Низкотемпературная фторгидроксиапатитовая керамика для реконструкции костных дефектов

Изобретение относится к медицине, в частности к кальцийфосфатным фторгидроксиапатитовым керамическим материалам, предназначенным для изготовления костных имплантатов и/или замещения дефектов при различных костных патологиях. Получение прочного ФГА связано с высокой температурой обжига керамики. Для снижения температуры спекания использовали нанодисперсный порошок фторгидросиапатита и добавку на основе системы фторидов натрия и лития в количестве до 5 масс.%. При обжиге добавка образует низкотемпературный расплав, что способствует спеканию по жидкофазному механизму при температурах ниже 700°С. Кроме того, высокая концентрация фтор-ионов приводит к стабилизации состава ФГА керамики при температурах 600-700°С и препятствует образованию других изоморфных модификаций гидроксиапатита. Мелкокристаллическая структура с размером кристаллов менее 250 нм с пористостью менее 5% и прочностью до 90 МПа при изгибе позволяет использовать полученный фторгидроксиапатитовый керамический материал в качестве прочных нерезорбируемых костных имплантатов. Основные характеристики, определяющие использование ФГА, - это высокая прочность и замедленное разрушение в водных средах, проявляющееся в снижении прочности керамики в результате процесса химической коррозии под механическими напряжениями. 1 табл.

 

Биологические керамические материалы на основе фторгидроксиапатита (ФГА) применяются в медицине для реконструкции костных дефектов. Основные характеристики, определяющие использование ФГА, - это высокая прочность и замедленное разрушение в водных средах, проявляющееся в снижении прочности керамики в результате процесса химической коррозии под механическими напряжениями. Получение прочного ФГА связано с высокой температурой обжига керамики. В работе (S.M.Barinov, F.Rustichelli, V.P.Orlovskii, A.Lodini, S.Oscarsson, S.A.Firstov, S.V.Tumanov, P.Millet and Е. Rosengren Influence of fluorapatite minor additions on behavior of hydroxyapatite ceramics // Journal of Materials Science: Materials in Medicine Vol 15, N 3 / March 2004 г. Р.291-296) были получены ФГА материалы с низкой пористостью при обжиге при темпратуре 1150-1400°С. Данные керамические материалы начинали спекаться при 1200°С, при этом их прочностью при изгибе и усадка составили, соответственно, до 50 МПа и около 6-8%. Основным недостатком данного материала является высокая температура обжига, что требует использование специального термического оборудования и приводит к повышению себестоимости керамических изделий.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является ФГА (Кулинич Е.А., Хабас Т.А., Верещагин В.И., Никитина Д.А. Фазообразование и спекание гидроксиапатитфлюоритовых композиций с щелочесодержащими добавками // Стекло и Керамика, No.12, С.6-9, 2008.), содержащий легкоплавкие добавки (фториды кальция и лития, тетраборат натрия, гидроксид лития и алюмосиликаты калия (полевой шпат, лейцит)) в количестве от 1 до 50% и спекающиеся при 900-1100°С. Снижение температуры обжига стало возможно за счет введения добавок, образующих низкотемпературные расплавы. Основной недостаток данных материалов - высокая температура обжига более 900°С и низкая прочность от 7,5 до 72,2 МПа, а также высокое содержание легкоплавких щелочных добавок до 50 масс.%. Низкая прочность может являться следствием крупнокристаллической структуры материала, получаемой из-за высокой температуры обжига и значительного содержания вводимых добавок.

Технический результат предлагаемого изобретения - получение ФГА керамического материала, спекающегося до плотного состояния (открытая пористость менее 5%) при температурах до 700°С и характеризующегося мелкокристаллической структурой с размером кристаллов менее 250 нм и прочностью при изгибе 70-95 МПа и на сжатие 200-250 МПа.

Технический результат достигается тем, что низкотемпературная фторгидроксиапатитовая керамика для реконструкции костных дефектов спекается до плотного состояния с открытой пористостью менее 5% при температуре до 700°С, характеризуется мелкокристаллической структурой с размером кристаллов менее 250 нм и прочностью при изгибе не менее 70-95 МПа и на сжатие не менее 200-250 МПа и содержит добавку при следующем соотношении компонентов в материале, масс.%:

Фторгидроксиапатит	95-99,5
Добавка	0,5-5

При следующем соотношении компонентов добавки, масс.%:

фторид натрия	35-55
фторид лития	45-65

Керамический материал указанного состава и структуры, спекающийся до плотного состояния при температуре ниже 700°С, неизвестен.

При обжиге добавка фториды лития и натрия образуют низкотемпературные расплавы, что способствует спеканию по жидкофазному механизму при температурах ниже 700°С. Кроме того, высокая концентрация фтор-ионов приводит к стабилизации состава ФГА керамики при температурах 600-700°С и препятствует образованию других изоморфных модификаций гидроксиапатита.

Полученная керамика характеризуется более высокой прочностью по сравнению с прототипом и спекается при более низких температурах. Введение добавки менее 0,5 масс.% не позволяет получать плотный и прочный материал при температуре ниже 700°С. При содержании добавки более 5 масс.% происходит деформация образцов ФГА керамики, рост кристаллов более 300-1000 нм, что приводит к снижению прочности. При выходе за указанные пределы соотношений компонентов добавки, происходит повышение температуры образования расплава добавки и как следствие повышение температуры обжига ФГА керамики.

Пример. ФГА керамику получали смешением компонентов - 10 г. нанопорошка ФГА с 0,2 г. (2 мас.%) добавки состава фторид натрия 0,1 г (1 масс.%) и фторид лития 0,1 г. (1 масс.%). Затем порошки прессовали и обжигали при 650-700°С. В результате получали ФГА образцы со средним размером кристаллов до 150-200 нм и прочностью при сжатии 220 МПа и прочностью при изгибе 90 МПа с открытой пористостью 2%. Были также изготовлены образцы ФГА, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.

Низкотемпературная фторгидроксиапатитовая керамика для реконструкции костных дефектов, отличающаяся тем, что спекается до плотного состояния с открытой пористостью менее 5% при температуре до 700°С и характеризуется мелкокристаллической структурой с размером кристаллов менее 250 нм и прочностью при изгибе не менее 70-95 МПа и на сжатие не менее 200-250 МПа и содержит добавку при следующем соотношении компонентов в материале, мас.%:

Фторгидроксиапатит	95-99,5
Добавка	0,5-5

при следующем соотношении компонентов добавки, мас.%

фторид натрия	35-55
фторид лития	45-65