Способ получения кальций-фосфатных стеклокерамических материалов


 


Владельцы патента RU 2508132:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) (RU)

Изобретение относится к медицине. Описан способ получения кальций-фосфатных стеклокерамических материалов, который может быть использован в медицине, а именно в стоматологии и ортопедии для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, для формирования зубных пломб, зубных паст. Способ включает приготовление смеси, содержащей соединения кальция, фосфора, кремния и натрия, пропитку полученной смесью биоинертной не выгорающей пористой матрицы в виде керамики из оксидов алюминия или циркония с последующим прокаливанием, при этом в качестве соединения кремния используют тетраэтоксисилан, в качестве соединения фосфора используют эфир фосфорной кислоты, а в качестве соединений кальция и натрия используют их карбоксилаты в полярном органическом растворителе. Способ обеспечивает получение стеклокерамики непосредственно из раствора, минуя стадию приготовления золя, что позволяет формировать на пористых биоинертных имплантатах биоактивные кальций-фосфатные слои, повторяющие форму пор, что существенно упрощает способ и сокращает время процесса. Кроме того, способ предусматривает формирование тонких слоев на более прочной биоинертной пористой керамике. При этом осуществление процесса не требует сложного специального оборудования и дорогостоящих реагентов. 6 з.п. ф-лы, 5 пр.

 

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к получению биосовместимых имплантатов на основе фосфатов кальция, и может быть использовано в медицине, а именно в стоматологии и ортопедии.

Среди материалов для костных имплантатов особое место занимают биостекла, которые в настоящее время находят применение в ортопедии, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Однако возможности непосредственного имплантирования конструкции, изготовленной из биоактивного керамического материала, для реконструкции органа с поврежденной костной тканью весьма ограничены. Причина состоит в низких показателях механической прочности, в том числе усталостной, и трещиностойкости биокерамики, биостекол и биоситаллов, которые существенно, в 10-100 раз ниже, чем у естественной костной ткани.

В отличие от кальций-фосфатной керамики гораздо более прочной является пористая керамика из оксидов алюминия или циркония. В то же время эта керамика является биоинертной, что не позволяет использовать ее в качестве имплантатов.

Известны способы получения биостекла в виде пористой керамики на основе фосфатов кальция. Пористую керамику получают в основном методом выгорающих добавок (в качестве которых используют муку, желатин, коллаген, хитозан и др.), пропиткой и последующим обжигом органических (полиуретановых) губок, либо вспениванием, например, при введении пероксида водорода.

При этом пористость, например, при использовании додецил-бензолсульфоната натрия достигает до 50-60%, а в случае глицина или агар-агара - порядка 80%. С использованием выгорающей добавки (например, муки) с размером частиц 40-200 мкм, вводимой в количестве 37 масс.%, удалось получить кальций-фосфатную керамику с объемным содержанием пор до 46%. В качестве выгорающих добавок используют также полимеры - желатин, коллаген, хитозан и др., при этом открытая пористость достигает 85%. Также используют коралл (основное вещество СаСО3), который в ходе гидротермальной обработки при 250°С в течение 24-48 ч переходит в гидроксиапатит, сохраняя исходную микроструктуру и открытую пористость. Пористая керамика имеет предел прочности при изгибе 2-11 МПа, что в два-три раза меньше необходимых значений, причем с увеличением пористости прочность материала резко снижается [Баринов С.М., Комлев B.C. Биокерамика на основе фосфатов кальция. - М.: Наука, 2005. - 204 с. - ISBN 5-02-033724-2].

Известен способ получения пористого стеклокристаллического биоактивного материала, включающий изготовление полусухой массы из порошка кальций-фосфатного стекла состава (мол.%): P2O5 - 39,10, СаО - 43,50, Al2O3 - 4,35, В2О3 - 4,35, TiO2 - 4,35, ZrO2 - 4,35 в 1% водном растворе поливинилового спирта, формование заготовок прессованием под давлением 2,5 МПа, обжиг заготовок в изотермических условиях при температуре 950°С в течение 1 часа [Бучилин Н.В., Строганова Е.Е. Спеченные стеклокристаллические материалы на основе кальций-фосфатных стекол. // Стекло и керамика. - 2008. №8 - С.8-11].

Недостатком способа является неудовлетворительная прочность получаемой пористой стеклокерамики.

Известен способ формирования пористой стеклянной подложки, включающий следующие стадии: плавление смеси, состоящей в основном из 40-60% SiO2, 5-30% Na2O, 10-35% СаО и до 12% Р2О5 при температуре 1350°С, охлаждение, измельчение полученного стекла и формирование пористой стеклянной подложки путем смешивания порошка с пенообразователем и горячего прессования порошка и пенообразователя в вакууме [пат. США №5676720, опубл. 14.10.1997].

К недостаткам этого способа относятся высокая температура варки стекла, многостадийность и недостаточная прочность получаемой пористой стеклокерамики.

В качестве наиболее близкого аналога выбран способ получения биостекла 45S5, содержащего кальций, фосфор, натрий и кремний [Junmin Qian, Yahong Kang, Zilin Wei, Wei Zhang. Fabrication and characterization of biomorphic 45S5 bioglass scaffold from sugarcane. Materials Science and Engineering: 2009. v.29. №4. pp.1361-1364]. Способ осуществляют следующим образом: тетра-этоксисилан и триэтилфосфат смешивают с 1-молярным раствором азотной кислоты и в течение 60 минут осуществляют гидролиз при перемешивании. Затем к смеси постепенно добавляют нитраты кальция и натрия. После 6-часового перемешивания получают прозрачную жидкость. Для созревания золя смесь выдерживают 5 дней в запаянном контейнере. В результате получают золь с содержанием твердой фазы 35%. Этим золем пропитывают крупнопористый материал из сахарного тростника (с диаметром пор ~ 10 мкм), который в дальнейшем подвергают термообработке при 1030°С. При этом тростниковая матрица выгорает и образуется пористый стеклокерамический материал.

К недостаткам способа относятся многостадийность, длительность процесса и недостаточная прочность получаемой стеклокерамики.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение способа получения пористой кальций-фосфатной стеклокерамики за счет сокращения времени и числа стадий, а также повышение прочности получаемых материалов путем создания биоактивных слоев, повторяющих форму пор, на более прочных пористых биоинертных имплантатах.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения кальций-фосфатных стеклокерамических материалов, включающем приготовление смеси, содержащей соединения кальция, фосфора, кремния и натрия, пропитку полученной смесью биоинертной пористой матрицы с последующим прокаливанием, при этом в качестве соединения кремния используют тетраэтоксисилан, в качестве соединения фосфора используют эфир фосфорной кислоты, в отличие от известного способа, в качестве соединений кальция и натрия используют их карбоксилаты в полярном органическом растворителе, в качестве биоинертной матрицы используют невыгорающую пористую матрицу, а прокаливание после пропитки ведут при температуре 1000-1200°С.

При этом приготовление раствора для пропитки биоинертной керамики ведут при нагревании до полного растворения соединений кальция, фосфора, кремния и натрия, в качестве карбоксилатов кальция и натрия используют их олеаты, в качестве полярного органического растворителя используют, например, скипидар или бензол, в качестве эфира фосфорной кислоты используют, например, триэтилфосфат или трибутилфосфат, в качестве невыгорающей пористой матрицы используют прочную керамику из оксидов алюминия или циркония, перед прокаливанием пропитанную раствором пористую матрицу нагревают до 200-250°С для удаления избытка растворителя.

В общем случае способ осуществляют следующим образом.

Компоненты стекла в виде олеата кальция и олеата натрия в заданном соотношении растворяют в полярном органическом растворителе. В полученный раствор добавляют в заданном соотношении триэтилфосфат или трибутилфосфат, тетраэтоксисилан и нагревают до 160-180°С до полного растворения всех компонентов. Для получения биоактивных имплантатов полученным раствором пропитывают пористые биоинертные имплантаты с последующим нагреванием при 200-250°С для удаления избытка растворителя и прокаливают при температуре 1000-1200°С. При этом происходит формирование на пористых биоинертных имплантатах тонких биоактивных кальций-фосфатных стеклокерамических слоев, повторяющих форму пор.

Проведение высокотемпературной обработки промежуточного продукта в указанном интервале температур обусловлено тем, что в этих условиях обеспечивается полное сгорание органического вещества и образование стеклокерамической фазы целевого продукта, в связи с чем повышение температуры выше 1200°С экономически нецелесообразно. Экспериментально установлено, что время термообработки остатка, полученного после отгонки растворителя, при температуре 1000-1200°С составляет не более 1 часа.

Благодаря использованию более прочной (по сравнению с известной пористой матрицей) невыгорающей керамической пористой биоинертной матрицы из оксидов алюминия или циркония, пропитанных полученным раствором, содержащим компоненты стекла: тетраэтоксисилана, триэтилфосфата или трибутилфосфата и карбоксилатов кальция и натрия в полярном органическом растворителе, на пористой матрице непосредственно из раствора (а не из золя) формируются тонкие кальций-фосфатные слои, повторяющие форму пор. В результате получаются биосовместмые кальций-фосфатные материалы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является достижение возможности получения биоактивной стеклокерамики не из золя, а непосредственно из раствора, легко проникающего в поры матрицы, минуя стадию образования золя, что позволяет формировать на прочных пористых биоинертных имплантатах биоактивные кальций-фосфатные слои, повторяющие форму пор, что существенно упрощает способ и сокращает время процесса. При этом осуществление процесса не требует сложного специального оборудования и дорогостоящих реагентов.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В 20 мл скипидара при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 1,0 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл трибутилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 180°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида алюминия. Пропитанную керамику сначала нагревают до 200-250°С для удаления избытка скипидара, а затем прокаливают при температуре 1100°С в течение 1 часа. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей, в %: P2O5 - 6, СаО - 24,5, Na2O - 24,5, SiO2 - 45,0.

Пример 2. В 20 мл бензола при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 0,96 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл трибутилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 170°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида алюминия. Пропитанную керамику сначала нагревают при 200-250°С для удаления избытка бензола, а затем прокаливают при температуре 1200°С в течение 0,5 часа. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей в %: P2O5 - 6, СаО - 25,5, Na2O - 23,5, SiO2 - 45,0.

Пример 3. В 20 мл скипидара при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 0,92 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл трибутилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 180°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида циркония. Пропитанную керамику сначала нагревают при 200-250°С для удаления избытка скипидара, а затем прокаливают при температуре 1000°С в течение 1 часа. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей в %: P2O5 - 6, СаО - 26,5, Na2O - 22,5, SiO2 - 45,0.

Пример 4. В 20 мл скипидара при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 0,92 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл триэтилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 180°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида циркония. Пропитанную керамику сначала нагревают при 200-250°С для удаления избытка скипидара и затем прокаливают при температуре 1150°С в течение 55 мин. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей в %: P2O5 - 7, СаО - 26,5, Na2O - 22,5, SiO2 - 44,0.

Пример 5. В 20 мл скипидара при нагревании растворяют 1,1 г олеата кальция, 0,92 г олеата натрия, добавляют 0,1 мл триэтилфосфата и 0,7 мл тетраэтоксисилана. Нагревание ведут при температуре 160°С до полного растворения всех компонентов. Этим раствором пропитывают пористую биоинертную керамику из оксида циркония. Пропитанную керамику сначала нагревают при 200-250°С для удаления избытка скипидара, а затем прокаливают при температуре 1100°С в течение 1 часа. В результате получают биоактивную керамику с тонким биоактивным покрытием, отвечающим составу кальций-фосфатной стеклокерамики, содержащей в %: P2O5 - 7, СаО - 26,5, Na2O - 22,5, SiO2 - 44,0.

1. Способ получения кальций-фосфатных стеклокерамических материалов, включающий приготовление смеси, содержащей соединения кальция, фосфора, кремния и натрия, пропитку полученной смесью биоинертной пористой матрицы с последующим прокаливанием, при этом в качестве соединения кремния используют тетраэтоксисилан, в качестве соединения фосфора используют эфир фосфорной кислоты, отличающийся тем, что в качестве соединений кальция и натрия используют их карбоксилаты в полярном органическом растворителе, в качестве биоинертной матрицы используют невыгорающую пористую матрицу, а прокаливание после пропитки ведут при температуре 1000-1200°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приготовление смеси ведут при нагревании в интервале температур 160-180°С до полного растворения соединений кальция, фосфора, кремния и натрия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве карбоксилатов кальция и натрия используют олеаты указанных соединений.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полярного органического растворителя используют, например, скипидар или бензол.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве эфира фосфорной кислоты используют, например, триэтилфосфат или трибутилфосфат.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве невыгорающей пористой матрицы используют керамику из оксидов алюминия или циркония.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед прокаливанием пропитанную раствором пористую матрицу нагревают до 200-250°С для удаления избытка растворителя.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к пористым гранулам-микросферам с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани. Указанные микросферы имеют размер в диапазоне 1-1000 мкм, имеют сквозные поры с размером 1-100 мкм и общую пористость 40-75%.
Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмохирургии, и в частности к склеропластике. .

Изобретение относится к химико-фармацевтической промышленности и представляет собой искусственную твердую мозговую оболочку, изготовленную из электропряденых слоев при помощи технологии электропрядения, при этом электропряденый слой, состоит, по крайней мере, из гидрофобного электропряденого слоя, который изготовлен из одного или нескольких гидрофобных полимеров, выбранных из полимолочной кислоты и поликапролактона.

Изобретение относится к медицине, конкретно к офтальмохирургии и хирургии челюстно-лицевой области, и предназначено для пластики посттравматических дефектов и деформаций дна и стенок глазницы.

Изобретение относится к медицине, а именно к изготовлению сетчатых эндопротезов для реконструктивно-восстановительной хирургии из гидрофобных полипропиленовых и поливинилиденфторидных мононитей, имеющих в структуре и на поверхности серебро.
Изобретение относится к медицине, в частности к травматологии и ортопедии, и может найти применение при лечении ложных суставов длинных трубчатых костей. .

Изобретение относится к способу изготовления композитного материала из сплавов на основе никелида титана. .

Изобретение относится к способу приготовления бесклеточной органической ткани для реимплантации живых клеток или «оживления». .

Изобретение относится к области медицины и касается композиционных материалов для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. .

Изобретение относится к изготовлению кардиоимплантатов из сплава на основе никелида титана с эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности с модифицированным ионно-плазменной обработкой поверхностным слоем, предназначенных для длительной эксплуатации в сердечно-сосудистой системе организма и обладающих коррозионной стойкостью, биосовместимостью и нетоксичностью в биологических средах.

Изобретение относится к медицинским изделиям и к способу получения медицинских изделий. .

Изобретение относится к медицине, а именно к изготовлению сетчатых эндопротезов для реконструктивно-восстановительной хирургии из гидрофобных полипропиленовых и поливинилиденфторидных мононитей, имеющих в структуре и на поверхности серебро.
Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к остеоинтеграционным оксидным покрытиям на ортопедические и стоматологические титановые имплантаты.

Изобретение относится к способу создания наноструктурной пористой поверхности имплантатов из титана и сплавов титана. .
Изобретение относится к обработке поверхности изделия из титана для ортодонтического применения, используемого в виде протеза или его детали. .

Изобретение относится к способам нанесения гидроксиапатитовых покрытий и может быть использовано в медицине при изготовлении металлических имплантатов с биоактивным покрытием.
Изобретение относится к области технологии неорганических материалов, в частности к способу получения гидроксиапатита. Гидроксиапатит получают путем смешения 1-1,5%-ной водной суспензии карбоната кальция, насыщенной углекислым газом в концентрации 1-1,5 г/л, и 1-1,5%-ного водного раствора гидроортофосфата натрия при температуре 20-37°С, при постоянном перемешивании и при мольном соотношении CaCO3/Na2HPO4=5-7.
Наверх