Состав жидкости для получения пористых керамических образцов на основе фосфатов кальция для костной инженерии при 3d формовании и/или 3d печати


 


Владельцы патента RU 2549638:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) (RU)

Изобретение относится к материалам, пригодным для метода 3D формования и/или 3D печати, и может быть использовано для получения формованных изделий на основе фосфатов кальция, применяемых в медицине для костной инженерии в качестве матриксов, обладающих биологической совместимостью и остеокондуктивностью. Предлагается состав жидкости для 3D формования и/или 3D печати пористых керамических образцов на основе фосфатов кальция, которая представляет собой водный раствор, содержащий сахарозу от 2 до 20 мас.% и этанол от 20 до 60 мас.%. Технический результат изобретения - сокращение времени сушки отформованных изделий с обеспечением определённой поровой структуры. По своим прочностным характеристикам и пористости образцы не уступают своим аналогам. 1 табл., 2 пр.

 

Материалы на основе фосфатов кальция, применяемые в медицине для костной инженерии в качестве матриксов, обладают биологической совместимостью и остеокондуктивностью. При этом важнейшим элементом архитектуры матриксов является их пористость - ее количество и размер пор. Наиболее простым и перспективным методом, позволяющим по компьютерным моделям формировать пористые структуры с заданной конфигурации пор, является метод 3D печати. Для успешной реализации данного метода необходимы исходные материалы со свойствами, адаптированными к печати на струйном принтере. Используемые порошок и жидкость для принтера в процессе печати объемной модели должны взаимодействовать между собой с образованием каркаса за счет склеивания и/или связывания частиц порошка между собой. В результате после печати и последующей сушки получается пористый образец с заданной конфигурацией. В дальнейшем образцы подвергают термообработке с целью достижения требуемых свойств, например прочности и фазового состава.

Пористые керамические образцы получали с использованием гипса методом 3D печати (Lowmunkong, R., et al., Transformation of 3DP gypsum model to HA by treating in ammonium phosphate solution. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2006. 80(2): p.386-393). После 3D печати пористую гипсовую заготовку обрабатывали в растворе, содержащем фосфат аммония, после чего заготовку сушили и обжигали при температуре до 1250°C. В результате получали пористый образец (основная фаза трикальциевый фосфат (ТКФ)) с заданной формой и количеством пор. Недостатком данного способа является многостадийность получения керамики на основе фосфата кальция и низкая прочность образцов - около 2 МПа при сжатии.

Наиболее близкими по техническому решению является получение образцов пористых керамических кальцийфосфатных образцов на основе ТКФ и гидроксиапатита (ГА) (В.В. Смирнов, А.Ю. Федотов, Е.Н. Антонов, В.Н. Баграташвили, С.М. Баринов, М.А. Гольдберг, О.С. Антонова, Н.В. Петракова Керамические кальций-фосфатные материалы, полученные по технологии, адаптированной для 3D печати на струйном принтере. Материаловедение, 2012, №10 стр.43-47). В данном методе в качестве исходных компонентов применялись порошки ТКФ или ГА, которые склеивали между собой 10 масс.% раствором сахарозы. После формования образцы обжигали. Полученные образцы характеризовались прочностью до 13,2 МПа при сжатии при пористости 55-70%. Недостатком данного метода является продолжительная сушка образцов после их формования от 10-12 часов до 1 суток, что значительно удлиняет технологический процесс получения готовых изделии. Кроме того, недостаточно высушенные образцы имеют низкую прочность, что не позволяет вынимать их из 3D принтера. Это приводит к простою дорогостоящего технологического оборудования и повышению себестоимости образцов.

Технический результат предлагаемого изобретения - сокращение времени сушки кальцийфосфатных образцов после их формования с помощью 3D принтера. Сокращение времени сушки после формования образцов достигается за счет использования в качестве жидкости для 3D формовании и/или 3D печати водного раствора сахарозы, содержащего этанол в количестве от 20 до 60 масс.%. Содержание этанола в жидкости приводит к более быстрому удалению избыточного количества жидкости из образцов и, как следствие, более быстрой сушки образцов. При этом время сушки сокращается до 20-50 минут. После сушки образцы подвергают термической обработке при температуре не ниже 600°C с целью удаления сахарозы и получения прочных спеченных образцов заданного фазового состава. Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что состав жидкости для получения пористых керамических образцов на основе фосфатов кальция для костной инженерии при 3D формовании и/или 3D печати отличается тем, что дополнительно содержит этанол при следующем соотношении компонентов масс.%:

сахароза - 2-20;

этанол - 20-60;

остальное - вода.

В качестве порошков при 3D формовании и/или 3D печати могут использоваться любые порошки фосфатов кальция, например порошки гидроксиапатита, порошки трикальцийфосфата, порошки тетракальцийфосфата и другие, а также их смеси в любой пропорции.

Полученные после 3D формования и/или 3D печати образцы прокаливают при температуре не ниже 600°C.

При использовании раствора с содержанием сахарозы менее 2 масс.% или при содержании этанола менее 20 масс.% образцы после сушки в заданном интервале времени (до 50 минут) имеют низкую прочность. При использовании растворов, содержащих более 60 масс.% этанола, или при содержании сахарозы более 20 масс.% после формования получаются неоднородные по структуре и/или непрочные образцы, что приводит к снижению прочности после их термообработки.

Пример 1. Из порошка трикальцийфосфата получали объемные образцы с использованием 3D принтера. В качестве жидкости для принтера использовали раствор - 10 масс.% сахарозы, 36 масс.% этанола, 54 масс.% воды. После печати образцы выдерживались при температуре 20-24°C (естественная сушка) в принтере в течение 25 минут. Затем образцы подвергали термообработке при температуре 1300°C. В результате были получены образцы с пористостью - 65% и прочностью при сжатии 15 МПа.

Пример 2. Из порошка гидроксиапатита получали объемные образцы с использованием 3D принтера. В качестве жидкости для принтера использовали раствор - 2 масс.% сахарозы, 60 масс.% этанола, 38 масс.% воды. После печати образцы выдерживались при температуре 20-24°C (естественная сушка) в принтере в течение 20 минут. Затем образцы подвергали термообработке при температуре 1250°C. В результате были получены образцы с пористостью - 60% и прочностью при сжатии 13 МПа.

Состав жидкости для получения пористых керамических образцов на основе фосфатов кальция для костной инженерии при 3D формовании и/или 3D печати, отличающийся тем, что дополнительно содержит этанол при следующем соотношении компонентов масс.%:
сахароза - 2-20;
этанол - 20-60;
остальное - вода,
где в качестве порошков при 3D формовании и/или 3D печати могут использоваться любые порошки фосфатов кальция, например порошки гидроксиапатита, порошки трикальцийфосфата, порошки тетракальцийфосфата и другие, а также их смеси в любой пропорции.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области строительной и электротехнической керамики, химии композиционных и каталитических материалов, где наиболее сложной стадией является приготовление пластичной формовочной массы.

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу получения порошкового материала на основе карбонатгидроксиапатита и брушита, который может быть использован для создания новых керамических, композиционных материалов, цементных масс и лечебных паст для травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.
Изобретение относится к медицине, а именно к стоматологии, и касается способа получения гидроксилапатитной керамики в качестве модели твердых тканей зуба для лабораторных испытаний стоматологических материалов in vitro.

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, которые могут быть использованы при создании биоактивных кальций-фосфатных покрытий на имплантатах, при создании бифазных композитов на основе фосфатов кальция и сплавов титана.

Изобретение относится к получению керамики на основе ортофосфатов редкоземельных элементов и может быть использовано для изготовления конструктивных элементов в энергетических установках, в частности, в высокотемпературных микротурбогенераторных установках для малой энергетики.

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.

Изобретение относится к химической технологии, конкретно к способу получения гидроксиапатита (ГА), обладающего антимикробной активностью, который может использоваться в медицине в качестве материала для замещения костных дефектов, в фармации, косметике, стоматологии, перевязочных средствах и в различных областях техники.

Изобретение относится к области медицинского материаловедения и может быть использовано при создании материалов для травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, а также в качестве носителей для лекарственных средств.
Изобретение относится к области керамических материалов для медицины, а именно для травматологии и реконструктивно-восстановительной хирургии, стоматологии и к системе доставки лекарственных препаратов.

Изобретение относится к области формования керамических изделий из материалов, содержащих низкотемпературные фосфатные связующие, и может быть использовано для изготовления заготовок композиционных керамических изделий, в том числе для радиоэлектроники.

Изобретение относится к области материалов для костных имплантантов и может быть использован для заполнения костных дефектов. .

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу получения порошкового материала на основе карбонатгидроксиапатита и брушита, который может быть использован для создания новых керамических, композиционных материалов, цементных масс и лечебных паст для травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.

Группа изобретений относится к области медицины. Описан биосовместимый пористый материал, содержащий никелид титана с пористостью 90-95% и открытой пористостью 70-80% со средним размером пор 400 мкм, который пропитан гидроксиапатитом в количестве 26-46 мас.% от массы никелида титана.

Изобретение относится к способу получения пористого пирофосфата кальция для использования в медицине. Способ включает подготовку исходной порошковой смеси, содержащей карбонат кальция и гидрофосфат аммония, формование заготовок и их обжиг.

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, которые могут быть использованы при создании биоактивных кальций-фосфатных покрытий на имплантатах, при создании бифазных композитов на основе фосфатов кальция и сплавов титана.

Изобретение относится к области медицинского материаловедения и может быть применено при создании материалов для использования в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, а также в качестве носителей лекарственных средств или субстратов для культивирования клеток.

Изобретение относится к медицине, а именно к челюстно-лицевой хирургии и травматологии, и может быть использовано для изготовления внутритканевых эндопротезов на титановой основе.
Изобретение относится к медицине. Описан двухфазный материал заменителя костной ткани на основе фосфата кальция / гидроксиапатита (САР/НАР), включающий ядро из спеченного CAP и как минимум один равномерный и закрытый эпитаксически нарастающий слой нанокристаллического НАР, нанесенный сверху на ядро из спеченного CAP, причем эпитаксически нарастающие нанокристаллы имеют такой же размер и морфологию, что и у минерала костей человека, то есть длину от 30 до 46 нм и ширину от 14 до 22 нм.

Изобретение относится к области медицины. Описан способ получения карбонатгидроксилапатита, приближенного к неорганическому матриксу костной ткани из модельного раствора синовиальной жидкости человека, в котором готовят модельную среду указанного состава: CaCl2 - 1.3431 г/л, Na2HPO4·12H2O - 7.4822 г/л, NaCl - 2,8798 г/л, MgCl2∙6H2O - 0.4764 г/л, Na2SO4 - 1.6188 г/л, КСl - 0.3427 г/л, осаждение проводят при концентрации карбонат-ионов 24 ммоль/л, температуре 22-25°С, значении рН 7.4±0,05 в течение 30 дней.
Изобретение относится к способу получения шихты для композиционного материала на основе карбоната кальция - гидроксиапатита и/или карбонатгидроксиапатита для восстановления костной ткани при реконструктивно-пластических операциях.

Изобретение относится к медицине, а именно к ортопедической стоматологии. Описан способ изготовления внутрикостных имплантатов, включающий послойное нанесение плазменным напылением на металлическую основу имплантата биологического активного покрытия, при этом первым и вторым слоями дистанционно напыляют титан, третьим слоем наносят механическую смесь порошка титана и гидроксиапатита, четвертый слой формируют на основе гидроксиапатита или оксида алюминия, при этом при формировании четвертого слоя смешивают порошок бемита дисперсностью не более 50 нм с порошками гидроксиапатита или оксида алюминия в количестве 5-20% порошка бемита от общего количества веществ, при этом бемит берут в виде суспензии, приготовленной с добавлением поверхностно-активного вещества, растворенного в дистиллированной воде концентрацией 0,25-5%, обработанного в ультразвуковой ванне, затем полученную суспензию из бемита и гидроксиапатита или оксида алюминия обрабатывают в ультразвуковой ванне, сушат, отжигают и измельчают.
Наверх