Композиционный материал на основе фторгидроксиапатита и частично стабилизированного диоксида циркония для замещения костных дефектов

Авторы патента:

A61L27/12 - фосфорсодержащии материалы, например апатит

Владельцы патента RU 2585954:

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

Изобретение относится к медицине, в частности биокерамическим материалам, предназначенным для изготовления костных имплантатов и/или замещения дефектов при различных костных патологиях. Техническим результатом изобретения является увеличение прочности материалов в системе 40-60 масс. % фторгидроксиапатит - 40-60 масс. % диоксид циркония, содержащих от 2 до 5 масс. % спекающей добавки. В результате использования добавки спекание проходило при низких температурах 1300-1330°C, что позволило сохранить исходный фазовый состав и получить композиционный материал с высокими механическими характеристиками: прочностью при изгибе не менее 300 МПа и трещиностойкостью не менее 4 МПа*м^1/2. Высокая прочность композиционных материалов позволяет использовать их для получения имплантатов, способных нести физиологические нагрузки в организме. 1 пр., 1 табл.

Изобретение относится к медицине и касается композиционных керамических материалов для замещения костных дефектов.

Наиболее близок к естественной костной ткани по своему химическому составу гидроксиапатит (ГА). Однако керамические материалы на его основе характеризуются низкой прочностью и трещиностойкостью, что ограничивает их применение в качестве конструкционных костных имплантатов. Решить эту проблему возможно за счет создания композитов на основе гидроксиапатита, содержащих высокопрочную биоинертную вторую фазу - ZrO₂. Получить подобные композиты технологически сложно вследствие взаимодействия между ГА и ZrO₂, что препятствует получению прочных и плотных композитов [Z. EVIS, С. ERGUN H. DOREMUS Hydroxylapatite-zirconia composites: Thermal stability of phases and sinterability as related to the CaO-ZrO₂ phase diagram J. Materials science 40 (2005) 1127-1134]. Использование вместо ГА фторгидрокстиапатита (ФГА) способствует повышению термической стойкости композитов. Это позволяет сохранять исходный фазовый состав материалов на основе системы ΦΓΑ-ΖrO₂ и достичь более высоких механических свойств.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является композиционный материал следующего состава 60 об. % ФГА - 40 об. % ZrO₂ [Hae-Won Kim, Young-Min Kong, Young-Hag Koh, Hyoun-Ee Kim Pressureless Sintering and Mechanical and Biological Properties of Fluor-hydroxyapatite Composites with Zirconia J. Am. Ceram. Soc, 86 [12] 2019-26 (2003)], что составляет 43 масс. % ФГА и 57 масс. % ZrO₂. При этом ZrO₂ (частично стабилизированный) в качестве стабилизирующей фазы содержит оксид иттрия в количестве 3 мол. %, а в ФГА анионы ОН^- на 80% замещены на анионы F^-. Недостатком данного материала является низкая прочность 220 МПа при изгибе и трещиностойкость 2,5 МПа*м^1/2, а также высокое содержание фтора, что может приводить к флюорозу (при замещении анионов ОН^- на ионы F^- более чем на 10% [Баринов С.М., Комлев B.C. Биокерамика на основе фосфатов кальция; Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. - 2-е изд. - М.: Наука, 2014].

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании композиционного материала на основе фторгидроксиапатита - диоксида циркония, спекающегося до плотного состояния (открытая пористость менее 2%).

Техническим результатом изобретения является повышение механических свойств: прочность при изгибе не менее 300 МПа и трещиностойкость не менее 4 МПа*м^1/2.

Технический результат достигается тем, что композиционный материал на основе фторгидроксиапатита и частично стабилизированного диоксида циркония для замещения костных дефектов содержит добавку, способствующую спеканию при следующих соотношениях компонентов в материале, масс. %:

фторгидроксиапатит (замещение анионов ОН^- на ионы F^- в количестве 10%) - 40-60, частично стабилизированный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол. %) - 40-60 и добавка силикат натрия в количестве 2-5 масс. %, взятом сверх 100% по отношению к фторгидроксиапатиту и диоксиду циркония, при этом получаемый материал после спекания характеризуется прочностью при изгибе не менее 300 МПа, трещиностойкостью не менее 4 МПа*м^1/2 и открытой пористостью менее 2%.

Керамический материал указанного состава неизвестен. При спекании добавка (силикат натрия, температура плавления около 1070-1120°C) образует низкотемпературный расплав, что способствует спеканию композиционного материала по жидкофазному механизму. В результате спекание до плотного состояния (открытая пористость менее 2%) становится возможным при низких температурах 1300-1330°C, что позволяет сохранить исходный фазовый состав композиционного материала - ZrO₂ - ФГА и получить высокие механические свойства (прочность при изгибе, трещиностойкость). При более высоких температурах между компонентами происходит реакция, в результате которой образуются цирконаты кальция, обладающие более низкой механической прочностью и биологическими свойствами. При снижении температуры спекания ниже 1300°C материал получается пористым с низкой прочностью. При увеличении в композите диоксида циркония более 60 масс. % и при содержании его до 40 масс. % материал получается с прочностью меньше 300 МПа. При использовании добавки менее 2 масс. % материал имеет высокую открытую пористость, что приводит к снижению прочности материала, а при более 5 масс. % в материале образуется большое количество жидкой фазы, что приводит к деформации образцов при спекании.

Пример 1. Композиционную керамику получали механическим смешением компонентов. Для этого смешивали 40 г порошка ФГА (замещение анионов ОН^- на ионы F^- в количестве 10%) и 60 г порошка частично стабилизированного диоксида циркония (содержание оксида иттрия 3 мол. %) с последующим введением добавки силиката натрия в количестве 5 г (5 масс. % сверх 100% по отношению к смеси порошков ΦΓΑ-ZrO₂). После прессования порошков полученные образцы спекали при температуре 1300°C. В результате получали композиционный материал состава 40% ФГА и 60% ZrO₂, содержащий добавку силиката натрия 5 масс. % сверх 100% по отношению к ФГА-ZrO₂ с открытой пористостью менее 2%, прочностью при изгибе 370 МПа и трещиностойкостью 5,7 МПа*м^1/2. Были изготовлены образцы композиционной керамики, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.

Композиционный материал на основе фторгидроксиапатита и частично стабилизированного диоксида циркония для замещения костных дефектов, содержащий добавку при следующих соотношениях компонентов в материале, масс. %:
фторгидроксиапатит (замещение анионов OH^- на ионы F^- в количестве 10%) - 40-60,
частично стабилизированный диоксид циркония (содержание оксида иттрия 3 мол. %) - 40-60
и добавка силикат натрия в количестве 2-5 масс. %, взятом сверх 100% по отношению к фторгидроксиапатиту и диоксиду циркония, при этом получаемый материал после спекания характеризуется прочностью при изгибе не менее 300 МПа, трещиностойкостью не менее 4 МПа*м^1/2 и открытой пористостью менее 2%.

Изобретение относится к медицине, конкретно к области биотехнологических материалов медицинского и технического применения, и может найти использование прежде всего в качестве прекурсора костной ткани, косметики или при создании керамических изделий.

Способ получения монофазного кристаллического кремний-замещенного гидроксилапатита // 2580728

Изобретение относится к технологии получения кристаллического кремний-замещенного гидроксилапатита (Si-ГА), который может быть использован в ортопедии и стоматологии.

Материал для замещения дефектов костной ткани // 2578978

Изобретение относится к медицине, а именно к материалу для замещения дефектов костной ткани, содержащему препарат “Деринат” в количестве 8-12 мас.%, гидроксиапатит в количестве 15-25% и гипс - остальное.

Способы лечения дегенеративных состояний костей // 2578032

Изобретение относится к медицине и касается способа лечения пациента, страдающего дегенеративным костным заболеванием, которое может быть охарактеризовано потерей минеральной плотности костей (BMD), при этом дегенеративное костное заболевание представляет собой остеопению или остеопороз, включающего: образование пустоты в локализованном участке неповрежденной кости у пациента, у которого было диагностировано дегенеративное костное заболевание, с помощью очистки дегенерированного костного материала и, необязательно, удаления части дегенерированного костного материала локализованного участка кости, являющейся неповрежденной до этапа образования пустоты; и по меньшей мере частичное заполнение образованной пустоты материалом для регенерации костей, содержащим сульфат кальция, способным быть резорбируемым и вызывать формирование костной ткани, обеспечивающим образование нового недегенерированного костного материала по всему объему по меньшей мере части пустоты, которая заполнена материалом для регенерации костей, при этом материал для регенерации костей является текучим при заполнении образованной пустоты.

Собственно магнитный гидроксиапатит // 2575566

Группа изобретений относится к медицине, конкретно к гидроксиапатиту, легированному ионами Fe2+ и ионами Fe3+, которые частично замещают ионы кальция в кристаллической решетке.

Способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием выгорающей добавки // 2574455

Изобретение относится к способу получения порошка наноразмерного гидроксиапатита (нГА) в микроволновом поле с использованием агар-агара в качестве выгорающей добавки.

Имплантат для устранения дефектов костной ткани // 2565743

Изобретение относится к медицине. Имплантат для устранения дефектов костной ткани выполнен из керамики в виде гранул с внутригранульной порой размером до 350 мкм.

Биоимплантационная смесь // 2564917

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в стоматологической имплантологии в отделениях челюстно-лицевой хирургии и поликлинических стоматологических учреждениях.

Пептид, обладающий способностью регенерировать костную ткань и связываться с апатитом // 2556806

Группа изобретений относится к области биотехнологии и трансплантационной медицины и представляет собой пептид с аминокислотной последовательностью SEQ ID NO:40. При этом пептид обладает способностью регенерировать костную ткань и специфически связываться с поверхностью минерала апатит.

Способ получения пористых керамических гранул на основе карбоната кальция и гидроксиапатита и/или карбонатгидроксиапатита для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях // 2555348

Изобретение относится к области медицины и касается керамических материалов для реконструктивно-пластических операций при поврежденных костных тканях. Описаны материалы на основе системы карбонат кальция - гидроксиапатит и/или каронатгидроксиапатит, содержащие от 20 до 80 масс.

Способ получения биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом // 2580627

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу получения биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом, включающий электроискровую обработку поверхности токопроводящей подложки обрабатывающим электродом, состоящим из биоактивной добавки в количестве 5-40 вес.%; антибактериальной металлической добавки в количестве 0,5-5 вес.%; и биосовместимого тугоплавкого соединения в количестве остальное, при этом электроискровую обработку проводят при следующих условиях: 100 ≤ Ni ≤ 10000, 10 ≤ f ≤ 100000, 0,01 ≤ v ≤ 0,6, где Ni - мощность единичного импульсного разряда, Вт, f - частота импульсных разрядов, Гц, v - линейная скорость перемещения обрабатывающего электрода, м/мин.

Искусственная мышца // 2563815

Изобретение относится к области бионического протезирования, а именно к искусственным мышцам, представляющим собой композиционные материалы, подверженные воздействию слабых электрических импульсов.

Имплантируемое медицинское устройство, содержащее биодеградируемые сплавы // 2555336

Группа изобретений относится к медицинским устройствам, содержащим высокопрочный сплав, со временем подвергающийся деградации в организме человека или животного, при регулируемой скорости деградации, без образования эмболов.

Пост-загрузка покрытых цеолитом пластиков антимикробными ионами металлов // 2552939

Изобретение относится к медицине. Описан способ пост-загрузки керамических частиц антимикробными катионами металлов.

Композиционный костно-керамический имплантат на основе керамического материала системы оксид циркония - оксид алюминия // 2542496

Изобретение относится к медицине, в частности к травматологии, ортопедии, регенеративной медицине, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии для восстановления структуры и функции костной ткани и описывает композиционный костно-керамический имплантат, содержащий пористый керамический носитель на основе оксид циркония - оксид алюминия, на носитель нанесен слой гидроксиапатита и обогащенный тромбоцитами плазмы, при этом носитель получен путем приготовления смеси из керамического порошка на основе ZrO2 (Mg, Y) или Al2О3 и добавки пластификатора и порообразователя Al(OH)3 или Zr(OH)4, с последующим добавлением дистиллированной воды для придания смеси формовочных свойств и спеканием готового изделия.

Способ получения оксидного покрытия на стальных чрескостных имплантатах // 2542409

Изобретение относится к области медицинской техники. Описан способ получения оксидных биосовместимых покрытий на стальных чрескостных имплантатах, который осуществляют путем их термического оксидирования на воздухе при температуре 300-600°С в условиях обдувки воздухом, подаваемым в рабочую камеру печи под давлением 1,5-1,7 атм при продолжительности 0,1-0,2 ч, с последующим охлаждением оксидированных имплантатов в печи при выключенном ее нагреве до температуры окружающей среды.

Способ получения противомикробных имплантатов из полиэфирэфиркетона // 2526168

Изобретение относится к медицине. Описаны способы получения имплантируемых медицинских изделий предпочтительно из ПЭЭК, имеющих противомикробные свойства.

Покрытия для хирургических игл и способы их нанесения // 2526164

Настоящее изобретение относится к способам нанесения покрытий на хирургические иглы из металлического сплава. На иглу наносят нижнее покрытие, включающее функционализированный винилом органополисилоксан, отверждают нижнее покрытие, наносят верхнее покрытие, включающее полидиметилсилоксан, при этом нижнее покрытие связывается с верхним.

Способ проведения стабильного остеосинтеза при повреждениях костной ткани // 2523553

Изобретение относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано для проведения стабильного остеосинтеза при лечении повреждений костной ткани (эндопротезирование, переломы с замедленной консолидацией, ложные суставы, хронический остеомиелит).

Способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрекостных имплантатах из нержавеющей стали // 2519095

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к способам получения оксидных биосовместимых покрытий на чрескостных металлических имплантатах для травматологии и ортопедии.

Антиадгезивное антибактериальное покрытие для ортопедических имплантатов из титана и нержавеющей стали // 2632702

Изобретение относится к области медицины, а именно к травматологии, ортопедии и общей хирургии, и предназначено для обеспечения антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов из титана и нержавеющей стали. Антиадгезивное антибактериальное покрытие для ортопедических имплантатов характеризуется тем, что на поверхность предварительно очищенных методом ионного травления ионами аргона используемых для имплантации ортопедических имплантатов из титана и нержавеющей стали нанесено плазменным напылением двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной от 9 до 1180 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра размером 4,5-9,5 нм с нанесенным на их поверхность сплошным защитным углеродным нанопокрытием из тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,4-1,2 нм. При этом в качестве высокочистого серебра наногранул покрытия используют серебро не ниже 99,9% чистоты. Использование изобретения обеспечивает высокие антиадгезивные свойства подготовленного к применению металлического ортопедического имплантата и высокие антибактериальные свойства. 1 з.п. ф-лы, 5 пр.