Синтетический коралл для реконструкции костных дефектов
Изобретение относится к области медицины и касается керамических материалов для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. Материал по своему химическому составу близок к естественным кораллам. Выполнен на основе порошка карбоната кальция и добавки 0,5-20 мас%. В процессе обжига формируется материал, обладающий равномерной микроструктурой, низкой пористостью и высокой прочностью. По сравнению с природными кораллами полученный искусственный коралл не содержит вредных примесей, имеет высокие механические характеристики и доступность исходных материалов, что позволяет широко использовать данный материал для закрытия полостей в костных тканях, в том числе и сложнонагруженных. 1 табл.
Изобретение относится к медицине, а именно к пластической реконструкции поврежденных костных тканей.
Природные кораллы применяются в медицине в качестве материалов для восстановления костной ткани (Resorption kinetics of osseous substitute: natural coral and synthetic hydroxyapatite Biomaterials, Volume 17, Issue 13, July 1996, Pages 1345-1350). Однако природные кораллы содержат разное количество примесей, что осложняет их применение в медицине. Также недостатком природные кораллов является трудность их механической обработки, вследствие чего получить изделие нужной конфигурации достаточно сложно или практически невозможно. Природные кораллы можно с успехом заменить искусственными чистыми материалами на основе карбоната кальция - искусственных кораллов (ИКОР). Кроме того, из ИКОР можно получать изделия заданной конфигурации, планируемые под конкретный типовой или индивидуальный дефект кости (уже на стадии формирования керамических изделий), что практически невозможно при использовании природных материалов. В ряде случаев требуется применять прочные костные имплантаты, способные нести высокие нагрузки в костных биоконструкциях человека. Это возможно достичь при использовании только искусственных материалов - ИКОР, обладающих высокой прочностью за счет создания равномерных мелкодисперсных структур. Однако получение ИКОР осложнено разложением карбоната кальция при температурах выше 600-700°С.
Известен ИКОР (М.Komatsu, Y.Yamamoto, Seramikkusu 28 (1993) 37), изготавливаемый из порошка карбоната кальция при более низких температурах 600-700°С методом горячего прессования. Снижение температуры спекания позволило избежать частичного разложения ИКОР с образованием оксида кальция. Однако метод горячего прессования не позволяет получать изделия сложной формы. К недостаткам материала можно также отнести использование дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является ИКОР (F.Tetard, D.Bernache-Assollant, E.Champion, P.Lortholary Solid State Ionics Grain growth kinetics of L&PO, - doped calcium carbonate 101-103 (1997) 517-525), полученный спеканием при 700-730°С. Спекание образцов осуществляется при низких температурах и достигается за счет введения добавки фосфата лития в количестве до 8 мас.% и создания газовой среды с избыточным давлением углекислого газа - 4 кПа. Недостатком данной керамики является высокая температура спекания и использование специального термического оборудования, а также низкая прочность - не более 20 МПа при изгибе, что является следствием формирования крупнокристаллической структуры и частичного разложения карбоната кальция, резко усиливающегося с увеличением температуры выше 700°С. Низкая прочность данного материала ограничивает его применение в качестве прочных имплантатов, используемых для устранения костных дефектов.
Технический результат предлагаемого изобретения - получение ИКОР при более низких температурах спекания и с более высокой прочностью.
Для достижения технического результата предлагается ИКОР, состоящий из карбоната кальция 80-99,5 мас.% и добавки карбоната калия и/или карбоната натрия в количестве 0,5-20%.
Указанный состав ИКОР неизвестен. При обжиге добавка карбоната калия или карбонат натрия диссоциирует с образованием катионов и карбонат-анионов, при взаимодействии с которыми в решетке спекаемого материала образуются многочисленные дефекты, как по аниону, так и по катиону, что способствует спеканию по твердофазовому механизму при более низких температурах. Также в процессе обжига при взаимодействии указанных карбонатов образуются низкотемпературные расплавы, что способствует спеканию по жидкофазному механизму. Кроме того, высокая концентрация карбонат-ионов приводит к стабилизации ИКОР при температурах выше 600°С.
Пример 1
95 мас.% (4,75 г) порошка карбоната кальция (размер частиц около 1 мкм) смешивают с 5 мас.% (0,25 г) карбоната калия. После сушки в полученную шихту вводят временную связку, обеспечивающую формование. Затем образцы формуют в виде балочек и обжигают на воздухе при 640°С. Обожженные образцы ИКОР характеризовались равномерной микроструктурой со средним размером кристаллов 2-4 мкм и имели прочность при изгибе 50 МПа.
Пример 2
Получение образцов аналогично примеру 1, отличием является использование в качестве добавки смеси карбоната натрия и карбоната калия в количестве 20 мас.% (соотношение в добавке 60 мас.% карбоната натрия и 40% карбоната калия) и проведение обжига при 680°С. Полученные образцы ИКОР характеризовались равномерной микроструктурой с размером кристаллов 5-8 мкм и имели прочность при изгибе 30 МПа.
Были изготовлены образцы керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.
Полученный ИКОР, состоящий из карбоната кальция, содержащий добавку - карбоната калия и/или карбонат натрия. При этом общее количество добавки должно быть в пределах 0,5-20 мас.%. Полученная керамика характеризуется более высокой прочностью по сравнению с прототипом и спекается при более низких температурах. Введение добавки менее 0,5 мас.% не позволяет получать прочный материал. При этом увеличение температуры приводит к разложению образцов и потере их целостности. При содержании добавки более 20 мас.% происходит деформация образцов ИКОР и падение их прочности.
| Состав и свойства спеченных материалов | ||||||
| № образца | Содержание добавки, мас.% | Соотношение компонентов в добавке, мас.% | Средний размер кристаллов, мкм | Температура обжига, °С | Прочность при изгибе, МПа | |
| карбонат калия | карбонат натрия | |||||
| 1 | 5 | 100 | - | 2-4 | 640 | 50 |
| 2 | 20 | 40 | 60 | 5-8 | 680 | 30 |
| 3 | 0,5 | - | 100 | 1-2 | 660 | 30 |
| 4 | 25 | 50 | 50 | 8-12 | 680 | деформация образца |
| 5 (прототип) | 8 | фосфат лития | 9 | 700 | 25 | |
| 6 | 0 | - | - | 1-2 | 650 | образец разрушился |
Синтетический коралл для устранения костных дефектов на основе карбоната кальция и добавки, отличающийся тем, что содержит добавку карбоната калия и/или карбоната натрия при следующем соотношении компонентов в материале, мас.%:
| Карбонат кальция | 80-99,5 |
| Добавка | 0,5-20, |
при следующем соотношении компонентов в добавке, мас.%:
| Карбонат калия | до 100 |
| Карбонат натрия | до 100 |
