Нанобиоцемент и способ его получения в готовых изделиях из гидроксилапатита
Владельцы патента RU 2409393:
Государственное учебно-научное учреждение Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (RU)
Изобретение относится к области медицины. Описан нанобиоцемент, который может быть использован в качестве костезамещающего материала при осуществлении различного рода операций, связанных с поломкой или утратой больным кости или ее частей. В готовых изделиях гидроксилапатита, облученных быстрыми электронами, испускаемыми радиоизотопным источником 90Sr+90Y, при поглощенной дозе излучения, равной 35,2±1,8 Гр, средний размер блоков мозаики составляет от 36,9 до 59,9 нм, модуль упругости равен 0,21 кН/мм2, деформация сжатия при максимальном напряжении составляет 6,63%, а предельная деформация сжатия равна 6,94%. Технический результат изобретения - это уменьшение хрупкости костезамещающего материала. 4 табл.
Изобретение относится к области медицины. Нанобиоцемент может быть использован в качестве костезамещающего материала при осуществлении различного рода операций, связанных с поломкой или утратой больным кости или ее частей.
Известен цемент - гипс CaSO4·2H2O [1], широко и давно используемый в медицине для фиксации положения травмированных костей после хирургических операций. Основными недостатками гипса являются его чрезмерная жесткость, существенное отличие его состава от состава кости и невозможность поэтому использования его в качестве костезамещающего материала.
Наиболее близким к заявляемому материалу является биоцемент - гидроксилапатит Ca5[(PO4)3OH] [2]. Его состав совпадает с составом костей человека и поэтому он может быть использован в качестве костезамещающей ткани.
Недостатком биоцемента Ca5[(PO4)3OH] является его высокая хрупкость.
Заявляемое изобретение направлено на уменьшение хрупкости биоцемента.
Указанный результат достигается тем, что в готовых изделиях гидроксилапатита, облученных быстрыми электронами, испускаемыми радиоизотопным источником
90Sr+90Y, при поглощенной дозе излучения, равной 35,2±1,8 Гр, средний размер блоков мозаики составляет от 36,9 до 59,9 нм, модуль упругости равен 0,21 кН/мм2, деформация сжатия при максимальном напряжении составляет 6,63%, а предельная деформация сжатия равна 6,94%.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
- облучение готовых изделий гидроксилапатита быстрыми электронами;
- использование в качестве эмиттера быстрых электронов радиоизотопного источника 90Sr+90Y;
- значение поглощенной дозы излучения, равное 35,2±1,8 Гр;
- уменьшение среднего размера блоков в заявляемом материале до значений от 36,9 до 59,9 нм;
- уменьшение модуля упругости в заявляемом материале до значения, равного 0,21 кН/мм2;
- увеличение в заявляемом материале деформации сжатия при максимальном напряжении до значения, равного 6,63%;
- увеличение в заявляемом материале предельной деформации сжатия до значения, равного 6,94%.
Экспериментально установлено, что при облучении быстрыми электронами плоских поверхностей изготовленных из порошка гидроксилапатита цилиндрических образцов блоки мозаики наноразмеров образуются на обеих поверхностях только в том случае, если поглощенная доза излучения равна 35,2±1,8 Гр.
Экспериментально установлено, что средние размеры блоков гидроксилапатита, реализуемые в заявляемом изобретении и равные от 36,9 до 59,9 нм, существенно меньше средних размеров блоков в исходном, не облученном электронами материале.
Экспериментально установлено, что значение модуля упругости гидроксилапатита, реализуемое в заявляемом изобретении и равное 0,21 кН/мм2, в 6,2 раза меньше среднего значения модуля упругости в исходном материале, что означает существенное уменьшение хрупкости заявляемого материала.
Экспериментально установлено, что значение деформации гидроксилапатита при максимальном напряжении, реализуемое в заявляемом изобретении и равное 6,63%, в 2,0 раза больше среднего значения деформации сжатия при максимальном напряжении в исходном материале, что является прямым подтверждением уменьшения хрупкости заявляемого материала.
Экспериментально установлено, что значение предельной деформации сжатия, реализуемое в заявляемом изобретении и равное 6,94%, в 1,74 раза больше среднего значения предельной деформации сжатия в исходном материале, что также является прямым подтверждением уменьшения хрупкости заявляемого материала.
Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.
В качестве эмиттера электронов использовался радиоизотопный источник 90Sr+90Y, содержащий смесь радиоактивных изотопов стронция 90 и иттрия 90 [3]. Этот источник электронов обладает рядом преимуществ по сравнению с обычно используемыми ускорителями электронов, главными из которых являются: отсутствие потребления электроэнергии, большой срок службы, малые габариты и простота эксплуатации. Энергетический спектр электронов источника Sr90+Y90 весьма широк: он простирается от практически нулевых энергий до E0=2,27 МэВ. Кривая распределения бета-частиц по энергиям имеет максимум E≈1/3E0≅0,76 МэВ.
Средние размеры блоков (кристаллитов) определялись методом рентгеновской дифрактометрии [4] при помощи автоматизированного рентгеновского дифрактометра марки "ДРОН-4". Использовалось излучение CoKα, монохроматизированное отражением от пирографита на дифрагированном пучке. Применялось шаговое сканирование: шаг 0,1 угл. град., время регистрации τ в точке 10 с, интервал 30-100 (в брегговских углах 2θ).
Для определения среднего размера блоков использовались программы OUTSET и PROFILE [5], а также аналитический метод [6].
Программа PROFILE основана на мозаичной модели кристалла [4]. Расчет размеров мозаичных блоков связан с некоторыми ограничениями, обусловленными принципиальными возможностями метода аппроксимации [4]. Так, этот метод не способен определить размер блоков мозаики, если он превышает 250 нм [7].
Нами экспериментально установлено, что облучение быстрыми электронами биоцемента-гидроксилапатита Ca5[(PO4)3OH] существенно уменьшает его хрупкость.
Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась следующим образом. Исходные образцы биоцемента, состоящего из гидроксилапатита Ca5[(PO4)3OH], и образцы из него, облученные быстрыми электронами, исследовались на испытательной машине германского производства Zwick/Roell Z100. Образцы, изготовленные из порошка гидроксилапатита, имеющие форму цилиндров ⌀ 9 мм и высотой ≈9 мм, облучались при комнатной температуре с одной из плоских поверхностей быстрыми электронами. Проводились испытания на сжатие. Скорость деформации составляла 50 мм/мин.
В таблицах 1-4 приведены результаты экспериментов.
В таблице 1 представлены механические характеристики восьми исходных образцов, изготовленных из гидроксилапатита Ca5[(PO4)3OH].
Из табл.1 следует, что все механические характеристики исходных образцов имеют большой разброс от образца к образцу: так, например, максимальное и минимальное значения Е отличаются друг от друга на 77,5%, - в 1,56 раза.
Е - модуль упругости,
Fmax - максимальное значение сжимающего напряжения,
Fразр. - значение сжимающего напряжения при разрушении образца,
- значение деформации сжатия при максимальном значении сжимающего напряжения;
εразр. - значение предельной деформации сжатия (при разрушении образца).
В табл.2 приведены механические характеристики 5 облученных образцов, изготовленных из гидроксилапатита.
Сопоставление данных, приведенных в табл.1 и 2, показывает, что средняя деформация сжатия при максимальном напряжении в исходных образцах составляет 3,33%, тогда как в облученных образцах - 6,07%. Средняя предельная деформация сжатия в исходных образцах равна 3,98%, а в облученных образцах - 6,35%. Таким образом, в результате облучения средняя деформация сжатия при максимальном давлении возрастает на 82%, а средняя предельная деформация сжатия - на 62%.
Еще большие отличия наблюдаются в облученном образце №3 по сравнению с исходными образцами. Так, модуль упругости в нем по крайней мере в 5 раз меньше среднего значения в исходных образцах.
Причины этого эффекта хорошо видны из рассмотрения таблиц 3 и 4: в таблице 3 приведены средние размеры блоков мозаики гидроксилапатита в пяти облученных образцах и одном исходном образце в зависимости от значений поглощенной дозы излучения, а в таблице 4 проведено сопоставление средних размеров блоков облученных образцов гидроксилапатита и их некоторых механических характеристик в зависимости от значений поглощенной дозы излучения.
Заметим, что при анализе результатов, помещенных в табл.3, мы пользуемся данными, полученными при помощи метода [6], а не метода [5], поскольку метод [6] более адекватно отражает реальность [6].
Из табл.3 ясно, что значения средних размеров блоков мозаики на обеих поверхностях образца удовлетворяют определению наночастиц (размеры блоков меньше или равны 100 нм) только в одном случае: когда значение поглощенной дозы излучения равно 35,2±1,8 Гр.
Из анализа табл.4 очевидно, что минимальное значение модуля упругости Е и максимальные значения деформаций сжатия достигаются в тех случаях, когда размеры блоков гидроксилапатита минимальны и, главное, меньше 100 нм, что, как сказано выше, отвечает значению поглощенной дозы излучения, равной 35,2±1,8 Гр. Этот факт не вызывает удивления, поскольку согласно общепринятым представлениям [8] такие размеры блоков отвечают определению наночастиц, а в области наноразмеров механические характеристики материалов обладают уникальными свойствами [8].
| Таблица 3 | |||||
| Значения поглощенных доз излучения и средних размеров блоков мозаики, измеренных на плоских поверхностях цилиндрических образцов гидроксилапатита, облученных и необлученных быстрыми электронами | |||||
| № обр. | Dпогл. β, Гр | D, нм | |||
| Поверхности, облученные электронами | Поверхности, не облученные электронами | ||||
| Метод расчета | Метод расчета | ||||
| PROFILE [5] | Аналитический метод [6] | PROFILE [5] | Аналитический метод [6] | ||
| 6 | 0 | 227±59 | 144,2±63,4 | - | - |
| 1 | 8,8±1,8 | 237±58 | 144,0±56,4 | 116±21 | 75,2±23,2 |
| 2 | 17,6±1,8 | >250 | >250 | 96±10 | 64,7±13,0 |
| 3 | 35,2±1,8 | 89±6 | 59,9±7,1 | 49±2 | 36,9±5,6 |
| 4 | 176±4,0 | >250 | 238,7±230,3 | 112±24 | 74,5±26,6 |
| 5 | 1760±80 | >250 | 175,9±140,6 | 220±61 | 138,4±63,3 |
Таким образом, в настоящем изобретении авторы заявляют новый материал - гидроксилапатит с частицами наноразмеров, получаемый в готовых образцах, изготовленных из порошка [2], облучением быстрыми электронами, испускаемыми радиоизотопным источником 90Sr+90Y, при поглощенной дозе излучения, равной 35,2±1,8 Гр, и обладающей благодаря таким размерам частиц уникальными механическими характеристиками.
Источники информации
1. Неницеску К. Общая химия. - М.: НИР, 1968, - 816 с.
2. Получение гидроксилапатита гидролизом α-Ca3(PO4)2. / Синицына О.В., Вересов А.Г., Ковалева Е.С., Королько Ю.В., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д. // Известия Академии Наук. Серия химическая, 2005, №1, стр.78-85 (Прототип).
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике // М.: Физматгиз, 1963, - 848 с.
4. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Изд. 4-е. - М.: МИСиС, 2002, - 360 с.
5. Шелехов Е.В., Свиридова Т.А. Программы для рентгеновского анализа поликристаллов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2000, - №8, - С.16-19.
6. Коршунов А.Б. Аналитический метод определения параметров тонкой кристаллической структуры по уширению рентгеновских линий // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004, - Т.70, №2, - С.27-32.
7. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С.Уманский, Ю.А.Скаков, А.Н.Иванов, Л.Н.Расторгуев. - М.: Металлургия, 1982, - 632 с.
8. Гуткин М.Ю., Овидько И.А. Предел текучести и пластическая деформация нанокристаллических материалов // Успехи механики. - 2003, №1, С.68-125.
Костеозамещающий материал, характеризующийся тем, что он представляет собой нанобиоцемент из кристаллитов гидроксилапатита со средним размеров от 36,9 до 59,9 нм, значением модуля упругости, равным 0,21 кН/мм2, деформацией сжатия при максимальном напряжении 6,63%, предельной деформацией сжатия 6,94%, который получен путем облучения изделия из порошка гидроксилапатита Са5[(PO4)3ОН] быстрыми электронами, испускаемыми радиоизотопным источником 90Sr+90Y, с поглощенной дозой излучения 35,2±1,8 Гр при комнатной температуре.
