ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы создания композиционных керамических материалов нового поколения предназначенных для замены поврежденной или утраченной костной ткани человека на основе фосфатов кальция с регулируемым пределом резорбции, обусловленным микроструктурой и фазовым составом. В формировании микроструктуры подобного материала участвуют разнообразные процессы, протекающие в многофазном поликристаллическом теле при нагревании: фазовые превращения (фазовые переходы и химические реакции), спекание, поверхностные явления. Результаты запланированных в проекте фундаментальных исследований дадут ключ к ответу на один из базовых вопросов инженерной науки в области конструирования новых материалов – влияние тонких особенностей строения, вызванных фазовыми превращениями и межфазными взаимодействиями в композитах, на конечные макросвойства материала (механические, биологические), которые могут быть положены в основу расчета соответствующей инженерной конструкции. Центральной задачей проекта является разработка научных и технологических основ получения композиционного керамического материала на основе фосфатов кальция, содержащего в качестве биорезистивной (устойчивой) фазы гидроксиапатит Са10(РО4)6(ОН)2 (ГАП), а в качестве резорбируемой (растворимой) фазы - фосфаты кальция с соотношением Са/Р не более 1,5 и обладающими повышенной по сравнению с ГАП растворимостью в физиологических средах. В качестве резорбируемых фаз могут выступать аморфный фосфат кальция Са3(РО4)2 (АФК, Са/Р=1,5), трикальциевй фосфат бета-Са3(РО4)2 (ТКФ, Са/Р=1,5), пирофосфат кальция Са2Р2О7 (ПФК, Са/Р=1), являющиеся бисовместимыми и бирезорбируемыми. Получение композиционного керамического биоматериала, содержащего в качестве резорбируемого компонента фазы пирофосфата кальция, предполагает исследование фазовых переходов и превращений в таком материале. Предлагаемый нами новый подход к контролю предела резорбирования/резистивности фосфатной биокерамики базируется на идее использования в качестве резорбируемого компонента пирофосфата кальция (как в виде самостоятельной фазы, так и в смеси с ТКФ) для (1) плавного варьирования растворимости материала в широких пределах, (2) создания благоприятных условий для развития костной ткани (остеогенеза), (3) изменения механических характеристик керамического композита.

При решении центральной задачи проекта, которая состояла в разработке научных основ получения широкого спектра композиционных керамических материалов на основе фосфатов кальция (ФК) были рассмотрены различные аспекты синтеза порошковых прекурсоров целевых фаз, термическая эволюция синтезированных порошков и их применение для получения однофазных и многофазных материалов. В керамических материалах медицинского назначения в качестве биорезистивной (устойчивой к растворению) фазы использовали гидроксиапатит Са10(РО4)6(ОН)2 (ГАП), а в качестве резорбируемых (растворимых) фаз использовали бета-трехкальциевый фосфат ?-Са3(РО4)2 (ТКФ, Са/Р=1,5) и бета-пирофосфат кальция бета-Са2Р2О7 (ПФК, Са/Р=1). Исследованы порошки различных ФК (Са/Р=1; 1,5; 1,67), синтезированные из растворимых солей кальция (нитрата, хлорида и ацетата) и растворимых орто- и пирофосфатов аммония, калия и натрия. В результате проведения синтеза по заданной реакции возможно получение, по крайней мере, 2-х различных порошковых прекурсоров, отличающихся содержанием сопутствующего продукта реакции (СПР), количество которого зависит от концентрации исходных растворов и от протокола удаления СПР (количество промываний, термическая обработка). Анализ полученных данных позволил предложить классификацию СПР. Во-первых, СПР могут быть токсичными (NH4NO3, NaNO3, KNO3) или биосовместимыми (NaCl, KCl, KCH3COO, NaCH3COO). Во-вторых, учитывая обязательную при получении керамики стадию термообработки, СПР могут быть разделены на две большие группы: 1) удаляемые при термообработке (NH4NO3, NH4CH3COO); 2) реагирующие при нагревании с ФК с образованием новых фаз биосовместимых двойных фосфатов кальция и щелочных металлов (NaNO3, KNO3, NaCl, KCl, NaCH3COO, KCH3COO). Предложенная классификация позволяет обоснованно выбирать реакцию синтеза порошка ФК в зависимости от запланированной микроструктуры материала. Анализ свойств порошковых прекурсоров резорбируемых фаз ФК, позволил разделить их на 3 группы в зависимости от процесса, обеспечивающего формирование целевой фазы: 1) целевая фаза - результат фазовых превращений (например, гамма-ПФК в бета-ПФК); 2) целевая фаза - результат химической гетерогенной реакции (например, ГАП+ТКФ?ПФК); 3) целевая фаза – результат термической конверсии (например, СаНРО4 - гамма-ПФК). Двухфазные или трехфазные керамические материалы были получены из порошковых смесей содержащих соответствующие порошковые прекурсоры, взятые в необходимых количествах. В случае, если исходная смесь состоит из двух порошков, реагирующих с образованием третьей фазы, и один из них взят в избытке, то будет формироваться двухфазный материал. А если в этом случае реакция пройдет не до конца, то возможно образование трехфазного материала. Данные отражающие поведение полученной керамики в модельных средах позволили определить ряд резорбируемости фаз. Резорбируемость (растворимость) фаз возрастает в следующем ряду: «ГАП - химически модифицированный ГАП – ТКФ –- ТКФ с замещением Са2+ на Na1+, К1+ – ренанитоподобные фазы NaCaPO4, KCaPO4 – ПФК – ПФК с замещением Са2+ на Na1+, К1+ – полифосфаты кальция, натрия, калия».