоднородность морфологии, кристалличности и фазового состава.

Плазменное напыление

Степень сцепления плазменного покрытия с подложкой зависит от многих технологических параметров: шероховатость поверхности подложки, температура плазменной струи и подложки, дисперсность порошка и дистанция напыления. Как показано в работе [330], важнейшим фактором является дисперсность порошка, при этом максимальная прочность сцепления гидроксиапатитового покрытия достигается при размере частиц напыляемого порошка ГА 40-70 мкм. Степень развития удельной поверхности в плазменном покрытии может быть на порядок величины больше, чем у исходного порошка, при этом пористость покрытия может изменяться от 5-10 до 50-60%. В структуре покрытий обычно содержатся как макропоры размером до 350 мкм, так и микропоры диаметром меньше 3 мкм. Важно отметить, что пористая структура покрытия, формируемая методом плазменного напыления, способствует эффективному прорастанию костной ткани в поры имплантанта.

Однако известно, что покрытия биоактивных порошков, напыленные непосредственно на основу из титана, могут терять связь с основой, в то время как связь покрытия с костной тканью остается достаточно устойчивой [325]. Одним из способов надежного улучшения прочности адгезии покрытия к титановой основе является использование переходных слоев, обеспечивающих плавный переход свойств от материала покрытия к материалу подложки [325]. В работе [326] описан запатентованный способ получения надежного покрытия ГА, характеризующегося прочностью адгезии 18-20 МПа. Суть метода состоит в том, что авторы используют три промежуточных слоя: 1-й слой - пористый титан, дисперсность 3-10 мкм, 2-й слой - пористый титан, дисперсность 50-100 мкм, и 3-й слой - пористая композиция титановые частицы с ГА (60%Ti, 40%ГА). Создание дополнительной разветвленной поверхности приводит к наиболее прочному закреплению на ней частичек плазменно-напыленного ГА. Для повышения однородности и пористости покрытия предложена технология активации ультразвуковых вибраций подложки в процессе напыления [326].

При плазменном напылении исходного порошка ГА происходит изменение его фазового состава и кристалличности. Например, в работе [331] обнаружено образование вторичных фаз: ТКФ и других ортофосфатов, при напылении высокозакристаллизованного порошка ГА. Рефлексы дифрактограмм материала покрытия значительно уширены по сравнению с таковыми для исходного порошка, что указывает на аморфизацию материала покрытия в процессе его напыления. Сравнительные исследования кинетики растворения покрытия непосредственно после напыления и после дополнительной термической обработки продемонстрировали значительно более высокую скорость растворения исходного покрытия, что обусловлено большей растворимостью аморфизированной и вторичных ортофосфатных фаз. Аморфизация апатита в плазменно-напыленном покрытии была отмечена также и в работе [332]. Аморфизация происходит преимущественно в области интерфейса покрытия с подложкой, аморфная фаза расположена по границам кристаллических зерен. Аморфизацию считают основной причиной снижения адгезионной прочности покрытия с подложкой при физиологических условиях.

В работе [333] исследован процесс, основанный на получении градиентного покрытия ГА на титане в результате сочетания ионно-стимулированного осаждения и последующего плазменного напыления. На рис. 63 приведен эскиз экспериментального имплантата, изготовленного из титана. Предложена технология нанесения покрытий ГА, включающая две стадии:

1) формирование переходного слоя методом ионно-стимулированного роста в вакууме,

2) последующее наращивание слоя биокерамики методом плазменного напыления на воздухе.

На первой стадии вакуумным радиочастотным ионно-стимулированным распылением мишени на подложке формировался переходный слой ГА толщиной от 0,2 до 7 мкм с высокой адгезией (слой 2 на рис. 63). Это достигалось нанесением ГА в условиях меняющейся во времени интенсивности ионной бомбардировки. Ионная бомбардировка была реализована путем подачи на подложкодержатель ВЧ-мощности и постоянного отрицательного напряжения смещения (асимметричный емкостной разряд). Данная технология впервые была разработана и исследована для получения высоко текстурированных пленок диоксида циркония, стабилизированного иттрием, с высокой адгезией [334].

Нанесение переходного слоя ГА производилось с использованием мишени специальной конструкции. Керамические мишени большой площади, как правило, быстро разрушаются в процессе эксплуатации при нанесении пленок с большой скоростью. Это происходит вследствие градиента температуры по толщине мишени, так как мишень с одной стороны разогревается ионной бомбардировкой, а с другой охлаждается водой. Поэтому была использована мишень, собранная из таблеток спеченного при 1250⁰ С ГА или керамики, полученной обжигом при той же температуре смеси ГА с 1 или 10 масс.% ФА. Таблетки имели диаметр 20 мм и толщину 6 мм. Их не приклеивали к мишенедержателю, как это обычно делается, а укладывали на металлическую фольгу, чтобы уменьшить тепловой контакт. Совокупность этих условий обеспечивала пониженный температурный градиент. Перед нанесением покрытия титановые подложки подвергались пероксидно-аммиачной отмывке. Распыление мишеней производилось в вакуумной камере при рабочем давлении 1 Па. Соотношение газов аргон/кислород было 10/1. Вначале осуществлялось предварительное распыление мишени “под заслонку”. Нанесение покрытия начиналось с ионного травления подложек подачей смещения -300 В. Затем открывалась заслонка и напряжение смещения на подложке плавно уменьшалось. На рис. 64 приведена диаграмма изменения ВЧ напряжения на подложке в процессе роста пленки. Процесс ионного травления подложки постепенно сменялся процессом роста пленки в условиях плавно уменьшающейся ионной бомбардировки. Таким образом, обеспечивали условия для взаимной диффузии материалов напыляемой пленки с подложкой с образованием переходного слоя, что и способствовало высокой адгезии формируемого покрытия. Кроме того, такая динамика смещения на подложке приводила к образованию аксиальной текстуры пленки с ориентацией (001). Конечное смещение на подложке показано на рис. 64 горизонтальной линией. Ранее было установлено, что оптимальным для получения плотных пленок является не нулевое значение конечного смещения. Для покрытий различного состава оно находится в пределах -40 -120 В [334, 335]; при этом покрытия имеют выраженную аксиальную текстуру и более высокую плотность, чем без ионной стимуляции. Поэтому на начальной стадии процесса покрытия получали в условиях ионной бомбардировки, следовательно, они были плотными. Постепенно ионная бомбардировка уменьшалась до нуля, при этом плотность уменьшалась. При отжиге, из-за малой плотности, с поверхности покрытия образуются поры, но не на всю глубину. Отжиг проводили на воздухе при 800^OC в течении 5 минут при проведении второго цикла - плазменного напыления. После отжига переходный слой от подложки к пленке не растрескивался. На второй стадии процесса на полученный подслой газовым плазмотроном наносилось покрытие требуемой толщины и химического состава.

На рис. 65 приведены дифрактограммы, снятые с титановой подложки (1), покрытия толщиной 5 мкм, полученного ионно-стимулированным распылением непосредственно после нанесения (2) и того же покрытия после термообработки при 800⁰С в течение 15 минут на воздухе (3). На дифрактограмме покрытия непосредственно после его нанесения имеется рефлекс, соответствующий плоскостям (002) ГА, причем он существенно размыт, что свидетельствует о высокодисперсном состоянии структуры материала покрытия и(или) малой степени упорядочения (кристалличности) его структуры. В результата отжига интенсивность этого рефлекса существенно возрастает, появляется рефлекс (004), что указывает на упорядочение, рост зерна и возможное снятие остаточных напряжений кристаллической решетки ГА. Электронная микрофотография поверхности этого покрытия показана на рис. 66. Как видно, покрытие практически не содержит пор, средний размер кристаллитов составляет примерно 20 мкм.

На рис. 67 приведена структура покрытия ГА толщиной около 100 мкм после плазменного напыления на воздухе на подслой толщиной 5 мкм, полученный ионно-стимулированным осаждением в вакууме. Как видно, плазменное покрытие содержит крупные поры размером до 100-150 мкм. Геометрическая форма большинства частиц, образующих покрытие, сферическая и их размер 25 мкм и выше. Частицы прозрачные. По-видимому, частицы порошка ГА в процессе напыления расплавляются и попадают на поверхность подложки в жидкой фазе. Для анализа интерфейсного слоя пленка-подложка использовался метод оптической микроскопии. Исследовали поперечный разрез титановой подложки с ГА-покрытием. Пропитка сколотого слоя красящей жидкостью со стороны подложки подтвердила наличие сквозных поперечных пор даже при толщине слоя 350 мкм. Распределение усредненного размера пор по глубине слоя имеет экспоненциальный характер - крупные поры преобладают на поверхности, а мелкие в глубине слоя. Размер мелких пор определяется преобладающим размером гранул исходного порошка ГА, используемого для напыления.

Рентгенограммы, снятые от исходного ГА и плазменного ГА-покрытия, идентичны, за исключением некоторого отличия в интенсивностях отдельных рефлексов. На рис. 68 показаны, в качестве примера, дифрактограммы, снятые с поверхности плазменного покрытия ГА (рис. 68а) и ГА (90%)-ФА(10%) (рис. 68б). Дифрактограммы практически идентичны, за исключением соотношения интенсивностей некоторых рефлексов, и соответствуют дифрактограммам исходных порошков, использованных для плазменного напыления.