6СаНРО4 + 3Са4(РО4)2О = 2Са9НРО4(РО4)5ОН + Н2О (66)
(5/8)NaHCO3 + 2CaHPO4 + 2Ca4(PO4)2O
= 1,067Ca9,375Na0,586(PO4)5,375(CO3)0,586(OH)1,961 +5/16(H2O) (67)
Синтезированный порошок прессовали под давлением 70 МПа и выдерживали во влажной среде при 38 0С. Объемное содержание пор в материалах было 27-39 %. Получены следующие средние значения прочности материалов: при растяжении – 12-18 МПа для КДГА и 9–14 МПа для КА; при сжатии – 83-172 для КДГА и 57-80 для КА. Различие свойств материалов объяснено особенностями формирования их микроструктуры при физиологических температурах. Уровень прочности высок, несмотря на значительное содержание пор, форма и концентрация которых существенно влияют на механические свойства [241].
Пористая керамика, хотя и обладает достаточной прочностью на сжатие (2-100 МПа), но имеет предел прочности при изгибе 2-11 МПа, что в два-три раза меньше необходимых значений, причем, с увеличением пористости прочность материала резко снижается (рис. 56) [21]. В работах [245-247] исследовано влияние пористости на прочность при сжатии и модуль Юнга спеченной при 1100 0С керамики на основе ГА и ТКФ. Установлено, что прочность s и модуль Е снижаются с увеличением содержания пор Р, согласно соотношениям lns= 6,4 – 3,9Pдля ГА и lns= 6,6 – 6,2Pдля ТКФ, и lnЕ = 4,6 – 4,0Pдля ГА. Экстраполированные значения прочности и модуля упругости при нулевой пористости равны, соответственно, 70 МПа и 9,2 ГПа – для ГА, и 135 МПа и 21 ГПа – для ТКФ. Приведенные значения прочности ГА существенно ниже, чем данные из других источников.
Прочность постепенно увеличивается, когда кость прорастает во внутрь сети пор имплантанта. По данным [51], прочность при изгибе для пористого имплантанта, заполненного на 50-60 % костной тканью, составляет 40-60 МПа.
Зависимость трещиностойкости ГА керамики от размера зерна немонотонная, имеется максимум, соответствующий размеру зерна керамики около 0,4 мкм [248]. Максимальное значение прочности и трещиностойкости керамики, спеченной с введением Na3PO4, составляют, соответственно, 135 МПа и 1,25 МПа×м1/2. Добавка фосфата натрия приводит к росту зерна и снижению трещиностойкости до 0,95 МПа×м1/2.
Пористую керамику с улучшенными прочностными свойствами можно изготовить с применением волокон. Волокнистый пористый материал, как известно, показывает повышенную прочность благодаря сцеплению (соединению) волокон,изменению траектории трещини вытягивания волокон. Кроме того, волоконный ГА каркас может быть укреплён ГА - полимерным биодеградирующим костным веществом. Существует много работ по изготовлению волокнистой, пористой кальций-фосфатной керамики. Волокнистая пористая структура может быть приготовлена несколькими способами [21,249-250]:
- спекание β-ТКФ волокон, с последующим преобразованием в пористый каркас ГА путём обработки в расплавах солей;
- спекание нитевидных кристаллов ГА или преобразование α-ТКФ при гидротермальных условиях;
- динамическое уплотнение ОКФ и β-кальций метафосфатных волокон.
К сожалению, механические свойства не достигают требуемого уровня в любом случае.
4.3 Композиционныематериалы
Применение ГА керамики в качестве материала для имплантатов, несущих механические нагрузки, часто невозможно из-за недостаточности прочностных характеристик и трещиностойкости. Поскольку естественная костная ткань является композиционным материалом, состоящим из ГА, коллагена и других белков, то значительные перспективы для повышения механических свойств ГА-керамики, предназначенной для изготовления костных имплантатов, имеет принцип формирования композиционных структур. Введением соответствующих добавок в керамику можно улучшить механические характеристики, но при этом должны сохраняться ее биологические свойства и, в первую очередь, биосовместимость с тканью живого организма.
Композиционные материалы содержащие ГА могут быть подразделены на две основные группы [181]:
· Керамика, армированная дисперсными частицами, дискретными и непрерывными волокнами [251-254];
· Наполненные дисперсными частицами керамики биосовместимые полимеры [255-263].
Для упрочнения оксидных керамик в них вводят дисперсные частицы частично стабилизированного диоксида циркония (ZrO2 (Y2O3)), претерпевающего полиморфное превращение из тетрагональной в моноклинную модификацию под действием механических напряжений. В работах [251,252] изучали взаимодействие ГА с ZrO2 и определяли прочность на изгиб и тещиностойкость при различном соотношении ГА и ZrO2 (Y2O3). Было установлено, что прочность на изгиб и трещиностойкость возрастают с увеличением количества ZrO2. Материалы, содержащие 50 % ZrO2 и обожженные при 1400 0С, показали значения прочности на изгиб, в два-три раза превышающие прочность ГА без добавок. Однако использование диоксида циркония для упрочнения ГА керамики, как показано, ограничено из-за стабилизации диоксида циркония кальцием из ГА при температуре спекания [251]. Возможности армирования ГА-матрицы неорганическими волокнами, например Al2O3 или SiC, также лимитированы рассогласованием коэффициентов термического расширения матрицы и волокна, приводящего к образованию растягивающих напряжений в матрице, которые снижают прочность. В [181] показана возможность повышения прочности в 2 раза и трещиностойкости в 6 раз горячепрессованной ГА-керамики в результате ее армирования дискретными металлическими волокнами (нержавеющая сталь, сплав хастеллой), вводимыми в керамическую матрицу в количестве до 20 об.%. Полученные композиционные материалы имеют прочность до 224 МПа, трещиностойкость 6,0-7,4 МПа´m1/2 и модуль нормальной упругости до 142 ГПа. Однако, для керамико-металлических имплантатов характерна коррозия и негативные реакции с тканями.
Один из наиболее интересных подходов для повышения прочности и уменьшения хрупкости ГА керамики – изготовление композитов ГА - полимер.
В работах [256,261] разработаны композиционные материалы на основе полиэтилена. С увеличением содержания до 40% ГА в композите модуль Юнга увеличивается, и находится на уровне 1-8 ГПа, что близко к таковому у естественной кости. Однако полиэтилен является биоинертным материалом и уменьшает способность срастания имплантата с костной тканью.
Известны работы [255,264-266], направленные на изучение композитов ГА – коллаген, которые по составу схожи с естественной костью. Композиты могут быть изготовлены посредством смешивания порошка ГА с раствором коллагена и последующим затвердеванием смеси под УФ - излучением или прессованием смеси ГА-коллаген при температуре 40 0С и давлении 200 МПа. Однако полученные материалы имеют низкие прочностные характеристики, например прочность при растяжении равна 6,5 МПа, а модуль Юнга 2 ГПа.Биомиметический подход к получению композитов ГА-коллаген основан на осаждении кристаллов ГА из растворов СБФ (simulatedbodyfluids), повторяющих состав межтканевой жидкости, на волокна коллагена. При этом получается пористый материал с энергией разрушения510 Дж/м2 [21]. Прочностные свойства большинства композитов ГА-коллаген неудовлетворительны. В то же время эти материал показывают более высокую биоактивность, нежели гидроксиапатит и коллаген в раздельности. Используя коллаген, можно создавать материалы с контролируемой резорбируемостью. Коллаген (желатин) часто используют как материал - носитель лекарственных средств пролонгированного действия [21].
Возможен также альтернативный подход, основанный на введении полимера в керамическую матрицу. Это позволило бы создать материалы с непрерывным керамическим каркасом. Механические свойства таких керамико-полимерных материалов в значительной степени должны отличаться от свойств полимерно–керамических материалов.
В работах [267-268] приведены результаты по формированию микроструктуры композиционных материалов ГА-полимер при вакуумной пропитке керамики водными растворами некоторых полимеров и механическим свойствам композитов. Способ приготовления основан на инфильтрации раствора полимера (желатин и поливиниловый спирт (ПВС)) в пористую керамическую матрицу с последующей сушкой композиции.
В качестве исходных материалов использовали тонкодисперсный порошок ГА с соотношением Ca/P= 1,67, удельной поверхностью по БЕТ 5,5 м2/г и размером агломератов менее 1 мкм, полученный осаждением аммиаком из водных растворов двузамещенного фосфата аммония и хлорида кальция. В работе также использовали следующие материалы: желатин марки П-11, ГОСТ 11293-89 (Могилёвский желатиновый завод, Белоруссия) – биополимер, продукт денатурации коллагена-белка соединительной ткани; ПВС (Лаверна, Россия) – синтетический полимер, продукт взаимодействия поливинилацетата с метиловым спиртом.
Пористую керамику изготовляли с использованием фракции гранул ГА-желатин в соотношении один к двум, диаметром 400-600 мкм, которую получали согласно [203]. Гранулы ГА-желатин подвергали одноосному прессованию под давлением 50 и 100 МПа с получением дисковых образцов, которые обжигали при 1200 0С с выдержкой 1 ч [229].
Полученные образцы пористой керамики подвергали вакуумированию в 1, 4, 7 и 10%-ных растворах желатина и ПВС в дистиллированной воде при остаточном давлении 1,33 Па (10-2 мм.рт.ст.) в течение 10 и 30 мин. Для сравнения, образцы керамики выдерживали в растворах полимеров при атмосферном давлении в течение 30 мин. Температура раствора варьировалась от 25 до 750С. Затем полученные образцы извлекали из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 24 часа при комнатной температуре.
Установлено, что количество полимера, инфильтрируемого в керамику, зависит от концентрации раствора, исходной пористости керамики и времени пропитки. Так, масса образцов пропитанных растворами желатина, увеличивается линейно с увеличением концентрации раствора, исходной пористости образцов и времени пропитки. Максимальное изменение массы порядка 4-5 % достигается пропиткой 10 %-ным раствором желатина образцов пористостью 45-50 об.% при остаточном давлении 1,33 Па (10-2 мм.рт.ст.) с выдержкой 30 мин. Масса образцов, пропитанных растворами ПВС, также растет с увеличением исходной пористости и времени пропитки. Однако максимальное изменение массы порядка 3-4 % достигается пропиткой 4 %-ным раствором ПВС и при дальнейшем увеличении концентрации находится на том же уровне.