Способ упрочнения пористой кальцийфосфатной керамики

Изобретение относится к композиционным материалам на основе кальцийфосфатной керамики с улучшенными прочностными характеристиками и может быть использовано для заполнения костных дефектов в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии. Для получения упрочненных пористых композиционных материалов на основе гидроксиапатита и трикальцийфосфата пористую керамическую матрицу кальцийфосфатной керамики с соотношением Са/Р от 1,5 до 1,67 пропитывают 1-5%-ным раствором среднемолекулярного или высокомолекулярного хитозана в 8%-ной уксусной кислоте при остаточном давлении от 0,1 до 0,3 Па с выдержкой от 10 до 30 минут и последующей сушкой при комнатной температуре в течение до 24 часов. Изобретение позволяет повысить прочность композиционного материала в 8-9 раз. 3 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к области керамических материалов для медицины, а именно травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии и может использоваться для изготовления материалов, предназначенных для заполнения костных дефектов.

Применение кальцийфосфатной керамики в качестве материала для имплантатов, несущих механические нагрузки, часто невозможно из-за недостаточных прочностных характеристик и трещиностойкости. Поскольку естественная костная ткань является композиционным материалом, состоящим из гидроксиапатита, коллагена и других белков, то значительные перспективы для повышения механических свойств кальцийфосфатной керамики, предназначенной для изготовления костных имплантатов, имеет принцип формирования композиционных структур.

Известна работа [Komlev V.S., Barinov S.M., Rustichelli F. Strength enhancement of porous hydroxyapatite ceramics by polymer impregnation. // J. Mat. Sci. 2003. V.22. P.1215-1217.], в которой получали композиционные материалы, пропитывая пористый керамический матрикс на основе гидроксиапатита растворами полимеров - желатина и поливинилового спирта (ПВС). Показано, что при пропитке матриксов с пористостью 50% растворами желатина или ПВС концентрации 10% прочность при растяжении увеличивалась в 5 и в 3 раза, соответственно. Недостатками данного способа являются использование ПВС, который не проявляет биологической активности, не подвергается биодеградации. Желатин получают из костей животных, поэтому он может содержать опасные для человека факторы-возбудители различных заболеваний.

Известно [Nakahira A., Tamai М., Miki S. Fracture behavior and biocompatibility evaluation of nylon-infiltrated porous hydroxyapatite // J. Mat. Sci. 2002. V.37. P.4425-2230] влияние пропитки нейлоном ГА каркаса с пористостью 54%: после пропитки коэффициент трещиностойкости увеличивается от 0,4 до 1,65 МПа·м^1/2. Однако нейлон, как и ПВС не подвергается биодеградации в организме.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [С1 2297249 RU A61L 27/10. Способ получения композиционного материала для заполнения костных дефектов. Комлев B.C., Баринов С.М. (Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН (RU)). - патент РФ №2297249], сущность которого состоит в пропитке пористой керамической матрицы из кальцийфосфатной керамики с соотношением Ca/Р от 1,5 до 1,67 растворами коллагена, желатина и поливинилового спирта концентрацией от 4 до 10% под вакуумом от 0,1 до 3,0 Па с выдержкой от 10 до 30 мин. при температуре раствора от 10 до 75°С с последующей сушкой композиции в течение до 24 ч, при этом прочность материала возрастает в 5-6 раз. Недостатком данного способа является относительно низкая прочность полученных композиционных материалов, а также использование материалов (желатина и коллагена), полученных из костей и шкур млекопитающих, которые могут содержать опасные для человека факторы различных заболеваний.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа упрочнения пористой керамики растворами хитозана.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности композиционных материалов в 8-9 раз, а также снижение риска заражения опасными для человека инфекциями в результате использования среднемолекулярного и низкомолекулярного хитозана.

Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения пористой кальцийфосфатной керамики пропиткой полимерами, заключающемся в пропитке пористой керамической матрицы из кальцийфосфатной керамики с соотношением Ca/Р от 1,5 до 1,67 растворами полимеров под вакуумом от 0,1 до 3,0 Па с выдержкой от 10 до 30 мин с последующей сушкой композиции в течение 24 часов, согласно изобретению, в качестве растворов полимеров используют 1-5% растворы среднемолекулярного и 0,5-2,5% растворы высокомолекулярного хитозана в 8% уксусной кислоте.

Сущность изобретения состоит в повышении прочности кальцийфосфатного материала в результате пропитки его растворами хитозанов в 8-9 раз. Повышение прочности связано с более эффективным залечиванием микродефектов керамики растворами хитозанов по сравнению с растворами коллагена и желатина.

Пример 1. Образцы пористой керамики из гидроксиапатита (Ca/Р=1,67) подвергали инфильтрации в 1, 2,5 и 5%-ных растворах среднемолекулярного хитозана в 8% растворе уксусной кислоты под вакуумом при остаточном давлении 1,33 Па в течение 10 и 30 мин. Температура раствора составляла 50°С. Затем полученные образцы извлекали из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 20 часов при комнатной температуре. Прочность полученных образцов - 8,5 МПа.

Пример 2. Образцы пористой керамики из трехкальциевого фосфата (Ca/Р=1,5) подвергали инфильтрации в 1, 2,5 и 5%-ных растворах среднемолекулярного хитозана в 8% растворе уксусной кислоты под вакуумом при остаточном давлении 1,33 Па в течение 10 и 30 мин. Температура раствора составляла 70°С. Затем полученные образцы извлекали из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 20 часов при комнатной температуре. Прочность полученных образцов - 8,9 МПа.

Пример 3. Образцы пористой керамики из гидроксиапатита (Ca/Р=1,67) подвергали инфильтрации в 1, 2,5 и 5%-ных растворах высокомолекулярного хитозана в 8% растворе уксусной кислоты под вакуумом при остаточном давлении 1,33 Па в течение 10 и 30 мин. Температура раствора составляла 60°С. Затем полученные образцы извлекали из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 20 часов при комнатной температуре. Прочность полученных образцов - 9,2-9,5 МПа.

В таблице 1 приведены свойства композиционных материалов, полученных при различных режимах процесса. Пропитка керамики полимером приводит к повышению прочности до 9 раз. Эффект повышения прочности зависит от вида хитозана, а также от технологических условий эксперимента. При уровне вакуума менее ОД Па резко снижается пористость матрицы, а при уровне более 3,0 Па не происходит существенного упрочнения материала. При концентрации раствора биополимера менее 1% не достигается повышение прочности, а при концентрации более 5% инфильтрация полимера затруднена. При температуре раствора ниже 50°С процесс пропитки не реализуем из-за резкого увеличения вязкости раствора, а при температуре выше 70°С происходит частичная деструкция хитозана, сопровождающаяся изменением окраски раствора и изменением вязкости. Длительность сушки 24 часа вполне достаточна для удаления воды из композиционного материала.

Способ упрочнения пористой кальцийфосфатной керамики, заключающийся в пропитке пористой керамической матрицы из кальцийфосфатной керамики с соотношением Са/Р от 1,5 до 1,67 растворами полимеров под вакуумом от 0,1 до 3,0 Па с выдержкой от 10 до 30 мин с последующей сушкой композиции в течение до 24 ч, отличающийся тем, что в качестве растворов полимеров используют 1-5%-ные растворы среднемолекулярного и высокомолекулярного хитозана в 8%-ной уксусной кислоте.