автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Керамика из нанокристаллических порошков гидроксиапатита

На правах рукописи

ФОМИН АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

КЕРАМИКА ИЗ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ ГИДРОКСИАПАТИТА

Специальность 05 17 11 - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических мат ериалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ166260

Москва - 2007

003166260

Работа выполнена в лаборатории керамических композиционных материалов Института физико-химических проблем керамических материалов РАН

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Заслуженный деятель науки РФ Баринов Сергей Миронович Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Алымов Михаил Иванович Институт металлургии и материаловедения им А А Байкова РАН

кандидат технических наук, доцент Андрианов Николай Трофимович Российский химико-технологический университет им Д И Менделеева

Ведущая организация Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Воронежский Государственный Университет

Защита диссертации состоится "1" ноября 2007 г в "11" часов на заседании специализированного совета К 002 10101 в Институте физико-химических проблем керамических материалов РАН по адресу 119361, г Москва, ул Озерная, д 48

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физико-химических проблем керамических материалов РАН

Автореферат разослан "1" октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

(ь ТельноваГ Б

А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В последнее время значительно интенсифицировались исследования по созданию материалов, предназначенных для замещения дефектов костной ткани Это связано с разработкой новых медицинских методов в хирургии, в частности, при удалении злокачественных опухолей, приводящих к обширным послеоперационным дефектам, а также с созданием принципиально новой, клеточной технологии восстановления костной ткани - так называемой «инженерии костной ткани» Технология основана на имплантировании в место дефекта пористого матрикса с культивированными в нем остеообразующими или стволовыми клетками Требования к материалу матрикса биологическая совместимость, микроструктура, благоприятная для жизнедеятельности клеток, скорость биологической резорбции, совместимая со скоростью формирования новой костной ткани, и уровень механических свойств, обеспечивающих органу возможность нести физиологические нагрузки в период оссификации

Кальций-фосфатные материалы и, в частности, гидроксиапатит (ГА), являются биологически совместимыми и резорбируемыми и рассматриваются как одни из наиболее перспективных для использования в целях восстановления костной ткани Большой вклад в развитие представлений в области химии фосфатов кальция и технологии материалов на их основе внесли отечественные (В П Орловский, Ю Д Третьяков, И В Мелихов, В Я Шевченко, Е С Лукин и др ) и зарубежные ученые (Р Легерос, Л Хенч, У Бонфилд, X Аоки и др ) В конце 80-х годов материалы на основе фосфатов кальция и, в частности, ГА, стали коммерчески доступными для медицинских применений Однако микрокристаллический ГА (МГА) по своим химическим, механическим и биологическим свойствам не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалам для новых технологий восстановления костных тканей Невысокая прочность керамических материалов из МГА, низкая скорость резорбции, слишком высокая температура спекания изделий из МГА (1200-1300°С), приводящая к рекристаллизации и потере биологической активности - все это является сдерживающими факторами при использовании МГА и изделий из него в медицинской практике Эти недостатки, как полагают, удастся преодолеть за счет наноструктурированносги керамического материала

Нанопорошки ГА могут иметь самостоятельное применение в качестве средств доставки в организм лекарственных препаратов в терапии на клеточном уровне Наноструктурированные керамические материалы, как установлено в последнее время, обладают специфическими биологическими свойствами высокой адсорбцией протеинов, повышенной функцией остеокластов и остеобластов - клеток, участвующих в процессе

ремоделирования костной ткани, и пониженной функцией конкурирующих клеток, в частности фнбробластов, ответственных за формирование соединительной ткани Эти свойства связывают с особым энергетическим состоянием и морфологией поверхности нанокристаллической керамики Синтез нанокристаллического ГА (НГА) с заданной морфологией частиц и, особенно, технология, обеспечивающая сохранение нанокристаллического состояния спеченной керамики, являются актуальными и пока еще мало изученными проблемами

Цель работы Разработка методов синтеза наноразмерного гидроксиапатита (НГА), изготовление керамики на его основе, установление особенностей микроструктуры и механических свойств керамики из НГА

Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи

- разработка методов синтеза порошков НГА контролируемых размеров и морфологии, в том числе в растворах полимеров,

- установление влияния анионных замещений (СО32 и S1O43 ) в структуре ГА на характеристики порошков, изучение возможности стабилизации карбонат-содержащего ГА (КГА) посредством катионных замещений Na+—> Са2+,

совершенствование методов сушки порошков НГА для сохранения высокодисперсного состояния,

- сравнительное исследование формирования микроструктуры и свойств пористых сферическил гранул из НГА и МГА,

- снижение температуры спекания керамики на основе НГА посредством применения высоких давлений при прессовании и введения спекающих добавок для получения нанокристаллической керамики

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем

1) Исследовано вчияние растворов различных полимеров (крахмал, желатин, поливиниловый спирт), вводимых in situ, и их концентрации на размер и морфологию частиц НГА Установлено, что концентрационные зависимости удельной поверхности продукта синтеза существенно зависят от природы полимера Выявлены условия проведения синтеза, позволяющие получить частицы НГА размером от 5 нм (по данными просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ))

2) Разработаны методы синтеза наноразмерного ГА различной морфологии (изометрические и частицы в форме иголок и пластин) Установлено влияние анионных замещений на характеристики продуктов синтеза, показано, что введение карбонат- и силикат-групп в ГА способствует формированию наносостояния

3) По результатам термогравиметического анализа и Фурье ИК-спектроскопии установлено, что введение натрия в карбонат-содержащий ГА для компенсации зарядового дисбаланса не приводит к повышению термической стабильности, что обусловлено увеличением доли КГА Б-типа замещения с меньшей (по абсолютной величине) энтальпией образования дефекта структуры, по сравнению с КГА АБ-типа замещения

4) По результатам исследования различных сред для сушки наноразмерных порошков ГА установлено, что последовательное замещение среды сушки с понижением поверхностного натяжения (вода —> этанол —> толуол) позволяет повысить значения удельной поверхности порошка, по-видимому, за счет меньшей агломерированное™

5) Разработаны составы спекающих добавок в системе карбонатов КгСОз-ЬьСОз, введение которых в НГА в количестве до 7 % масс приводит к образованию жидкой фазы при спекании, что позволяет получить керамику из НГА при температуре спекания 600°С

6) Применение высокого давтения (до 3,5ГПа) при одноосном прессовании порошков НГА с размером кристаллитов 10-15 нм позволило, в результате интенсификации спекания за счет увеличения площади контакта частиц, получить при температуре спекания 640°С керамику с размером кристаллитов 25-50 нм (по данным ПЭМ) при открытой пористости менее 5%

Практическая ценность работы состоит в спедующем

1) Разработаны условия синтеза и последующие технологические операции, обеспечивающие возможность получения НГА заданной дисперсности и морфологии, для последующего изготовления гранул, в том числе для заполнения дефектов костной ткани и напыления покрытий Гранулы использовали для плазменного напыления покрытий на титановые имплантаты

2) Разработаны основы технологии керамики из НГА с применением активирующих спекающих добавок, обладающей повышенными механическими свойствами по сравнению с микрокристаллической керамикой, для применения в качестве несущих нагрузку иматантатов

На защиту выносится:

1) Результаты исследования синтеза НГА заданной морфологии и дисперсности в растворах почимеров различной природы, синтеза нанокристаллического анион-замещенного ГА, исследования термической стабильности натрий-содержащего карбонатгидроксиапатита

2) Результаты исследований по технологии гранул и керамики из НГА

3) Результаты исследования микроструктуры, фазового состава, механических

свойств керамики из НГА

Апробация работы и публикации

Материалы диссертационной работы доложены на Международной конференции «Деформация и разрушение конструкционных порошковых материалов», Стара Лесна, Словакия, 2005, Выставках и конференциях МКНТ Правительства Москвы «NTMEX 2005, 2006» (диплом и грамота), Всероссийском совещании «Биокерамика в медицине», Москва,

2006, 4-й Международной конференции «Керамика, клетки, ткани», Франция, Италия,

2007, Международной конференции «Науки о наноматериалах и нанотехнологии», Тессалоники, Греция, 2007

Работа выношена в соответствии с планами НИР Института физико-химических проблем керамических материалов РАН, поддержана программами Президиума РАН П8, ОХНМ РАН 3 ОХ, грантами РФФИ № 06-03-32192, 06-03-08028, ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», Госконтракт № 02 513 11 3159

Основное содержание работы изложено в публикациях в виде 6 статей и 4 тезисов докладов

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 115 наименований Диссертация содержит 131 страницу, в том числе 10 таблиц, 51 рисунок

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования

В первой главе представлен аналитический обзор литературы по НГА Описаны основные известные методы синтеза прекурсоров НГА, последующей сушки порошков для получения НГА Рассмотрены различные методы снижения размеров частиц прекурсоров кристаллизации ГА использование биопочимеров in situ, ультразвукового воздействия Приведена информация по различным анионным и катионным замещениям в структуре ГА, допустимым концентрациям катионов и анионов, их влиянию на морфологию продуктов синтеза и фазовый состав Рассмотрен вопрос об известных подходах, которые могут быть использованы для регулирования размера и морфологии

получаемых порошков НГА Рассмотрены аспекты проблемы спекания керамики на основе ГА и известные результаты, сформулированы возможные подходы к решению проблемы сохранения нанокристалличности керамики при спекании порошков НГА На основании данных литературного обзора сформулированы цель и задачи исследования

Во второй главе обоснован выбор материалов для исследования, приведены сведения по составам, технологии изготовления и характеристикам материалов Описаны методики рентгеновского фазового анализа (РФА), ИК-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии с локальным анализом, просвечивающей электронной микроскопии, электронографии, малоуглового рентгеновского рассеяния, определения площади удельной поверхности, пористости, линейной и объемной усадки, прочности, микротвердости

В работе использовались следующие исходные материалы тетрагидрат нитрата кальция марки «хч», Са(К03)2 4Н20, оксид кальция марки «ч», СаО, фосфат аммония марки «хч», (NH4)2HP04, карбонат аммония марки «хч», (NH^CCb, гидрофосфат натрия марки «хч», NaHCOj, спиртовой раствор тетраэтоксисилана (ТЭОС), Si(OEt)4 В качестве полимеров использовались желатин марки «пищевой», поливиниловый спирт (ПВС, п=3000), крахмал марки «пищевой» В качестве сред для сушки порошков в работе использовались этиловый спирт марки «пищевой», толуол марки «осч», н-бутанол-1 марки «ч», ацетон марки «ч», ССЦ марки «осч» и дистиллированная вода

Получение порошков ГА различных размеров и морфологии имеет принципиально общий характер, различия состоят лишь в технологических параметрах на стадии синтеза, добавках биополимеров m situ, технологии сушки порошков Более подробно методы синтеза порошков ГА различных размеров и морфологии рассмотрены в третьей главе

Для формования образцов в виде таблеток диаметром 15 мм использовали прессование в закаленной стальной пресс-форме под давлением до 3,5 ГПа Образцы в виде балочек размерами 4x4x40 мм прессовали в стальной пресс-форме под давлением 100 МПа

Образцы подвергали обжигу в муфельной печи сопротивления со скоростью нагрева 5 - 10°С/мин до 600-1050°С Охлаждение образцов проводили в выключенных печах до комнатной температуры

Площадь удельной поверхности (УП) порошков определяли методом низкотемпературной адсорбции азота по методу Бруннауэра-Эммета-Теллера (БЭТ) на приборе Tristar Micromentics ИК-спектрометрические исследования проводили на спектрометре Nikolet Avatar 330 FT-IR с разрешающей способностью 4 см число сканов 64, в режиме диффузного отражения с использованием порошка КВг в качестве эталона

Для регистрации ИК-спектра образца готовили смесь исследуемого образца с КВг, которую помещали в приборную ячейку ИК-спектры снимали в диапазоне длин волн от 4000 см 1 до 400 см 1

Фазовый состав, кристаллическую структуру и микроструктуру порошка и керамики исследовали методами рентгеновского фазового анализа (РФА), малоуглового рентгеновского рассеяния, электронографии, сканирующей (СЭМ) и просвечивающей (ПЭМ) электронной микроскопии Использовали сканирующий микроскоп LEO 1420 Carl Zeiss, оснащенный энергодисперсионным спектрометром INCA Energy 300 Oxford Instruments, а также сканирующий этектронный микроскоп с полевой эмиссией LEO SUPRA 50VP (Carl Zeiss)

Эксперименты по ПЭМ проводили на просвечивающем электронном микроскопе EMB-100BR и PREM-200, электронографию - на приборе EG-100M РФА проводили по дифрактограммам, полученным на дифрактометре Shimadzu D-6000 Идентификацию фаз осуществляли сопоставлением экспериментально определенных значений межплоскостных расстояний и относительных интенсивностей с данными приведенными в картотеке JCPDS с помощью компьютера и базы данных дифрактомегра Shimadzu D-6000 Размер частиц оценивали по методу Шеррера по ширине на полувысоте дифракционных максимумов Как правичо, в расчетах использовали параметры дифракционной линии (002), поскольку она хорошо разрешена, имеет высокую интенсивность и не перекрывается с другими основными дифракционными линиями ГА Исследования по малоугловому рассеянию рентгеновского излучения на образцах проводили на синхротроне в Триесте

Линейную и объемную усадку определяли посредством измерения линейных размеров образцов до и после спекания Определение кажущейся плотности и открытой пористости проводили по общепринятой методике гидростатического взвешивания Прочность при трехточечном изгибе измеряли на образцах в виде балочек размером 4x4x40 мм1 на испытательной машине UTS-100 (Testsysteme GmbH) в соответствии со стандартом ASTM 1161 Погрешность измерения разрушающей нагрузки не превышала 1% Микротвердость измеряли на приборе Leica VMHT с использованием пирамидального индентера Виккерса при нагрузке на индентер 3 H Скорость вдавливания составила 5 10 6 м/с, выдержка при максимальной нагрузке - 15 с Стандартное отклонение при измерении диагонали отпечатка составляло от 4 до 17%, в зависимости от размера отпечатка

Элементный анализ выполняли на плазменном эмиссионном спектрометре Optima Perkin Elmer и лазерном масс-спектрометре EMAL-2 Perkm Elmer Погрешнность определения зависела от концентрации определяемых элементов

В третьей главе описаны результаты исследований по синтезу НГА заданной морфологии и дисперсности

Синтез НГА с изометрической морфологией частиц порошка осуществляли по реакции

10Ca(N03)2 + 6(NH,)2HP04 + 8NH4OH — Саю(Р04)б(0Н)2 + 2ONH4NO3 + 6Н20 (1)

В реакционный сосуд, снабженный механической мешалкой, помещали раствор Са(Г*Юэ)2 Затем медленно, при постоянном перемешивании, по каплям, добавляли раствор (NH()2HP04 Полученную суспензию оставляли стариться на воздухе в течение суток После этого отделяли осадок фильтрованием, переносили в спирт и сушили из спирта в сушильном шкафу при 12(ГС до высыхания Последующее прокаливание осадка проводили при 600°С в муфельной печи

Для получения НГА в форме пластинок использовали те же источники ионов кальция и фосфат-групп, однако вместо аммиака использовали более мягкий щелочной агент - мочевину Кроме того, изучали влияние ультразвукового воздействия на размеры и морфологию получаемых частиц ГА

Для получения НГА игольчатой морфологии использовали ацетатный метод

ЮСа(ОАс)2 + 6(NH4)2HP04 + 8NH4OH — Са,0(РО4)б(ОНЬ + 2ONH4OAC + 6Н20 (2)

Процесс вели аналогично нитратному методу, однако в процессе синтеза использовали ультразвуковое (УЗ) воздействие (УЗ-ванна с рабочей частотой 35 кГц, мощность установки 430 Вт)

На рис 1 приведено сравнение дифрактограмм порошков НГА изометрической формы до и после прокаливания при 900°С До прокаливания полученный порошок представляет собой по большей части аморфный фосфат кальция (АФК), однако после прокаливания АФК переходит в НГА Фазовый состав всех полученных порошков после прокаливания соответствует ГА без примесей других фаз

Рис.1 Рентгенснраммы изометрического НГА до и после термообработки при 900°С. На рис. 2 приведены СЭМ-микрофотографии кристаллов ГА различной морфологии.

I-1

в г

Рис.2, а - ГА изометрической формы, б - ГА игольчатой формы, в - ГА пластинчатой формы при синтезе без УЗ-воздействия, г - ГА пластинчатой формы при

УЗ-воздействии.

Исследовали влияние полимеров различной природы на дисперсность и морфологию порошков ГА Синтез проводили согласно реакции (1), водный раствор полимера добавляли до приливания (ИН^ИРС^ Затем осадок фильтровали и высушивали из этанола Полученные порошки прокаливали при 600°С и исследовали (для РФА проводили дополнительное прокаливание при 900°С)

В качестве полимеров были выбраны желатин, крахмал и поливиниловый спирт (ПВС) Желатин - это продукт денатурации коллагена - фибриллярного белка, составляющего основу соединительной ткани животных (кости, кожа, связки, сухожилия и др ) Он содержит различные функциональные группы, в том числе карбоксильные, СООН

Крахмал представляет собой смесь линейного (амилоза, 15-25% масс) и разветвленного (амилопектин, 75-85% масс) полисахаридов В растворе он образует пространственную сетку, в ячейках которой может происходить кристаллизация ГА

Поливиниловый спирт - цепочечный полимер, имеющий химическую формулу [-СНг-СН (ОН)-]„, где п может достигать 5000 В работе использовали ПВС со степенью полимеризации п=3000

Проводили эксперименты, варьируя концентрацию полимеров в растворе (табл 1)

Таблица 1 Концентрация биополимеров в растворе, г/л

Желатин ПВС Крахмал

0 0 0

1,5 0,25 0,03

2,8 0,5 0,075

4,5 1 0,15

5,5 2 0,3

Согласно РФА, все полученные в присутствии биополимеров порошки представляют собой чистый ГА, без примесей других фаз

По данным ИК-спектроскопии для всех порошков, полученных в присутствии полимеров, выявлено наличие полос, отнесенных к группам ОН (3570 см"1) и Р04 (960-963, 520-660, 1030-1090 см"') Кроме того, обнаружены полосы при 1458, 1413 и 874 см отнесенные к карбонат-группам Эти данные позволяют сделать вывод о том, что карбонат-группа входит в структуру ГА, образуя карбонат-замещенный ГА Б-типа (замещение групп Р04) Степень замещения фосфатных групп не превышает 5% для всех полученных порошков, как было определено химическим анализом

Зависимость площади удельной поверхности полученных порошков от концентрации полимера в растворе приведена на рис 3

а 6

концентрация П8С в растворе г/л в

Рис 3 Зависимость удельной поверхности от концентрации полимеров в растворе а -крахмал, б - желатин, в - ПВС Крахмал, образуя пространственную сетку, способствует таким образом увеличению центров кристаллизации ГА, что приводит к уменьшению размера получаемых частиц

Для желатина зависимость удельной поверхности от концентрации биополимера является сложной, имеет максимум при концентрации желатина 2,8 г/л Без желатина происходит гомогенное зародышеобразование за счет взаимодействия ионов кальция и фосфат-групп В присутствии желатина - гетерогенное зародышеобразование по схеме взаимодействие ионов Саг* с карбокси-группами желатина (которые в щелочной среде находятся в анионной форме, СОО), образование комплексов, присоединение фосфат-групп с образованием зародышей критического размера Этим объясняется, что синтез ГА

в растворе желатина - процесс нелинейный, так как плотность центров кристаллизации зависит от концентрации желатина и при взаимодействии центров происходит объединение и укрупнение растущих частиц.

ПВС выступает в роли загустителя, повышая вязкость раствора и, таким образом, замедляет процессы массопереноса.

Ни природа полимера, ни его концентрация существенно не влияют на морфологию частиц НГА - во всех случаях форма частиц изометрическая.

Среди исследуемых полимеров лучшие результаты получены при синтезе в растворе желатина, поэтому их исследовали дополнительно.

С помощью малоуглового рентгеновского рассеяния определяли распределение частиц по размерам. Все порошки, синтезированные в присутствии желатина, имеют примерно одинаковое распределение; максимум достигается в районе 5 нм. Полуширина распределения по размерам частиц для ГА, синтезированного без введения желатина в раствор, вдвое выше; распределение характеризуется максимумом при 20 нм.

в г

Рис. 4. Микрофотографии НГА, синтезированного в присутствии желатина: а - 1,5 г/л, б - 2,8 г/л, в - 4,5 г/л, г - 5,5 г/л.

Согласно данным электронной микроскопии, в ряду образцов б-в-а-г обнаружено увеличение среднего размера частиц 5 нм, 18 нм, 24 нм и 32 нм, соответственно

Анализ дифракционных колец, полученный в результате электронографического исследования, показал, что кристаллической фазой в прокаленных порошках является ГА

Изучали анионные замещения в структуре ГА группы РО43 на силикатную группу 5Ю44 и карбонатную группу СОз Химическая формула анион-замещенного ГА в общем виде может быть записана так Саю(Р04)б<1 ю(^) бх(ОН)2 б*, где 0<х<0,5, Ъ = ЯЮ4 или СОз Синтез проводили согласно реакциям

ЮСа(К0з)2+6(1-х)(МН4)2НР04+6х ЗНОЕ^ + 4(2+Зх)Ш4ОН (3)

Саю(Р04)б(1 х)(М04)бх(ОН),.б1 + 20КН41Ч03+ 24хЕЮН+ б(1-х)Н20,

10Са(даЗ)2+(6-6хХШ4)2НР04+6х(Ш4)2С03-Н(2+Зх)Ш40Н -» (4) Са10(РО4)б(, „(СОзЫОН)^ + 20ХН,КО,+ 6(1-х)Н20 Количество карбоната аммония и тетраэтоксисилана (ТЭОС) рассчитывали из соотношения Са/(Р+г)=1,67, где Ъ = Р, С

Полученные порошки сушили из этанола и прокаливали при 600°С В таблице 2 приведены определенные экспериментально (эмиссионным химическим анализом и химическим анализом) степени замещения для групп $104 и СОз

Таблица 2 Определенные экспериментально степени замещения для групп 8Ю4 и СОз, х, мол %

Экспериментальная для 5104 Экспериментальная для СОз

0 0

0,02 0,048

0,08 0,092

0,134 0,137

0,171 0,161

По данным РФА, все порошки монофазны При анионных замещениях новых пиков на рентгенограммах не обнаружено, однако наблюдается смещение ряда пиков для замещенных образцов по сравнению с чистым ГА

По данным ИК-спектроскопии отмечено, что, по сравнению с чистым ГА, для анион-замещенных образцов наблюдается некоторое уменьшение интенсивности пиков групп Р04 (2000, 2100, 1020-1080, 960, 600, 570, 473 смл) и ОН (3550, 630 см*1) Также

отмечено присутствие пиков, отнесенных к группам S1O4 (888, 470, 420 см *) и группам С03 (1650, 1410-1570, 880, 873 смзамещение по АБ-типу) Для замещения на S1O4 также наблюдается вхождение групп СОз в структуру ГА, однако степень замещения для карбонат-групп не превышает 0,02 по данным химического анализа Вхождение карбонат-ионов в структуру полученного ЭЮ-гзамещенного ГА, установленное на основании данных количественного химического анализа и ИК-спектроскопии, обусловлено необходимостью компенсации избыточного отрицательного заряда при замещении трехзарядных ионов Р043 на четырехзарядные ионы Si044 с помощью двухзарядных ионов СОз2

Влияние анионных замещений на размеры получаемых частиц апатита оценивали по площади удельной поверхности (рис 5)

КоДТД! и 5а1 Аи «у яеу яйо! | вЮ &1>в% а. и 711 Аи ^ 1 СО к < 1в %

А б

Рис 5 Зависимость площади удельной поверхности степени замещения х, мол % а - для групп 8Ю4, б - для групп СОз В целом, с увеличением степени анионного замещения площадь удельной поверхности порошков возрастает Для замещений на СОз этот эффект выражен сильнее площадь удельной поверхности возрастает от 24 м2/г для чистого ГА до 41 м2/г для КГА со степенью замещения 0,161, для замещений на Й104, соответственно, от 24 м2/г для чисто! о ГА до 31 м2/г для 51-ГА со степенью замещения 0,5

Синтетический КГА - термически неустойчивое соединение Уже при температуре 300°С из КГА начинается выделение оксидов СО и СО2 Максимум концентрации СОт в паровой фазе достигается при температуре около 700°С, при температурах выше 1000°С происходит катастрофическая потеря СО32 -групп, но при сохранении структуры апатита, по крайней мере до 1100-1200°С Вероятной причиной термической нестабильности КГА, значительно большей по сравнению с нестабильностью ГА, является зарядовый дисбаланс при вхождении карбонат-групп в структуру Проблема стабилизации КГА представляется

весьма важной в связи с технологией имплантатов из КГА-керамики, для изготовления которых требуются операции спекания порошков КГА при температурах выше 1200-1250°С Возможным способом стабилизации является компенсация зарядового несоответствия посредством введения одновалентных ионов, например ионов натрия, изоморфно замещающих ионы кальция в структуре КГА Проводилось исследование такой возможности, причем в пределах содержания карбонат-групп и ионов натрия в синтетическом КГА, соответствующих составу биологической костной ткани

Синтез натрий-содержащих КГАП с расчетным атомным соотношением Ка/С 1 2 (образец 1) и 1-1 (образец 2) проводили методом гетерофазного взаимодействия по реакции

1 ОСаО + 6(КН4)2НР04+хЫаНС03 + (4-х/2)НгО -> (5)

Саю.1Ыа1(Р04)б(0Н)2 2д (СОз^+^ГЧВДН В качестве исходных реагентов использовали свежепрокаленный оксид кальция, двухзамещенный фосфат аммония и гидрокарбонат натрия Молярное соотношение реагентов СаО (ЫНОгНРСЦ ИаНСОз составляло 1,67 1 0,17 (КГАП 2) и 1,67 1 0,085 (КГАП 1) Реагенты в виде сухих солей смешивали с добавлением карбоната аммония в планетарной мельнице в течение 30 мин Затем добавляли дистиллированную воду и смешение продолжали еще 30 мин Осадок отделяли и сушили на воздухе при комнатной температуре

Согласно РФА, все полученные порошки имеют кристаллическую структуру апатита Количество натрия и карбонатных групп определяли с помощью элементного анализа и химическим методом (таблица 3)

Таблица 3 Результаты химического анализа образцов КГА

Образец Содержание, ат % Ат соотношение

Ca Na Р С Na/C Са/Р

КГАП 1 24,6 0,39 14,6 1,6±0,2 0,24 1,68

КГАП 2 24,2 0,77 14,6 1,3±0,3 0,59 1,66

В ИК-спектрах образцов присутствуют полосы, соответствующие Vi, V3 и V4 модам колебаний фосфатных групп, в интервалах волновых чисел, соответственно 955-962 см"1, 1020-1080 см1 и 520-660 см"1 Колебаниям v2 и V3 карбонатных групп соответствуют полосы в интервалах 870-875 и 1300-1650 см1 Последняя расщеплена на три интенсивных пика при 1410, 1447 и 1642 см"1 Для КГА Б-типа характерны пики при 870, 1430 и 1450 см тогда как КГА А-типа замещения присущи пики при 880, 1450 и 1540 см1

Отсутствие в спектрах пика при 1540 см"1 указывает па то, что синтезированные натрий-содержащие апатиты - преимущественно Б-типа замещения.

Температура, С

Рис. 6. Термогравиметрические кривые образцов I и 2, а также образца КГАП без натрия.

На рис. 6 показаны термогравиметрические (ТГ) кривые потери массы образцов при нагреве в интервале температур до 1200°С. Для сравнения приведена также ТГ кривая для образца КГА без натрия, содержащего около 3 ат.% углерода. Интенсивность потери массы возрастает с увеличением содержания натрия в образцах. Разница в содержании углерода в образцах КГА 1 и КГА 2 не может быть причиной пониженной термической устойчивости последнего, так как термическая устойчивость, по литературным данным, снижается с увеличением содержания углерода. Кроме того, образец без натрия, но с повышенным содержанием СОз, как видно из данных рис. 6, более устойчив по сравнению с образцами ^-содержащих КГА. Таким образом, можно полагать, что именно введение натрия обусловливает снижение термической устойчивости КГА по сравнению с КГА без натрия.

- А —' Б

Рис. 7. ИК-спектры конденсата паровой фазы, образующейся при нагреве образцов 1 (А) и 2 (Б).

На рис. 7 показана эволюция полос поглощения оксидов углерода: СО (полосы при 2149 и 2138 см"1) и СОз (при 2345 и 2339 см '), в зависимости от температуры нагрева образцов, в ИК-спектрах конденсата паровой фазы, образующейся при нагреве.

Температура, "С Температура, "С

А Б

Рис. 8. Температурная зависимость площадей полос поглощения СО (А) и С02 (Б) в ИК- спектрах конденсата паровой фазы, выделяющейся из образцов при нагреве.

На рис. 8 представлены температурные зависимости площадей полос поглощения СО и СО7. Площадь полосы может качественно быть принята за меру интенсивности выделения соответствующего газа, поскольку навески образцов были одинаковы (100+1 мг). Из сравнения зависимостей (рис, 8) для образцов 1 и 2, можно сделать следующие выводы. Интенсивное термическое разложение образца 2 начинается при более низких температурах чем образца 1. Существуют, по крайней мере, три области

температур интенсивного разложения образца 2 (с высоким содержанием натрия): 300-500°С (СО и С02) , 700-800°С (СО) и более 1200°С (СО а С02). Область интенсивного разложения для образца 3, с меньшим содержанием натрия, смещена в сторону более высоких температур (950-1250°С по СО и 550-800°С - по С02). Таким образом, с увеличением содержания натрия от 0,4 до 0,8 масс.% интенсифицируется термическое разложение КГА, сопровождающееся удалением СОз-групп и, как следствие, образованием оксидов углерода в паровой фазе. Результаты ТГ и ИК-анализа приводят к мнению о том, что изоморфное замещение кальция натрия в изученных пределах не приводит к стабилизации КГА.

Согласно данным по результатам моделирования методом молекулярной динамики, наиболее энергетически выгодной структурой Ка-КГА является структура Б-типа замещения, в которой карбонат-группа замещает фосфат-группу, а ион натрия находится в смежном с карбонат-группой положении иона кальция, компенсируя возникающий зарядовый дисбаланс. Такая пространственная конфигурация эффективна вследствие близости ионных радиусов

Са2+ (1,14А) и (1,16А). Оценки энергии образования дефектов при различных типах замещения С032~ —> РО/" привели к следующему результату (в кДж/моль): замещение типа А: -404,0; замещение типа Б с компенсацией зарядового несоответствия посредством ОН-групп: -0.7: типа Б с компенсацией

зарядового несоответствия натрием: -71,1 и замещение смешанного типа АБ: -518,7. Таким образом, введение натрия может способствовать переходу от АБ-типа замещения, характерного для ЮГА с содержанием углерода 1,3-1,6 масс.%, к преимущественно Б-типу (согласно данным ИК-спектроскопии). Образующаяся при этом структура, в которой компенсация зарядового дисбаланса происходи за счет одновалентного натрия, является термодинамически менее устойчивой, чем структура АБ-типа. По-видимому, с увеличением содержания натрия вклад Б-типа замещения возрастает, что приводит к снижению термической устойчивости карбонат-замещенного гидроксиапатита.

Важной технологической задачей является ингибирование агломерирования нанопорошков при сушке. Провели поиск оптимальной среды для сушки нанопорошков ГА. Для этого синтезировали ГА по реакции (1), затем, после старения в течение суток, осаждённый ГА, переносили в среду и сушили в сушильном шкафу при 120°С. Полученный порошок просеивали через сито и прокаливали при 400"С в муфельной печи. Сравнивали следующие среды: вода, этиловый спирт, ацетон, н-бутанол-1, толуол, ССЦ. Качество сушки оценивали по значениям площади удельной поверхности получаемых порошков. На рис. 9 приведены гистограммы удельной поверхности порошков после сушки из различных сред.

Рис. 9. Влияние среды сушки ГА на площадь УП порошков.

Лучшие значения получили для толуола, ССЦ и этанола.

В четвертой главе описаны результаты исследования керамики на основе НГА, проведён сравнительный анализ пористой и плотной керамики, полученной из МГА и НГА.

Гранулы из порошков ГА формовали с использованием эффекта несмешивающихся жидкостей. Порошок НГА смешивали с подогретым раствором биополимера, после чего вводили его в неводную дисперсионную среду, охлаждённую до 10-15°С и перемешивали лопастной мешалкой со скоростью 600-800 мин"1. После сушки гранулы подвергали термообработке в интервале температур от 850 до 1150°С.

При термообработке гранул происходит выгорание биополимера, что приводит к формированию системы открытых взаимосвязанных пор и некоторой усадке гранул. Открытая пористость гранул, оцененная гидростатическим взвешиванием, составляла от 25 до 50 %.

Гранулы получали из четырёх порошков ГА: изометрической формы, УП 9 м2/г, изометрической формы, УП 61 м2/г, игольчатой формы, УП 10 м2/г и изометрической формы, УП 110 м2/г. Гранулы исследовали с помощью РФА и сканирующей электронной микроскопии. По данным РФА, изменений в фазовом составе при спекании не происходит, однако с ростом температуры рефлексы, характерные для ГА, становятся более узкими.

Микроструктура (рис. 10) полученных гранул существенно различна: если для гранул из порошков изометрической формы распределение пор и частиц по размерам однородно, то у гранул из порошков игольчатой формы наблюдаются целые сегменты плотно спечённого ГА, и в то же время есть крупные поры неправильной формы, распределённые неравномерно.

А б

Рис. 10 Микрофотографии гранул ГА: а - порошок изометрической формы, УП = 61 м2/г, б - порошок игольчатой формы, УП = 10 м2/г; Т = 950°С.

Изготавливали бапочки из порошков НГА-порошков с УП 80 м2/г, МГА - 5 м2/г. Давление прессования для всех образцов составляло 200 МПа. Полученные балочки спекали в муфельной печи в интервале температур от 900 до 1300°С.

Усадка балочек из нанопорошков более интенсивна; спекание керамики из нанопорошков происходит при температуре примерно на 100°С ниже, чем для керамики из МГА. При испытаниях на прочность при изгибе было обнаружено, что керамика из МГА, спеченная при 1200°С до открытой пористости -5%, имеет прочность выше по сравнению с керамикой из НГА, спеченной при той же температуре до открытой пористости ~3%(до 55 МПа для МГА против 32 МПа для НГА).

Более низкая прочность керамики из НГА по сравнению с МГА связана с тем, что при высоких температурах в керамике из НГА происходит интенсивная собирательная рекристаллизация ГА, и размер зерна в конечной керамике для НГА больше, чем для керамики из МГА (рис. 11).

Рис. 11. Микроструктура керамики при Т= 1200°С для а - керамики из МГА. б - керамики из НГА.

Для улучшения прочностных характеристик керамики на основе НГА необходимо разрабогать способы уменьшения собирательной рекристаллизации частиц ГА. Для снижения температуры спекания керамики из НГА применяли формование образцов при высоких давлениях и использование спекающих добавок.

Порошок с частицами изометрической формы и значением УП 79,5 м2/г прессовали в металлической пресс-форме из закалённой стали с помощью ручного малогабаритного гидравлического пресса под давлением 3.5 ГПа в виде таблеток диаметром 12 мм и толщиной 1,5 мм. Таблетки измельчали, порошок гранулировали, гранулы подвергали повторному прессованию. Таблетки спекали в муфельной печи при 64(ГС. 750°С, 850РС, 950°С и 115СГС. Структуру керамики исследовали методами ПЭМ и электронографии (рис.12).

а б

Рис. 12. Микрофотографии и дифрактограммы а - прессовки из нанодисперсного порошка ГА без термообработки, б - после термообработки при 640°С

В прессовке сохраняется компактная кристаллическая структура апатита с исходным размером наночастиц В результате температурного воздействия собирательная рекристаллизация приводит к росту кристаллитов, средний размер их составляет около 30 нм, отдельные зерна вырастают до 50 нм Таким образом, в спеченной керамике сохраняется нанокристалличность структуры По результатам гидростатического взвешивания, плотность керамики, полученией спеканием при 640°С, близка к теоретической плотности ГА (3,16 г/см2), то есть в результате воздействия высокого давления при прессовании удалось существенно понизить температуру спекания по сравнению с температурой, необходимой для спекания керамики из порошков МГА Высокое давление существенно увеличивает площадь контакта и активирует взаимодействие наночастиц с высокой площадью удельной поверхности

Разработан альтернативный метод интенсификации спекания для предотвращения собирательной рекристаллизации с применением спекающей добавки в системе KiCOj-L12CO3 Исходный порошок ГА с различными значениями удельной поверхности - 10 м2/г, 70 м2/г и 110 м2/г смешивали с добавками различных составов, концентрацией 0, 2, 5 и 7 % масс Образцы получали путем одноосного прессования при давлении 100 МПа с последующей термообработкой при температурах 600,650, 700 и 750°С

С увеличением концентрации добавки и удельной поверхности исходных порошков достигается наименьшая пористость в образцах (около 0,5-2%) при температуре 600°С Образцы ГА без добавки не спекаются в температурном интервале 600 - 750°С Прочность на изгиб варьировалась в пределах 1-118 МПа Наибольшее значение прочности 118 МПа получено при использовании с содержанием L12CO3 33% масс

ВЫВОДЫ

Проведены исследования по синтезу наночастиц гидроксиапатита и технологии изготовления нанокристаллической гидроксиапатитовой керамики Почученные результаты позволяют сделать следующие выводы

1 Синтез осаждением из водных растворов, содержащих полимеры ПВС, желатин и крахмал, позволяет получить наяопорошки ГА с размером частиц 10-20 нм и площадью удельной поверхности до 220 ма/г Зависимость площади удельной поверхности от концентрации полимера в растворе существенно различна для указанных полимеров для ПВС площадь удельной поверхности монотонно снижается, для крахмала - монотонно возрастает с увеличением концентрации, а для желатина эта зависимость проходит через максимум Различие связано с особенностями супрамолекулярной структуры полимеров,

обусловливающей разные условия для образования зародышей кристаллизации и их последующего роста

2 Морфология наночастиц гидроксиапатита зависит от природы исходных реагентов синтез из разбавленных водных растворов нитрата кальция приводит к получению порошков изометрической морфологии, синтез из растворов ацетата кальция -иглообразной формы, использование мягкого щелочного реагента - мочевины приводит к осаждению наночастиц птастинчатой формы

3 Введение карбонат- и силикат-групп в продукт синтеза приводит к снижению размера частиц в замещенном ГА, что обусловлено структурными напряжениями Частичное замещение кальция натрием в структуре карбонатгидроксиапатита приводит к снижениею его термической стабильности интенсивность выделения оксидов углерода - продуктов разложения КГА, возрастает с повышением степени замещения кальция натрием, что обусловлено увеличением доли Б-типа замещения в смешанном АБ-типе замещения карбонатными группами

4 Последовательное снижение поверхностною натяжения среды сушки порошков позволяет сохранить их нанодисперсное состояние при сушке в водной среде удельная поверхность не превышает 40 м2/г, в этаноле - до 90 м2/г, в толу о те - до110 м2/г

5 Разработаны составы спекающих добавок в системе K2CO3-L1JCO3, позволяющие понизить температуру спекания до 600-750°С (в зависимости от площади УП порошка) за счет организации процесса спекания с участием жидкой фазы Прочность ГА керамики при изгибе возрастает от 1 МПа до 118 МПа для образца керамики с добавкой состава К2СОз- 67 % мол , ЬьСОз - 33 % мот концентрацией 1%

6 Применение высоких давлений (до 3,5ГПа) при одноосном прессовании порошков НГА с размером кристаллитов 10-15 нм позволило, в результате интенсификации спекания за счет увеличения площади контакта частиц, получить при температуре спекания 640°С плотно спеченную керамику с размером кристаллитов 25-50 нм (по данным ПЭМ)

7 Разработанные основы технологии нанопорошков и наноструктурированной керамики могут быть использованы в производстве гранул, в частности для плазменных покрытий и заполнения костных дефектов, пористой и плотной керамики с улучшенными показателями механических свойств, предназначенной для использования в качестве матриксов в инженерии костной ткани и несущих нагрузку имплантатов, соответственно

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Фомин АС, Комлев ВС, Баринов СМ, Фадеева ИВ, Ренгини К Синтез нанопорошков гидроксиапатита для медицинских применений // Перспективные материалы 2006 №2 С 51-55

2) Фомин А С , Баринов С М , Иевлев В М , Фадеева И В , Комлев В С , Белоногов Е К, Тураева Т Л Наноразмерный гидроксиапатит, синтезированный осаждением в растворе желатина // ДАН 2006 Т 411, №3 С348-351

3) Komlev V S , Kubarev О L, Fomin A S , Fadeeva IV , Bannov S M Calcium Phosohate Powders and Granules For Medicine // Proceed of Int Conference Deformation and Fracture in Structural Materials StaraLesna 2005 P 354-358

4) Кузнецов А В , Фомин А С , Фадеева И В , Вересов А Г , Баринов С М Влияние различных условий синтеза на морфологию гидроксиапатита при использовании ультразвукового воздействия // ЖНХ 2008 №1 (в печати)

5) Бакунова Н В , Фомин А С , Фадеева И В , Баринов С М , Шворнева Л И Нанопорошки кремнийсодержащих гидроксиапатитов // Ж неорг химии 2007 Т 52, №10 С 71-75

6) Фомин А С, Смирнов В В., Баринов С М, Михайлов Б П, Иевлев В М, Нанокристаллическая гидроксиапатитовая керамика, полученная спеканием при пониженной температуре после воздействия высоких давлений // ДАН 2008 (в печати)

7) Баринов С М, Фадеева И В , Ферро Д, Pay Дж В , Нунцианте Чезаро С , Комлев В С, Фомин АС О стабилизации карбонат-содержащего гидроксиапатита изоморфным замещением кальция натрием // Ж неорг химии 2008 Т 53, №2 (в печати)

8) Antonov Е N, Fomin A S , Antonova О S , Popova А V, Popov V К, Selezneva 11, Barinov S М , Bagratashvih V N Biomimetic coatings on laser sintered lopy(L-lactide) based composite scaffolds doped with silica and hydroxyapatite In Abstracts of Intern Meeting 11th Ceramics, cells and tissues Faenza, Italy, 2-5 October 2007

9) Rustichelh F, Renghini С , Girardm E, Manescu A , Fomm A S , Komlev V S , Robotti P Nanostructured Plasma Sprayed Hydroxyapatite Coatings and Their Properties // In Abstracts of 4th International Workshop on "Nanosciences & Nanotechnologies" Thessaloniki, Greece, 16-18 July 2007

10) Bakunova N V , Fomin A S , Ievlev V Kuznecov A V , M, Komlev V S , Fadeeva I V , Belonogov E К, Shvomeva L I Synthesis and characterization of nanopowders of hydroxyapatite and silicon-substituted hydroxyapatite // In Abstracts of Intern Meeting 11th Ceramics, cells and tissues Faenza, Italy, 2-5 October 2007

Подписано в печать 01 10 2007 г Исполнено 01 10 2007 г Печать трафаретная

Заказ № 797 Тираж 100 экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш , 36 (495) 975-78-56 www autoreferat ru