Кераміка для поповнення дефектів кісткової тканини, зміцнена монокристалами, і спосіб її виготовлення

Предлагаемое изобретение относится к области получения керамических материалов, а именно к составам и способам изготовления керамики на основе кальцийфосфатных соединений, упрочненной монокристаллами, и может быть использовано для восполнения дефектов костных тканей, в том числе в нагруженных областях скелета. Для замещения дефектов костной ткани применяют широкий спектр материалов - от костных аллотрансплантатов, металлов и пластмасс, до инертной и биоактивной керамики. В настоящее время для этих целей наиболее перспективна керамика на основе фосфатов кальция - соединений, родственных по своему кристаллохимическому составу неорганической составляющей костной ткани и содержащая ионы, часто встречающиеся в физиологической среде в первую очередь гидроксилапатитовая. Однако низкие механические (прочностные и др.) характеристики гидроксилапатитной керамики и ограниченная номенклатура существующих составов делают ее непригодной для замещения дефектов костной ткани в нагруженных областях скелета. Предпринимаемые попытки улучшения механических характеристик биоматериала состоят в улучшении всего комплекса его прочностных свойств путем введения различных добавок. Так, известна композиционная биокерамика, получаемая горячим прессованием при 1300 1400°C смеси гидроксилапатита и стабилизированного обладающая значительной прочностью на изгиб и вязкостью разрушения. Однако высокая температура обработки, необходимая для изготовления композита, обусловливает фазовые переходы в материале, в частности разложение гидроксилапатита с образованием и переход тетрагонального в к убический, отличающийся по структуре; это приводит к возникновению структурных де фектов и снижает эксплуатационные свойства материала. Известен также материал для биосовместимых имплантатов, представляющий собой гидроксилапатитовую керамику, армированную металлическими волокнами из нержавеющей стали, или -сплава, получаемый горячим прессованием из смеси матричного порошка гидроксилапатита и волокна, и предназначенный для использования в нагруженных областях скелета. Увеличение объемного содержания волокна в композите хотя и повышает прочность и трещиностойкость материала, но одновременно ведет к снижению его модуля упругости и твердости, а также к значительному увеличению содержания ионов служащих пределом токсичности для живой ткани, что уменьшает биосовместимость материала. Кроме того, даже самые высокочистые стали и сплавы в биологическом плане не идеальны из-за электролитической диффузии составных микрочастиц в окружающие ткани и опасности возникновения патологических процессов, в кости, втом числе бластомогенного характера, особенно при их длительном присутствии в организме. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является керамика, упрочненная монокристаллами, состоящая из гидроксилапатитовой матрицы и монокристаллов диопсида Этот материал при низком содержании оксида алюминия обладает высокой прочностью и вязкостью разрушения: введение монокристаллов диопсида значительно улучшает прочностные свойства керамики и ее стойкость к воздействию нагрузок в сухо-воздушной среде. Однако наличие монокристаллов диопсида в составе известной керамикипрототипа обусловливает их взаимодействие в процессе термообработки с гидроксилапатитом матрицы, что приводит к образованию вокруг монокристаллов диопсида тонкого слоя силикофосфатов [6] сложного состава с пониженной стойкостью к действию жидких эксплуатационных сред различной агрессивности. Следует отметить, что среды, содержащие воду, а тем более агрессивные в той или иной степени, как правило, вызывают ускоренную деградацию керамического материала. При использовании известной керамики в физиологической среде, содержащей воду (в организме теплокровного животного или человека) явления, связанные с наличием монокристаллов диопсида в составе материала, вызывают его межкристаллическую коррозию, приводящую к преждевременной деградации из-за деструкции слоя силикофосфатов. Возникшее нарушение связи между материалом матрицы и армирующими монокристаллами обусловливает снижение во времени стойкости известной керамики к воздействию нагрузок и делает нецелесообразным использование ее для восполнения дефектов костных тканей, в том числе в нагруженных областях скелета. Кроме того, введение диопсида обусловливает наличие значительного количества ионов в составе материала, являющихся пределом токсичности для живого организма и потому не встречающихся в составе естественных биологических тканей, что снижает его биосовместимость. Недостатком известной керамики-прототипа является ее повышенная склонность к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду, и пониженная стойкость во времени к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде. Известны способы изготовления керамики на основе гидроксилапатитовой матрицы и добавок, предусматривающие горячее прессование шихты, что усложняет и удорожает изготовление материала. Известен также способ изготовления в гидротермальных условиях композиционной керамики на основе хлор-, фтор-, карбонат- или гидроксилапатита или их смеси, обладающей высокой прочностью на удар, недостатком которого является то, что не достигается комплекс свойств, необходимых для использования материала в нагруженных областях скелета. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и назначению является способ изготовления керамики-прототипа, заключающийся в горячем прессовании смеси гранулированного кристаллического гидроксилапатита и монокристаллов диопсида или соединений для их получения. Очевидно предполагается, что при использовании в качестве компонентов исходной шихты соединений для получения монокристаллов [т.е. монокристаллов их синтез буде т осуществляться непосредственно в массе материала в твердой фазе в процессе его термообработки. Однако в пределах одного и того же состава в системе в заявленном интервале температур обработки термодинамически возможно одновременное протекание нескольких реакций, в том числе и по многостадийным схемам: и т.д., что обусловливает синтез в материале одновременно с диопсидом различных промежуточных бинарных и/или других тройных соединений системы и их взаимодействие с гидроксилапатитом матрицы с образованием вокруг кристаллов диопсида тонкого слоя силикофосфатов, в том числе и аморфных, отличающихся низкой стойкостью в жидких агрессивных средах и потому склонных в первую очередь деструктировать под их действием. Это практически не сказывается на стойкости материала к воздействию нагрузок в суховоздушных средах, но приводит к увеличению склонности керамики к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду, возникновению структурных дефектов и снижению стойкости во времени к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде, какой является организм человека. Кроме того, для получения необходимой структуры материала в известном способе предусмотрено горячее прессование исходной шихты, требующее использования специального дорогостоящего оборудования, что значительно удорожает и усложняет способ его изготовления. Недостатком известного способа изготовления керамики-прототипа, выбранного нами в качестве прототипа, является повышенная склонность материала к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду и пониженная стойкость к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде, а также сложность процесса его изготовления. Задачей предлагаемых изобретений является снижение склонности материала к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду, и повышение стойкости к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде. Поставленная задача достигается тем, что керамика для восполнения дефектов костной ткани, упрочненная монокристаллами, состоящая из кальцийфосфатной матрицы и монокристаллов, в качестве кальцийфосфатной матрицы содержит гидроксилапатит и/или фторфосфат кальция, и/или композицию, а в качестве монокристаллов монокристаллы периклаза при следующем соотношении компонентов, мас.%: а получают ее, в отличие от известного способа, включающего добавление к матрице, состоящей из гранулированного кристаллического гидроксилапатита, монокристаллов диопсида или соединений для их получения, последующего смешения и горячего прессования, без горячего прессования: в предлагаемом способе шихту сначала формуют холодным изостатическим прессованием при давлении 200МПа без органического связующего, а затем обжигают при 1200°C а обработке подвергают шихту, получаемую добавлением к матрице, содержащей кристаллы гидроксилапатита с соотношением размерами £5мкм, и/или кристалический фторфосфа т кальция с содержанием фтора 3,78 (±0,01)% и размером частиц £5мкм, и/или их композицию, стеарата магния, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Снижение склонности к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду и повышение стойкости к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде керамики, упрочненной монокристаллами, достигается следующим: Использование в качестве кальций фосфатной матрицы гидроксилапатита и/или фторфосфа та кальция, и/или композиции, и монокристаллов периклаза в определенном массовом соотношении позволяет в процессе термообработки материала целенаправленно формировать оптимальную равномернозернистую структур у материала, обладающую пониженной склонностью к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду, и повышенной стойкостью к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде, в целом и, главным образом, в межфазном слое, формирование которого осуществляется за счет диффузных процессов в более или менее однородные структуры кальцийфосфатов и использования всей сети трещин спайности периклаза. Положительный эффект достигается сочетанием и взаимодействием данного типа ингредиентов только в определенном концентрационном диапазоне; никаких закономерностей на этот счет не известно. Использование при осуществлении заявляемого технического решения (керамики для восполнения дефектов костной ткани, упрочненной монокристаллами) приведенных выше компонентов в отдельности или в ином сочетании не позволяет решить поставленную задачу, так как только такое сочетание обеспечивает получение максимального положительного эффекта. По сравнению с прототипом заявляемая керамика характеризуется новым составом компонентов, что подтверждает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна". Приведенные выше отличительные признаки заявляемого технического решения (керамики, упрочненной монокристаллами) по мнению авторов, являются существенными, так как только такое сочетание отличительных признаков, выполненных в определенной последовательности, позволяет получать керамику для восполнения дефектов костной ткани, упрочненную монокристаллами, с пониженной склонностью к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду и повышенной стойкостью к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде. Использование указанных отличительных признаков для решения поставленной задачи в доступных авторам отечественных и загруженных источниках информации обнаружить не удалось. Вместе взятую совокупность признаков впервые применяли авторы и доказали ее полезность опытным путем. В предлагаемом способе получения керамики шихту сначала формуют холодным изостатическим прессованием при давлении »200МПа без органического связующего, а затем обжигают при 1200°C, а обработке (смешению и формованию) подвергают шихту, получаемую добавлением к матрице, содержащей кристаллы гидроксилапатита с соотношением размерами £5мкм и/или кристаллический фторфосфа т кальция с содержанием фтора 3,78 (±0,01)% и размером частиц £5мкм, и/или их композицию, стеарата магния, при следующем соотношении компонентов, масс.%: Применение композиции стеарата магния с гидроксилапатитом и/ил и фторфосфатом кальция, и/или их композиции позволяет сформировать мелкокристаллическую равномернозернистую структур у материала со средним размером кристаллов 2 - 8мкм, обладающую пониженной склонностью к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду, и повышенной стойкостью к воздействию нагрузок в физиологической среде, содержащей воду. В процессе обжига происходит разложение стеарата магния с образованием высокоактивного катиона магния, равномерно распределяющегося по поверхности кальцийфосфатных кристаллов и/или частиц, что обусловливает встраивание ионов в эти стр уктуры, их упорядочение, и одновременную кристаллизацию монокристаллов периклазаа в кальцийфосфатной матрице с прочным связыванием армирующи х зерен и матрицы в монолит при значительном улучшении спекания. Применение стеарата магния приводит также к значительному улучшению удобоукладываемости шихты при ее формовании благодаря пластифицирующему действию стеарата магния за счет повышения жидкотекучести массы при нулевой влажности, следствием чего является создание максимально плотной упаковки кристаллов, улучшение качества формования и спекания; это позволяет упростить процесс получения материала по сравнению с известным способом-прототипом, отказавшись от горячего прессования, и обеспечить формирование необходимой структуры керамики без использованиясложного и дорогостоящего оборудования -холодным изостатическим прессованием без дополнительного введения в состав исходной шихты органических связующих (используемых в известных способах, предусматривающих применение холодного изостатического прессования шихты, что увеличивает пористость материалов и интенсифицирует их растворение в жидких агрессивных средах. Использование заявляемой керамики для восполнения дефектов костных тканей не вызывает каких-либо патологических процессов в кости и/или прилегающих тканях; клинических признаков интоксикации нет. Заявляемая керамика не обладает кожно-раздражающими, кожнорезорбтивными, аллергенными, канцерогенными и кумулятивными свойствами, а также специфическими отдаленными последствиями влияния - гонадотоксическим, эмбриотоксическим, мутагенным и тератогенным эффектами. Использование при осуществлении заявляемого способа изготовления керамики для восполнения дефектов костной ткани, упрочненной монокристаллами, приведенных выше компонентов исходной шихты в отдельности или в ином сочетании, а также при иной последовательности действий или иных технологических параметров не позволяет решить поставленную задачу, так как только такое сочетание обеспечивает получение максимального положительного эффекта. Выполнение таких действий в предлагаемой последовательности с предлагаемыми нами технологическими параметрами и с использованием определенных исходных веществ предлагаемых составов в оптимальных диапазонах их введения для получения керамики для восполнения дефектов костной ткани, упрочненной монокристаллами, состоящей из кальцийфосфатной матрицы и монокристаллов и содержащей в качестве кальцийфосфатной матрицы гидроксилапатит и/или фтор фосфат кальция, и/или их композицию, а в качестве монокристаллов монокристаллы периклаза, с пониженной склонностью к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду, и повышенной стойкостью к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде, установлено нами впервые экспериментальным путем и не известно для решения поставленной задачи из доступных авторам отечественных и зарубежным источников информации. Осуществление заявляемого технического решения производили в следующей последовательности: Гидроксилапатит синтезировали из растворов и в дистиллированной воде путем их перемешивания в течение 3 - 8 часов и выдержки в течение 160 - 170 часов при комнатной температуре для старения; полученный продукт фильтровали, а осадок высушивали при 80°C. После этого полученный гидроксилапатит обжигали в атмосфере воздуха при 800°C с выдержкой в течение 6 часов. Затем синтезировали трехкальциевый фосфат из и в твердой фазе путем трехкратного обжига их таблетированных смесей при температуре 1220°C с выдержкой в течение 2час и промежуточным измельчением. Фторфосфа т кальция синтезировали в твердой фазе из фторида кальция и при температуре 1240°C с выдержкой в течение 3 часов с последующим измельчением. Полученный гидроксилапатит и/или фтор фосфат кальция, и/или их композицию смешивали со стеаратом магния и формовали при давлении 200МПа холодным изостатическим прессованием без добавлением органического связующего; обжиг производили при температуре 1200°C с выдержкой в течение 2 часов. Примеры осуществления заявляемой керамики, заявляемого способа изготовления и характеристики материала, полученные при сравнительных испытаниях заявляемых технических решений и керамики-прототипа, приведены в табл.1, 2.1, 2.2, 2.3. Склонность керамики к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду, оценивали по убыли массы образца материала после его выдержки в модельных средах; экстракте скелетных мышц кролика и физиологическом растворе в течение 7, 14 и 21 суток при температуре 37°C (образцы помещали в термостат); модельные растворы в течение всего времени инкубации меняли ежедневно. Для проверки адекватности выбора модельных сред в качестве аналогов физиологической среды организма, содержащей воду, материалы одновременно имплантировали в организм теплокровных животных; поскольку определение количественных показателей взаимодействия керамики и физиологической среды организма в условиях имплантации в костные ткани крайне затруднено из-за инфильтрации ее клеточными элементами и др. факторов, образцы размером 4 ´ 8 ´ 2мм имплантировали внутрибрюшинно беспородным белым крысам на те же сроки. После испытаний образцы извлекали из организма и/или модельного раствора, промывали дистиллированной водой и высушивали в вакууме при давлении 1 - 2гПа до постоянной массы. Убыль массы образцов определяли как среднее из трех измерений, в мг/г от исходной массы. Предел прочности при сжатии и изгибе определяли по стандартным методикам; количество образцов на одну экспериментальную точку составляло 3 - 5, что с достаточной степенью точности и достоверности обеспечивало воспроизводимость полученных данных. Изменения, происходящие в керамических материалах, помещенных в организм теплокровных животных и модельные среды, исследовали методом электронномикроскопического анализа, для чего на поверхность образцов под углом 45° напыляли углеродные реплики. Результаты электронномикрокоспических исследований и данные по кинетике убыли массы образцов подтвердили идентичность характера воздействия физиологической среды организма теплокровных животных и использованных модельных сред на заявляемые материалы и подтвердили адекватность их (модельных сред) выбора. Электронно-микроскопическое исследование при увеличении 12000 поверхности исходных образцов керамики-прототипа и предлагаемой керамики заявляемых и запредельных составов, синтезированной в соответствии с заявляемым способом ее изготовления, а также по запредельным значениям заявляемого способа показало, что все они имеют ровную поверхность с единичными микродефектами. Различие микроструктур образцов предлагаемой керамики заявляемых и запредельных составов состоит в том, что объем образцов керамики заявляемых составов заполнен плотной равномернозернистой мелкокристаллической структурой, все кристаллы которой имеют четкую кристаллографическую огранку и плотные межзеренные контакты. В структурах образцов керамики запредельных составов, а также синтезированных в соответствии с запредельными значениями заявляемого способа ее изготовления вокруг кристаллов появляется бесструктурная колоаморфная масса, встречаются участки, на которых идентифицируются мельчайшие (»0,02 - 0,09мкм) изометричные частицы округлой формы, равномерно распределенные по объему этой бесструктурной массы; больше становится микротрещин, появляются поры. Для структуры образцов керамики-прототипа характерны неравномерная зернистость, наличие коллоидной фазы в межзерновых пространствах, неплотность отдельных участков межзеренных границ и наличие микротрещин. Особенностью структуры материала, в состав которого вместо монокристаллов диопсида вводились соединения для их синтеза, является наличие еще большего количества аморфной массы, окружающей сформировавшиеся кристаллы диопсида, а таке отсутствие четкой кристаллографической огранки у значительной их части. При взаимодействии с организмом теплокровных животных и модельными средами испытуемые материалы подвергались изменениям: в наибольшей степени - в организме белых крыс, а затем, в порядке снижения степени интенсивности воздействия, следует экстракт скелетных мышц кролика и физиологический раствор. Уже через 7 суток на поверхности образцов керамики-прототипа образуются дефекты: появляются ямки растворения в коллоидной фазе, заполняющей межзеренное пространство; с течением времени (на 14 - е сутки) растворение идет все интенсивнее: на месте ямок появляются глубокие каверны, имеющиеся в материале трещины углубляются и расширяются. Там, где контакты кристаллов неплотные, деструкция идет интенсивнее и глубина появляющихся каверн более значительна.. На поверхности материала, в котором кристаллы диопсида имеют начальную стадию огранки (в состав которого вводились соединения для их синтеза), растворение идет более интенсивно по сравнению с хорошо окристаллизованными структурами керамики-прототипа, что связано с меньшей устойчивостью несовершенных кристаллов к действию эксплуатационных сред. С увеличением времени испытаний процесс деструкции усиливается: происходит укрупнение дефектов и образование на поверхности образца сплошной полосы углублений в области межзеренных границ; после 21 суток испытаний размеры дефектов увеличиваются настолько, что сливаются в сплошные области, материал теряет присущую ему в исходном состоянии ячеистую структур у, и можно полагать, что к этому времени завершается разрушение поверхностных слоев межзеренного пространства. Поверхности образцов керамики заявляемых составов, а также синтезированных по заявляемому способу изготовления после имплантации и помещения в модельные среды, имеет иную структур у: после 7 и 14 - ти суток испытаний дефекты поверхности (при увеличении 12000 и 17000) не наблюдаются, на 21 - е сутки отмечается некоторое расширение имеющихся в материале микротрещин. Микроструктуры поверхности образцов керамики запредельных составов, а также синтезированных в соответствии с запредельными значениями заявляемого способа изготовления отличаются более явным характером деструкции: так уже после 7 суток испытаний выявляются дефекты поверхности, выражающиеся в появлении отдельных мельчайших ямок растворения в бесструктурной колоаморфной массе, на 14 - е сутки их становится больше, заметна также начинающаяся деструкция изометричных частиц (самого меньшего размера). На 21 сутки следы разрушения коллоидной фазы становятся более явными, углубляются и расширяются микротрещины. В целом разрушение поверхностных слоев образцов незначительно (площадь поверхности дефектов не превышает 1 4%). Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что использование в качестве материала матрицы гидроксилапатита и/или фтор фосфата кальция, и/или их композиции, а в качестве монокристаллов -монокристаллов периклаза в определенном соотношении, а также предлагаемая совокупность действий в определенной их последовательности с заявляемыми параметрами при условии использования в качестве материалов исходной шихты кристаллов гидроксилапатита с соотношением размерами £5мкм и/или кристаллического фтофосфа та кальция с содержанием фтора 3,78 (±0,01)% и размером частиц £5мкм, и/или их композиции и стеарата магния в заявляемом соотношении позволяет получить керамику для восполнения дефектов костной ткани, упрочненную монокристаллами, характеризующуюся пониженной склонностью к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду, и высокой стойкостью к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде. Оптимальность заявляемых диапазонов содержаний компонентов в предлагаемой керамике, а также предлагаемой последовательности технологических факторов с предлагаемыми параметрами, режимами обработки и заявляемыми диапазонами содержания компонентов в исходной шихте определена экспериментальным путем и выход за заявляемые пределы (прим. 10 - 15 табл.1 и прим.1 - 3 табл.2.1 - 2.3) нецелесообразен, поскольку при этом достижение поставленной задачи проявляется либо в меньшей степени, либо вообще практически неосуществимо. Достижение высокого технического эффекта за счет новой совокупности, существенных отличительных признаков заявляемых технических решений подтверждает их соответствие критерию изобретения "творческий уровень". При осуществлении заявляемых технических решений используются материалы, выпускаемые отечественной промышленностью. Осуществление заявляемого способа изготовления керамики не сопровождается применением дорогостоящего оборудования и легко вписывается в рамки существующи х те хнологических процессов получения керамических материалов. Применение предлагаемых технических решений позволяет по сравнению с известными получить следующие преимущества: снизить склонность кальцийфосфатной керамики, упрочненной монокристаллами, к межкристаллической коррозии в физиологической среде, содержащей воду, в 30 - 50 раз и повысить ее стойкость к воздействию нагрузок в жидкой физиологической среде в 8 - 11 раз. Несомненная актуальность создания керамических материалов на основе кальцийфосфатных соединений для восполнения дефектов костных тканей различного генеза, которые могут быть использованы в том числе и в нагруженных областях скелета, должна способствовать их широкому внедрению в реконструктивно-восстановительную хир ургию костно-суставной системы человека и ценных в сельскохозяйственном отношении животных (высокопородистых собак и дорогих скаковых лошадей).