Способ получения пористых керамических гранул из волластонита и хардистонита Российский патент 2024 года по МПК C04B35/22 C04B35/622 A61L27/10 

Изобретение относится к способу получения новых материалов медицинского назначения, а именно пористых керамических гранул, содержащих в своем составе различные пропорции биосовместимых синтетических солей - волластонита и хардистонита, относящихся к классу силикатов кальция. Данные композитные материалы могут быть использованы для замещения дефектов костной ткани в стоматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии.

В последние годы значительно расширился круг синтетических веществ, которые предлагается использовать в качестве основных компонентов материалов для восстановления дефектов твердых тканей. Наряду с фосфатами кальция исследуются силикаты кальция и их формы, включающие ионы эссенциальных металлов, в частности цинка. Так, установлено, что синтетический хардистонит (Ca₂ZnSi₂O₇) обладает биосовместимостью, высокими механическими свойствами, при этом он деградирует медленнее, чем относительно быстро резорбируемый волластонит (CaSiO₃). В этой связи он может быть использован как самостоятельный биоактивный материал и как модификатор свойств волластонита.

Предложены способы получения плотных [Effect of zinc oxide on wollastonite: Structural, optical, and mechanical properties / M.A. Mahdy, I.K. El Zawawi, S.H. Kenawy, E.M.A. Hamzawy, G.T. El-Bassyouni // Ceramics International. - 2022. - V. 48, Is. 5. - P. 7218-7231] и пористых [Porous scaffolds with tailored reactivity modulate in vitro osteoblast responses / G. Wang, Z. Lu, D. Dwarte, H. Zreiqat // Materials Science and Engineering C. - 2012. - V. 32. - Р. 1818-1826] керамик, содержащих в своем составе CaSiO₃ и Ca₂ZnSi₂O₇. Однако керамические блоки зачастую сложно адаптировать к форме костного дефекта. Заполнение полостей различных размеров и геометрии возможно с использованием гранулированных материалов.

Цилиндрические гранулы с ядром из волластонита и оболочкой из хардистонита описаны в статье [Core-shell bioceramic fiber-derived biphasic granules with adjustable core compositions for tuning bone regeneration efficacy / Z. Bao, J. Yang, J. Shen, C. Wang, Y. Li, Y. Zhang, G. Yang, C. Zhong, S. Xu, L. Xie, M. Shen, Z. Gou // Journal of Materials Biochemistry B. - 2023. - V. 11. - Р. 2417-2430]. В данном изобретении их предлагается получать экструзией через коаксиально ориентированные двухслойные сопла суспензий неорганических порошков с полимерными гидрозолями, с последующим нарезанием и спеканием.

К недостаткам данного технического решения относятся:

- сложное аппаратурное оформление способа,

- неравномерное распределение CaSiO₃ и Ca₂ZnSi₂O₇ по объему материала.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ получения сферических гранул, в которых по объему равномерно распределены гидроксиапатит и волластонит, связанные между собой желатиновой пленкой (патент РФ № 2785143). В прототипе получают суспензию из синтетического двухкомпонентного порошка, содержащего от 10 до 90 мас.% гидроксиапатита в смеси с волластонитом (90-10 мас.%, соответственно), и 15% водного раствора желатина, взятых в пропорции 1:1.25-2, прикапывают данную суспензию в емкость с растительным маслом, перемешиваемым со скоростью 800-900 об/мин при температуре около 0°С, фильтруют сформировавшиеся гранулы, отмывают от масла этиловым спиртом и высушивают на воздухе при комнатной температуре.

К недостаткам данного технического решения можно отнести:

- присутствие в составе материала желатина, который в водной среде быстро набухает и теряет свойства связующего,

- наличие в составе гранул плохо резорбируемого фосфата кальция -гидроксиапатита.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке способа получения сферических керамических гранул с варьируемым в широком диапазоне содержанием волластонита и хардистонита, равномерно распределенных по объему материала.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения пористых керамических гранул из волластонита и хардистонита, характеризующийся тем, что получают суспензию из двухкомпонентного порошка, содержащего от 1.5 до 25 мас.% оксида цинка в смеси с волластонитом, и 15% водного раствора желатина, взятых в пропорции 1:1.7-2, прикапывают суспензию в емкость с растительным маслом с температурой около 0°С, перемешиваемым со скоростью 1000 об/мин, фильтруют сформировавшиеся гранулы, промывают изопропиловым спиртом, высушивают и прокаливают на воздухе при 1250°С.

В качестве минеральной составляющей гранул выбраны синтетические порошки волластонита и оксида цинка, смешанные механически, которые при высокотемпературной обработке взаимодействуют по схеме (1) с образованием Ca₂ZnSi₂O₇:

2β-CaSiO₃ + ZnO → Ca₂ZnSi₂O₇ (1)

Изменение доли ZnO в смеси от 0 до 25 мас.% обеспечивает формирование после прокаливания композитов, расчётное содержание хардистонита в которых достигает 97 мас.%.

Желатин выбран в качестве связующего полимера на этапе получения гранул ввиду его доступности и невысокой стоимости. 15% водный раствор готовят для получения сметанообразной суспензии. При концентрации желатина в растворе менее 15% суспензия керамического порошка в нем получается жидкой, в масле формируются мелкие трудно фильтруемые гранулы. С более концентрированным раствором желатина образуется густая, плохо текущая суспензия и единичные большие гранулы. Из этих же соображений используется пропорция порошка и раствора желатина 1:1.7-2 (прибавление более 2 мл 15% раствора желатина к 1 г порошка приводит к жидкой суспензии и мелким трудно фильтруемым гранулам, тогда как с менее чем 1.7 мл раствора желатина образуется густая, плохо текущая суспензия и единичные крупные гранулы).

Использование холодного растительного масла в качестве дисперсионной среды обеспечивает формирование в ней сферических частиц из водно-желатиновой суспензии керамического порошка под действием центробежных сил и поверхностного натяжения, а также застывание связующего полимера - желатина, за счет этого сохраняется сферическая форма частиц после их извлечения из масла и предотвращается слипание и/или слияние гранул.

Перемешивание системы со скоростью 1000 об/мин дает возможность получать полидисперсные образцы гранул с диаметрами от 100 мкм до 3 мм и преобладающей фракцией 1-2 мм. При более высокой скорости перемешивания происходит формирование образцов, содержащих мелкие трудно фильтруемые гранулы. Меньшая скорость перемешивания не обеспечивает удовлетворительного диспергирования суспензии в масле, и образуются либо гранулы в виде палочек, либо малое количество крупных гранул, либо суспензия разбивается на большие капли, которые не застывают и при окончании перемешивания сливаются в единую массу.

В результате высушивания гранул при комнатной температуре удаляется остаточная влага и происходит обезвоживание желатина с формированием полимерной пленки, связывающей частицы керамических порошков, и системы взаимосвязанных пор.

Прокаливание гранул на воздухе при 1250°С позволяет удалить из материала желатин, обеспечивает также условия для взаимодействия β-CaSiO₃ и ZnO с образованием Ca₂ZnSi₂O₇ и спекания керамических частиц в единый керамический каркас. При температуре более 1250°С материалы расплавляются и теряют шарообразную форму, при меньшем нагреве гранулы хрупкие из-за недостаточного спекания частиц порошков.

Существенные отличительные признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что:

- получают суспензию из двухкомпонентного порошка, содержащего от 1.5 до 25 мас.% оксида цинка в смеси с волластонитом, и 15% водного раствора желатина,

- порошок и раствор желатина берут в пропорции 1:1.7-2,

- проводят прикапывание суспензии в емкость с растительным маслом с температурой около 0°С, перемешиваемым со скоростью 1000 об/мин,

- гранулы отфильтровывают, промывают изопропиловым спиртом, высушивают и прокаливают на воздухе при 1250°С.

Благодаря совокупности этих отличительных признаков заявляемым способом получают полидисперсные сферические пористые керамические гранулы, содержащие волластонит в смеси с хардистонитом (до 97 мас.% последнего) с размерами от 100 мкм до 3 мм, открытой пористостью порядка 60%, микротвердостью не менее 50 МПа.

Заявляемый способ подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Порошок, содержащий 98.5 мас.% волластонита и 1.5 мас.% оксида цинка, массой 1 г смешивают с 2 мл 15% водного раствора желатина. Образовавшуюся суспензию прикапывают в емкость с растительным маслом с температурой около 0°С и перемешивают на магнитной мешалке со скоростью 1000 об/мин до образования сферических капель. После отстаивания, гранулы отфильтровывают, отмывают от масла изопропиловым спиртом, высушивают при комнатной температуре с последующим двухчасовым прокаливанием на воздухе при 1250°С. В результате получают сферические гранулы, содержащие 94.2 мас.% α-CaSiO₃ и 5.8 мас.% Ca₂ZnSi₂O₇, с преобладающей фракцией с диаметрами от 1 до 2 мм (65±1%), средней плотностью 1.239±0.027 г/см³, открытой пористостью 59±4%, микротвердостью 51±5 МПа.

Пример 2. Порошок, содержащий 90 мас.% волластонита и 10 мас.% оксида цинка, массой 1 г смешивают с 1.8 мл 15% водного раствора желатина. Образовавшуюся суспензию прикапывают в емкость с растительным маслом с температурой около 0°С и перемешивают на магнитной мешалке со скоростью 1000 об/мин до образования сферических капель. После отстаивания, гранулы отфильтровывают, отмывают от масла изопропиловым спиртом, высушивают при комнатной температуре с последующим двухчасовым прокаливанием на воздухе при 1250°С. В результате получают сферические гранулы, содержащие 61.4 масс.% α-CaSiO₃ и 38.6 мас.% Ca₂ZnSi₂O₇, с преобладающей фракцией с диаметрами от 1 до 2 мм (67±1%), средней плотностью 1.234±0.023 г/см³, открытой пористостью 60±4%, микротвердостью 58±1 МПа.

Пример 3. Порошок, содержащий 75 мас.% волластонита и 25 мас.% оксида цинка, массой 1 г смешивают с 1.8 мл 15% водного раствора желатина. Образовавшуюся суспензию прикапывают в емкость с растительным маслом с температурой около 0°С и перемешивают на магнитной мешалке со скоростью 1000 об/мин до образования сферических капель. После отстаивания, гранулы отфильтровывают, отмывают от масла изопропиловым спиртом, высушивают при комнатной температуре с последующим двухчасовым прокаливанием на воздухе при 1250°С. В результате получают сферические гранулы, содержащие 3.4 мас.% α-CaSiO₃ и 96.6 мас.% Ca₂ZnSi₂O₇, с преобладающей фракцией с диаметрами от 1 до 2 мм (69±1%), средней плотностью 1.410±0.020 г/см³, открытой пористостью 62±2%, микротвердостью 52±2 МПа.

Подобным образом изготовлены сферические керамические гранулы, содержащие иные количества хардистонита в смеси с волластонитом.

В табл. 1 представлены характеристики гранул различного состава: ZnO/β-CaSiO₃ - соотношение компонентов в исходной порошковой смеси, в мас.%; Ca₂ZnSi₂O₇/α-CaSiO₃ - соотношение компонентов в гранулах, в мас.%; W_1-2 - доля фракции гранул с диаметрами от 1 до 2 мм в образце, в %; ρ - средняя плотность гранул, в г/см³; П - открытая пористость гранул, в %; HV - микротвердость гранул по Виккерсу, в МПа.

Таблица 1

ZnO/
β-CaSiO₃, мас.% Ca₂ZnSi₂O₇/α-CaSiO₃, мас.% W_1-2, % ρ, г/см³ П, % HV, МПа 1.5/98.5 5.8/94.2 65±1 1.239±0.027 59±4 51±5 2.5/97.5 9.7/90.3 68±1 1.252±0.018 57±2 - 5/95 19.3/80.7 74±2 1.233±0.029 58±3 - 10/90 38.6/61.4 67±1 1.234±0.023 60±4 58±1 15/85 58.0/42.0 67±1 1.294±0.018 60±2 - 20/80 77.3/22.7 74±2 1.380±0.023 58±2 - 25/75 96.6/3.4 69±1 1.410±0.020 62±2 52±2

На Фиг.1. представлены дифрактограммы гранул, содержащих 94.2 и 5.8-(1), 61.4 и 38.6-(2), 3.4 и 96.6-(3) мас.% α-CaSiO₃ и Ca₂ZnSi₂O₇, соответственно, полученных из смесей 1.5 (1), 10 (2), 25 мас.% (3) ZnO и β-CaSiO₃.

На Фиг.2. представлены микрофотографии поверхности (а) и внутренней структуры (б) гранул, содержащих 3.4 и 96.6 мас.% α-CaSiO₃ и Ca₂ZnSi₂O₇ соответственно.

Таким образом, предложен способ получения полидисперсных пористых керамических гранул с варьируемым содержанием волластонита и хардистонита, различающихся по физико-химическим и механическим свойствам, которые могут быть использованы в качестве остеопластических материалов для восстановления поврежденных и утраченных участков твердых тканей человека.

Изобретение относится к способу получения пористых керамических гранул, содержащих в своем составе различные пропорции биосовместимых синтетических солей - силикатов кальция. Технический результат - получение сферических керамических гранул с варьируемым в широком диапазоне содержанием волластонита и хардистонита, равномерно распределенных по объему материала. Способ получения пористых керамических гранул из волластонита и хардистонита характеризуется тем, что получают суспензию из двухкомпонентного порошка, содержащего от 1,5 до 25 мас.% оксида цинка в смеси с волластонитом, и 15% водного раствора желатина, взятых в пропорции 1:1,7-2, прикапывают суспензию в емкость с растительным маслом с температурой около 0°С, перемешиваемым со скоростью 1000 об/мин, фильтруют сформировавшиеся гранулы, промывают изопропиловым спиртом, высушивают и прокаливают на воздухе при 1250°С. 2 ил., 1 табл., 3 пр.

Способ получения пористых керамических гранул из волластонита и хардистонита, характеризующийся тем, что получают суспензию из двухкомпонентного порошка, содержащего от 1,5 до 25 мас.% оксида цинка в смеси с волластонитом, и 15% водного раствора желатина, взятых в пропорции 1:1,7-2, прикапывают суспензию в емкость с растительным маслом с температурой около 0°С, перемешиваемым со скоростью 1000 об/мин, фильтруют сформировавшиеся гранулы, промывают изопропиловым спиртом, высушивают и прокаливают на воздухе при 1250°С.