Композиционный биоматериал на основе гидроксиапатита и способ его получения Российский патент 2024 года по МПК A61K6/838 A61L27/42 A61L27/06 A61L27/12 

Изобретение относится к области получения биосовместимых металло-керамических медицинских композиционных материалов, которые могут быть использованы в хирургии при восстановлении и лечении костной ткани, ортопедической стоматологии и замещению поврежденных участков кости.

Известен биорезорбируемый композиционный материал на основе гидроксиапатита, армированного частицами магния, а также способ его получения с помощью электроимпульсного метода компактирования, при этом смешение и помол исходных порошковых материалов, представляющих собой магний и гидроксиапатит, осуществляют в атмосфере инертного газа в планетарной мельнице с последующим компактированием смеси электроимпульсным методом, содержание фазы гидроксиапатита в порошковой смеси составляет 70-90 мас. %, а содержание фазы магния составляет 10-30 мас. % (патент RU 2760096 C1; МПК А61Л 27/42, A61L 27/56, А61К 6/838, А61К 6/84, A61F 2/28, A61P 19/00; 21.01.2021 год).

К недостаткам известного материала относится использование химически активного магния в качеств наполнителя, поскольку при внедрении композита в биологическую среду, содержащую воду, а общее количество воды в организме человека составляет 55-65%, в частности во внутриклеточной жидкости, магний как активный элемент начнет взаимодействовать с водной средой, что приведет к ухудшению прочностных характеристик имплантата. Кроме того, способ его получения отличается сложностью за счет использования электроимпульсного метода компактирования и необходимости использования инертной атмосферы, поскольку высокая химическая активность магния приводит к его окислению на воздухе.

Известен биомедицинский керамический композитный материал, содержащий в качестве матричной основы твердый раствор фторгидроксиапатита, представленный формулой: Ca₁₀(PO₄)₆(OH)_2-xF_2x; в качестве второй фазы, функционирующей в качестве армирующего материала, использован по меньшей мере один материал, выбранный из диоксида циркония(ZrO₂), оксид алюминия (Al₂O₃), диоксид титана (TiO₂), карбид кремния (SiC) и нитрид кремния (Si₃N₄), а также металлическое волокно. Содержание второй фазы составляет 20-50 об. % от общего объема (патент KR 10049270; МПК A61L27/10, A61L27/10; 2005 год).

Недостатком известного матеиала являяется использование в способе его получения в качестве фторирующих гидроксиапатит агентов опасных для живых организмов соединения фтора, таких как NH₄F, NaF, KF, MgF₂. AlF₃, которые при спекании с трикальцийфосфатом (1000°С) частично остаются в материале, представляю угрозу отравления организма.

Известен биомедицинский материал на основе композитного порошка гидроксиапатит-гидроксид титана, при этом способ его получения включает следующие стадии: (1) смешивание порошка гидроксиапатита, спиртового растворителя, ледяной уксусной кислоты и соединения титана для получения суспензии гидроксиапатит-титан; (2) добавление капель воды к суспензии и выдерживание для получения суспензии гидроксиапатит-гидроксид титана; и (3) разделение суспензии гидроксиапатит-гидроксид титана на твердую и жидкую фазы с получением композитного порошка гидроксиапатит-гидроксид титана. Когда полученный композитный порошок гидроксиапатит-гидроксид титана используют для получения композитного материала гидроксиапатит-оксид титана, то в процессе спекания гидроксид титана разлагается, и образовавшаяся на месте фаза диоксида титана равномерно диспергируется в композитном материале гидроксиапатит-оксид титана (патент CN 109701082; МПК A61L27/42, A61L27/50; 2021 год).

Однако, недостатком известного материала является разложение гидроксиапатита при высоких температурах (700 - 1300°С) с образованием трикальцийфосфата и титаната кальция, в связи с чем композиционный материал теряет значительную часть биоактивных свойств присущих гидроксиапатиту. Кроме того, способ его получения характеризуется применением сложных исходных компонентов, многократной отмывкой от спиртов и уксусной кислоты, которые могут частично присутствовать и во время спекания материала, становясь восстановителями.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является биоактивный композиционный материал на основе гидроксиапатита, в котором диспергирован монооксид титана. Известный материал содержит в качестве монооксида титана сверхстехиометрический монооксид титана TiO_1,22 при следующем соотношении компонентов, мас.%: гидроксиапатит - 77- 79, монооксид титана TiO_1,22 - 21-23, и характеризуется микротвердостью 159-169 МПа. Известный биоактивный композиционный материал может быть получен следующим образом. Смесь металлического титана Ti и диоксида титана TiO₂ прессуют в таблетки и подвергают спеканию в вакууме 10^-3 Па при температуре 1470-1485°C в течение 68-72 часов с промежуточным перетиранием продуктов спекания через каждые 22-24 час. Далее проводят отжиг таблеток в вакуумированных кварцевых ампулах (10^-4 Па) в течение 180-200 мин при температуре 1020-1030°C. После чего ампулу с образцами сбрасывают в воду для закалки. Полученный продукт состава TiO_1,22 подвергают фрагментации в планетарной шаровой мельнице в течение 480-500 минут с реверсом направления через каждые 30 минут и скоростью вращения 480-520 об/мин в среде изопропилового спирта. Затем добавляют порошок гидроксиапатитата (ГАП) стехиометрического состава Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, в количестве 77-79 мас.% от общего состава, полученный в соответствие с патентом RU2104924, и осуществляют повторную фрагментацию в тех же условиях. После чего порошок просушивают, прессуют в таблетки и отжигают в вакуумированных кварцевых ампулах при температуре 400-420°С в течение 240- 280 мин. Полученный материал имеет микротвердость 159 - 169 МПА (патент RU 2724611; МПК A61L 27/40, A61L 27/42, A61L 2/28; .2020 год) (прототип).

Недостатком известного материала являются использование сложного в получении монооксида титана - сверхстехиометрический монооксид титана TiO_1,22, способного к дальнейшему окислению уже будучи имплантированым, что может вызвать нежелательные процессы в биологической среде.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать композиционный биоматериал на основе гидроксиапатита, характеризующийся наряду с высокой механической твердостью стабильным составов как в процессе получения, так и при последующей имплантации, обеспечивая биосовместимость с костной тканью и пониженную скорость биодеградации при замене и восстановлении костной ткани,

Поставленная задача решена в предлагаемом композиционном биоматериале на основе гидроксиапатита, в котором диспергирован наполнитель, содержащий титан, отличающийся тем, что в качестве наполнителя он содержит порошок металлического титана с размером частиц 20 - 40 мкм при следующем соотношение компонентов, мас. %:

гидроксиапатит - 80 ÷ 90; титан - 20 ÷ 10.

Поставленная задача также решена в способе получения композиционного биоматериала на основе гидроксиапатита, в котором диспергирован порошок металлического титана с размером частиц 20 - 40 мкм при следующем соотношение компонентов, мас.%: гидроксиапатит - 80 ÷ 90; титан - 20 ÷ 10, по п. 1, включающий получение исходной порошковой смеси гидроксиапатита и металлического титана с размером частиц 20 - 40 мкм, прессование при давлении 20-25 МПа и последующий отжиг при температуре 400-600°С в течение 1-2 часов.

В настоящее время из патентной и научно технической литературы не известен композиционный биоматериал на основе гидроксиапатита, дисперсионно упрочненный порошком титана, содержащий компоненты в предлагаемых пределах с равномерным распределением упрочняющих частиц титана по всему объему, приобретающий высокую микротвердость после низкотемпературной термообработке при 400-600°С в течение 1-2 часов.

Проведенные авторами исследования показали, что использование смеси порошков исходных компонентов в предлагаемых пределах позволяет получить биоматериал, обладающий высокой твердостью после низкотемпературной термообработке при 400-600°С в течение 1-2 часов, при этом разложение гидроксиапатита не происходит гарантировано, так как температура начала его разложения - 800°С, но менее 1 часа недостаточно для полноценного упрочнения, а более 2 часов выдержки при температуре не приводит к дальнейшему упрочнению. Температура менее 400°С не приводит к хорошему упрочнению, а при температуре выше 600°С возможно окисление металлического титана, приводящее к растрескиванию композиционного материала. Кроме того, предлагаемые пределы соотношения компонентов позволяет наряду с достижением высоких значений механической твердости увеличить содержание в биоматериале гидроксиапатита, как компонента, имеющего наибольшее сходство с минерализованной костной тканью, при этом при содержании менее 10 мас. % Ti эффект дисперсионного упрочнения снижается, оптимальным является содержание 15 мас. % Ti при температуре термообработки 600°С, у которого показатель прочности получаемого биоматериала за счет дисперсионного упрочнения равен 160 МПа. Содержание 20 мас. % Ti является оптимальным при температуре отжига 400°C, но повышение содержание титана больше указанного значения приводит к снижению упрочняющего эффекта.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. В мельнице измельчают и смешивают порошки исходных компонентов гидроксиапатита и титана, взятых в соотношении, мас. %: гидроксиапатит - 80÷90; диоксид титана - 20÷10. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 20 - 25 МПа, полученные заготовки помещают в муфельную печь для отжига при температуре 400-600°С в течение 1-2 часов. В результате получают композиционный материал Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂-Ti в виде мелкозернистого прочного материал. Полученный материал аттестован рентгенофазовым анализом (Shimadzu XRD 700, ДРОН-2,0; идентификация фаз с помощью картотеки Powder Diffraction File JCPDSD-ICDD PDF2), а прочностные характеристики определялись на микротвердомере ПМТ-3М (нагрузка 0,98 Н (100 г), время нагружения - 10 с).

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. Берут 80 грамм порошка гидроксиапатита, 20 грамм порошка титана (ТУ 14-22-57-92) с размером частиц 20 - 40 мкм, что соответствует соотношению, масс. : гидроксиапатит - 80; титан - 20, помещают в мельницу и доводят до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 20 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают отжигу при температуре 400°С в течение 1 часа. В результате получают композиционный материал +Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂-Ti в виде плотного мелкозернистого прочного материала, характеризующегося твердостью 153 МПа.

Пример 2. Берут 90 грамм порошка гидроксиапатита, 10 грамм порошка титана (ТУ 14-22-57-92) с размером частиц 20 - 40 мкм, что соответствует соотношению, масс. : гидроксиапатит - 90; титан - 10, помещают в мельницу и доводят до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 25 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают отжигу при температуре 600°С в течение 2 часов. В результате получают композиционный материал Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂-Ti в виде плотного мелкозернистого прочного материала, характеризующегося твердостью 160 МПа.

Пример 3. Берут 85 грамм порошка гидроксиапатита, 15 грамм порошка титана (ТУ 14-22-57-92) с размером частиц 20 - 40 мкм, что соответствует соотношению, масс. : гидроксиапатит - 85; титан - 15, помещают в мельницу и доводят до однородности. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовки (таблетки) при давлении 20 МПа. Затем полученные заготовки помещают в муфельную печь и подвергают отжигу при температуре 600°С в течение 1 часа. В результате получают композиционный материал Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂-Ti_, в виде плотного мелкозернистого прочного материала, характеризующегося микротвердостью 156 МПа.

Таким образом, авторами предлагается композиционный биоматериал, обладающий высокой механической твердостью наряду с сохранением биосовместимости с костной тканью, а также технологически простой способ его получения.

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу получения композиционного биоматериала на основе гидроксиапатита, в котором диспергирован порошок металлического титана с размером частиц 20-40 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%: гидроксиапатит 80-90; титан 20-10, включающему получение исходной порошковой смеси гидроксиапатита и металлического титана с размером частиц 20-40 мкм, прессование при давлении 20-25 МПа и последующий отжиг при температуре 400-600°С в течение 1-2 часов. Технический результат заключается в высокой механической твердости и стабильности состава композиционного биоматериала в процессе его получения с обеспечением биосовместимости с костной тканью. 3 пр.

Способ получения композиционного биоматериала на основе гидроксиапатита, в котором диспергирован порошок металлического титана с размером частиц 20-40 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%: гидроксиапатит 80-90; титан 20-10, включающий получение исходной порошковой смеси гидроксиапатита и металлического титана с размером частиц 20-40 мкм, прессование при давлении 20-25 МПа и последующий отжиг при температуре 400-600°С в течение 1-2 часов.