Способ получения пористой биокерамики

 

Изобретение относится к области керамических медицинских материалов и может быть использовано при изготовлении искусственных костей и заполнителя костных дефектов в челюстно-лицевой хирургии. Предлагается способ получения пористой биокерамики на основе гидроксиапатита и минерала игольчатой формы, включающий подготовку шихты и последующее формование из нее изделий методом полусухого прессования. Влажность формуемых масс должна составлять 5-7%. Затем изделия помещают на пористую подложку из спеченного кварца или подсыпку из кварцевой крупки с размером зерен 0,5-1,0 мм, сушат и обжигают при 1150-1400С с выдержкой при конечной температуре 0,5-2,5 ч. Биокерамический материал, получаемый данным способом, имеет сквозную пористость, необходимую для прорастания костной ткани в имплантат. Пористость получается за счет вытекания в процессе обжига маловязкого расплава, образованного тонкодисперсными компонентами, из объема изделия под действием гидростатических сил. Жесткий каркас из взаимно переплетенных игл минерала игольчатой формы после вытекания основного количества расплава обеспечивает достаточную механическую прочность. 2 табл.

Изобретение относится к области керамических медицинских материалов и может быть использовано при изготовлении искусственных костей и заполнителя костных дефектов в челюстно-лицевой хирургии.

Известен способ изготовления керамики с пористой поверхностью на основе фосфата кальция, включающий в себя стадию изготовления необработанной керамики на основе фосфата кальция и стадию обработки керамики кислотным раствором для селективного растворения трикальцийфосфата в поверхностном слое керамики [заявка DE № 05 3831260, кл. С 04 В 41/91, 35/00, А 61 К 6/06, A 61 L 27/00, B 01 D 15/08, 1989]. Недостатком данного способа является невозможность получения керамики со сквозной пористостью, необходимой для прорастания костной ткани в имплантат.

Известны способы получения высокопористой керамики, заключающиеся в пропитке суспензией, содержащей фосфат кальция, органических пористых изделий, сушке и последующем обжиге [заявка PL № 272058, кл. С 04 В, 1989; заявка JP № 1-54308, кл. С 04 В 38/00, 1989]. Основным недостатком указанных способов получения керамики является невозможность равномерной пропитки губки суспензией, особенно в случае изделий большого размера, что ведет к неравномерности свойств керамики по объему.

Наиболее близким по сути к предлагаемому изобретению является способ получения пористой керамики, используемой в биомедицинских целях для изготовления искусственных костей, путем удаления сублимирующегося связующего из неспеченной заготовки, спрессованной из смеси керамического материала и указанного связующего [заявка ЕР № 0335359, кл. С 04 В 38/06, A 61 L 27/00, А 61 К 6/00, 1989]. Недостатком данного способа является разупрочнение заготовки в процессе сублимации связующего из-за нарушения контактов между частицами, что затрудняет получение изделий больших размеров и является причиной недостаточной прочности керамики.

Задачей настоящего изобретения является получение пористой биокерамики и изделий из нее больших размеров.

Поставленная задача достигается тем, что шихту, содержащую (маc.%): 5-55 тонкодисперсного гидроксиапатита, 40-95 минерала игольчатой формы с размером кристаллов 0,3-1,0 мм, 0-20 легкоплавкого стекла, смешивают и формуют из нее изделия методом полусухого прессования. Влажность формуемых масс должна составлять 5-7%. Затем изделия помещают на пористую подложку из спеченного кварца или подсыпку из кварцевой крупки с размером зерен 0,5-1,0 мм, сушат и обжигают при 1150-1400С с выдержкой при конечной температуре 0,5-2,5 ч. В состав шихты входят грубодисперсная часть, представленная минералом, имеющим игольчатое строение кристаллов (например, волластонитом, муллитом или др.) и образующим пространственный жесткий каркас из переплетенных игл, и тонкодисперсная часть - гидроксиапатит и стекло (плавень), способная образовывать маловязкий расплав, вытекающий из изделия в процессе обжига в пористую подложку, в результате чего образуется свободное поровое пространство.

Для получения изделий по предлагаемому способу были приготовлены массы с различным содержанием указанных компонентов. Данные по составу масс и свойствам полученных на их основе материалов представлены в таблицах 1 и 2.

Результаты испытаний подтверждают возможность получения пористой биокерамики предложенным способом.

Для получения пористой биокерамики готовят шихту, содержащую, мас.%: 43 гидроксиапатита, 45 волластонита с размером кристаллов 0,7-0,9 мм, 12 легкоплавкого стекла. Компоненты перемешивают в шаровой мельнице до получения гомогенной массы. Из полученной шихты методом полусухого прессования формуют изделия заданной формы при удельном давлении прессования 10-20 МПа. Затем изделия помещают на пористую подложку из спеченного кварца или подсыпку из кварцевой крупки с размером зерен 0,5-1,0 мм, сушат и обжигают при 1180°С с выдержкой при конечной температуре 2 ч.

Основным преимуществом предложенного способа является возможность изготовления изделий больших размеров с пористой структурой, что обусловлено образованием маловязкого расплава из тонкодисперсных компонентов, способного под действием гидростатических сил вытекать из объема изделия и впитываться в пористую подложку. Жесткий каркас из взаимно переплетенных игл минерала после вытекания основного количества расплава обеспечивает достаточную механическую прочность.

Процесс спекания в составах, содержащих плавень, протекает с участием жидкой фазы. Стекло инициирует образование жидкой фазы, состав и количество которой в процессе обжига изменяются. При повышении температуры за счет взаимодействия тонкодисперсной части шихты с образовавшимся эвтектическим расплавом нарастает его количество и уменьшается вязкость.

При температуре ниже 1150С не образуется достаточное количество расплава, при этом он имеет высокую вязкость. Времени выдержки при конечной температуре менее 0,5 ч недостаточно для равномерного прогрева изделия и для образования маловязкого расплава. Повышение температуры выше 1400С и выдержка свыше 2,5 ч экономически нецелесообразны.

Когда капиллярные силы, удерживающие за счет поверхностного натяжения расплав внутри игольчатого каркаса, становятся меньше гидростатических сил, расплав вытекает из объема изделия и впитывается кварцевой подсыпкой или пористой подложкой. Часть апатитсодержащего расплава удерживается в наиболее тонких капиллярах, а также на поверхности игл минерала и в местах примыкания игл друг к другу. После охлаждения застывший расплав частично кристаллизуется с выделением гидроксиапатита, а часть его остается в виде фосфатного стекла, покрывающего поверхность игл минерала и скрепляющего их между собой, что обусловливает повышенную биоактивность материала.

Формула изобретения

Способ получения пористой биокерамики на основе гидроксиапатита и минерала игольчатой формы, включающий подготовку шихты, отличающийся тем, что изделия формуют и обжигают на пористой подложке из спеченного кварца или подсыпке из кварцевой крупки с размером зерен 0,5-1,0 мм при температуре 1150-1400С с выдержкой при конечной температуре 0,5-2,5 ч.