Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита

Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита

Получены два вида композиционных материалов на основе биогенного гидроксиапатита, упрочненного натрийборосиликатным стеклом в количестве 50 масс.%. Исследован процесс жидкофазного спекания композитов в зависимости от метода введения стеклообразной составляющей. Установлены значительные различия в м...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Datum:2009
Hauptverfasser: Сыч, Е.Е., Пинчук, Н.Д., Иванченко, Л.А., Фальковская, Т.И.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76384
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита / Е.Е. Сыч, Н.Д. Пинчук, Л.А. Иванченко, Т.И. Фальковская // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 1. — С. 263-269. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76384
record_format dspace
spelling Сыч, Е.Е.
Пинчук, Н.Д.
Иванченко, Л.А.
Фальковская, Т.И.
2015-02-10T07:14:43Z
2015-02-10T07:14:43Z
2009
Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита / Е.Е. Сыч, Н.Д. Пинчук, Л.А. Иванченко, Т.И. Фальковская // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 1. — С. 263-269. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
1816-5230
PACS numbers: 62.23.Pq,81.07.Bc,81.20.Ev,82.75.Fq,87.63.St,87.64.Dz,87.85.jj
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76384
Получены два вида композиционных материалов на основе биогенного гидроксиапатита, упрочненного натрийборосиликатным стеклом в количестве 50 масс.%. Исследован процесс жидкофазного спекания композитов в зависимости от метода введения стеклообразной составляющей. Установлены значительные различия в микроструктуре, пористости и поведении in vitro полученных композитов.
Одержано два види композиційних матеріялів на основі біогенного гідроксиапатиту, зміцненого натрійборосилікатним склом у кількості 50 мас.%. Досліджено процес рідкофазного спікання композитів в залежності від методи введення склоутворювальної складової. Встановлено значну ріжницю в мікроструктурі, пористості та поведінці in vitro одержаних композитів.
Two types of composites based on biogenic hydroxyapatite reinforced by 50 mass.% of sodiumboratesilicate glass are prepared. The process of liquid-phase sintering depending on the method of glass introducing is investigated. There is a significant difference between microstructures, porosities and solubilities in vitro for obtained composites.
ru
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита
Nano- and Microsystems in Biocomposites Based on Hydroxyapatite
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита
spellingShingle Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита
Сыч, Е.Е.
Пинчук, Н.Д.
Иванченко, Л.А.
Фальковская, Т.И.
title_short Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита
title_full Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита
title_fullStr Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита
title_full_unstemmed Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита
title_sort нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита
author Сыч, Е.Е.
Пинчук, Н.Д.
Иванченко, Л.А.
Фальковская, Т.И.
author_facet Сыч, Е.Е.
Пинчук, Н.Д.
Иванченко, Л.А.
Фальковская, Т.И.
publishDate 2009
language Russian
container_title Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
format Article
title_alt Nano- and Microsystems in Biocomposites Based on Hydroxyapatite
description Получены два вида композиционных материалов на основе биогенного гидроксиапатита, упрочненного натрийборосиликатным стеклом в количестве 50 масс.%. Исследован процесс жидкофазного спекания композитов в зависимости от метода введения стеклообразной составляющей. Установлены значительные различия в микроструктуре, пористости и поведении in vitro полученных композитов. Одержано два види композиційних матеріялів на основі біогенного гідроксиапатиту, зміцненого натрійборосилікатним склом у кількості 50 мас.%. Досліджено процес рідкофазного спікання композитів в залежності від методи введення склоутворювальної складової. Встановлено значну ріжницю в мікроструктурі, пористості та поведінці in vitro одержаних композитів. Two types of composites based on biogenic hydroxyapatite reinforced by 50 mass.% of sodiumboratesilicate glass are prepared. The process of liquid-phase sintering depending on the method of glass introducing is investigated. There is a significant difference between microstructures, porosities and solubilities in vitro for obtained composites.
issn 1816-5230
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76384
citation_txt Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита / Е.Е. Сыч, Н.Д. Пинчук, Л.А. Иванченко, Т.И. Фальковская // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 1. — С. 263-269. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT syčee nanoimikrosistemyvkompozicionnyhbiomaterialahnaosnovegidroksiapatita
AT pinčuknd nanoimikrosistemyvkompozicionnyhbiomaterialahnaosnovegidroksiapatita
AT ivančenkola nanoimikrosistemyvkompozicionnyhbiomaterialahnaosnovegidroksiapatita
AT falʹkovskaâti nanoimikrosistemyvkompozicionnyhbiomaterialahnaosnovegidroksiapatita
AT syčee nanoandmicrosystemsinbiocompositesbasedonhydroxyapatite
AT pinčuknd nanoandmicrosystemsinbiocompositesbasedonhydroxyapatite
AT ivančenkola nanoandmicrosystemsinbiocompositesbasedonhydroxyapatite
AT falʹkovskaâti nanoandmicrosystemsinbiocompositesbasedonhydroxyapatite
first_indexed 2025-11-25T23:26:42Z
last_indexed 2025-11-25T23:26:42Z
_version_ 1850580420736843776
fulltext 263 PACS numbers: 62.23.Pq, 81.07.Bc, 81.20.Ev, 82.75.Fq, 87.63.St, 87.64.Dz, 87.85.jj Нано- и микросистемы в композиционных биоматериалах на основе гидроксиапатита Е. Е. Сыч, Н. Д. Пинчук, Л. А. Иванченко, Т. И. Фальковская* Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Кржижановского, 3, 03680, ГСП, Киев-142, Украина *Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», просп. Победы, 37, 03056 Киев, Украина Получены два вида композиционных материалов на основе биогенного гидроксиапатита, упрочненного натрийборосиликатным стеклом в ко- личестве 50 масс.%. Исследован процесс жидкофазного спекания ком- позитов в зависимости от метода введения стеклообразной составляю- щей. Установлены значительные различия в микроструктуре, пористо- сти и поведении in vitro полученных композитов. Одержано два види композиційних матеріялів на основі біогенного гід- роксиапатиту, зміцненого натрійборосилікатним склом у кількості 50 мас.%. Досліджено процес рідкофазного спікання композитів в залеж- ності від методи введення склоутворювальної складової. Встановлено значну ріжницю в мікроструктурі, пористості та поведінці in vitro оде- ржаних композитів. Two types of composites based on biogenic hydroxyapatite reinforced by 50 mass.% of sodiumboratesilicate glass are prepared. The process of liq- uid-phase sintering depending on the method of glass introducing is in- vestigated. There is a significant difference between microstructures, po- rosities and solubilities in vitro for obtained composites. Ключевые слова: биогенный гидроксиапатит, стекло, композиционный материал, микроструктура, биорастворимость. (Получено 23 ноября 2007 г.) Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 1, сс. 263—269 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 264 Е. Е. СЫЧ, Н. Д. ПИНЧУК, Л. А. ИВАНЧЕНКО, Т. И. ФАЛЬКОВСКАЯ 1. ВВЕДЕНИЕ Современную медицину невозможно представить без использова- ния имплантатов—биоматериалов для замещения поврежденных тканей и органов. Реконструкция с помощью биоматериалов стала возможной не только благодаря мастерству хирургов, но и работе ученых и инженеров. Проблема создания качественного и эффек- тивного имплантата сложна и многогранна. Для её решения необ- ходимы фундаментальные знания анатомии и физиологии челове- ка, основ биомеханики, общего и специального материаловедения, основ и специфических принципов конструирования. Применение того или иного материала находится в зависимости от медико- биологических характеристик костного дефекта. Костная ткань – уникальный по своему составу биологический материал, основной минеральной составляющей которого является гидроксиапатит Са10−x(РО4)6(ОН)2 (hydroxyapatite, ГА). Первая по- пытка использовать ГА как остеозамещающий материал датирует- ся 1920 г., однако широкое коммерческое применение ГА, полу- ченный синтезом (СГА) или биогенного происхождения biogenic hydroxyapatite (БГА), получил только через 60 лет [1]. ГА – иде- альный по биосовместимости материал благодаря кристаллохими- ческому подобию костному минералу хребетных, высокому сродст- ву с костной тканью человека. БГА, полученный из костей животных, обладает преимуществом перед СГА, так как наследует такие свойства исходных материалов, как химический состав и естественную структуру зерен и пор, в том числе и наноразмеров [2—6]. В настоящее время многие исследователи синтезируют ГА раз- личными методами, такими как химическое осаждение и гидролиз из водных растворов, а также методом твердофазных реакций [1]. Широко распространены биоактивные материалы на основе фос- фатных стекол, которые имеют более высокую биоактивность, чем вышеуказанные СГА [7, 8]. Необходимость оптимизировать пористую структуру, раствори- мость и прочность керамики на основе СГА для повышения ее био- активности привело к созданию композиционных материалов (КМ) на основе ГА и фосфатных стекол [9, 10]. В наших предыдущих исследованиях установлено, что стекла системы Na2O—B2O3—SiO2, не содержащие P2O5 и CaO, также могут быть использованы для упрочнения ГА и улучшения его биоактив- ности [11]. Целью данной работы является исследование влияния способа введения SiO2—Na2O—B2O3 стекла в шихту композитов на основе БГА на их микроструктуру и механические свойства, а также поведение in vitro. НАНО- И МИКРОСИСТЕМЫ В КОМПОЗИЦИОННЫХ БИОМАТЕРИАЛАХ 265 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В данной работе были получены и исследованы два вида пористых композитов на основе биогенного гидроксиапатита и стеклофазы: БГА/С и БГА/ГС, которые отличаются способом введения стекло- фазы. Исходный порошок БГА был получен термообработкой при T ≤ 800°C. Композиты БГА/С были получены по технологии двухстадийно- го спекания [12]. Предварительно измельчённые и смешанные по- рошки БГА и компонентов стеклошихты в виде соединений натрия, бора и кремния были первично спечены при T1 ≥ 1100°C в течение 0,25 ч (скорость нагрева >10°/мин). Из полученного спеченного и измельченного композиционного материала были сформованы об- разцы методом одноосного прессования при 150 МПа, которые за- тем были спечены при температуре T2 = 800°C. Композиционные материалы БГА/ГС получены на основе пред- варительно сваренного стекла системы Na2O—B2O3—SiO2 при 1100°C. Порошки стекла и БГА с размерами частиц ≤ 160 мкм были одноос- но спрессованы и спечены в условиях, аналогичных вторичному спеканию композитов БГА/С. Морфология исходного порошка БГА была исследована методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ – transmission electron microscopy) в National Institute for Materials Science, Tsu- kuba, Japan. Для исследования микроструктуры композитов была использована сканирующая электронная микроскопия (СЭМ – scanning electron microscopy). Плотность образцов КМ определена в толуоле в соответствии с принципом Архимеда. Механическая проч- ность на сжатие была определена в соответствии с ГОСТ 27034-86. Для оценки поведения in vitro образцы БГА/С и БГА/ГС были погружены в медицинский изотонический физиологический рас- твор (0,9% NaCl) при температуре 36—37°С и соотношении твер- дое/жидкость равном 0,033 г/мл. Потерю массы образцов КМ обоих типов определяли после пребывания их в физрастворе в течение 2 суток. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ В таблице представлены результаты исследования ряда параметров полученных композитов БГА/С и БГА/ГС. Установлено, что образцы БГА/ГС претерпевают значительные объемные изменения в процессе спекания, достигающие 93% прироста объема в отличие от образцов БГА/С, которые характеризуются объемной усадкой свыше 10%. Стекло, примененное нами для получения композиционных ма- териалов БГА/ГС, является легкоплавким с температурным интер- валом размягчения Tg − Tf = 530—540°С, поэтому стеклофаза в ком- 266 Е. Е. СЫЧ, Н. Д. ПИНЧУК, Л. А. ИВАНЧЕНКО, Т. И. ФАЛЬКОВСКАЯ позитах при спекании при температуре Т2 уже находится в виде жидкой фазы, но еще с достаточно высоким значением вязкости [13]. Из практики стекловарения известно, что при варке стекла стекломасса поглощает из воздуха большое количество газов, уда- ление которых происходит при повторном нагревании. Порошок БГА при обычных атмосферных условиях содержит до 2% влаги, которая также удаляется при спекании. Вследствие вышеуказан- ных явлений в процессе спекания КМ типа БГА/ГС происходит значительное вспенивание стеклофазы и вследствие этого измене- ние формы спеченных образцов композитов БГА/ГС. Потеря массы при спекании таких образцов достигает 4% (табл.). Композиты БГА/С были получены по технологии двухстадийно- го спекания, при использовании которой все процессы газовыделе- ния происходят на первой стадии спекания, поэтому потеря массы при окончательном спекании не превышает 0,3% (таблица). Полу- ченные образцы БГА/С сохраняют правильную геометрическую форму и характеризуются сравнительно невысокой общей пористо- стью в пределах 20—22%, в то время как образцы БГА/ГС имеют нарушенные геометрические пропорции и пористость, достигаю- щую 67%. Величины общей пористости полученных КМ БГА/С и БГА/ГС значительно отличаются вследствие вышеописанных особенностей процессов спекания, но при этом характеризуются близкими зна- чениями пикнометрической плотности. Это можно объяснить с по- зиций единой модели их микроструктуры, которую можно предста- вить в виде аморфной стеклофазы с погруженными в нее кристал- лическими частицами БГА. При этом обе составляющие имеют по- ры разной величины. Исходный порошок БГА состоит из скоплений отдельных нано- ТАБЛИЦА. Параметры спекания и свойства образцов композиционных материалов БГА/С и БГА/ГС. Тип материала БГА/С БГА/ГС Количество стекла, масс.% 49,6 49,6 Δd/d 3,4 −2,5 Δh/h 4,0 −84,0 Δm/m 0,3 4,1 Изменение параметров образцов вследствие спекания при 800°С, ±0,2% ΔV/V 10,17 −93,46 Удельный вес, ±0,005 г/см3 2,15 0,93 Пикнометрическая плотность, ±0,03 г/см3 2,73 2,71 Общая пористость, ±0,4% 20,9 65,0 Прочность на сжатие, MPa 183—235 ≤ 100 НАНО- И МИКРОСИСТЕМЫ В КОМПОЗИЦИОННЫХ БИОМАТЕРИАЛАХ 267 зерен с размерами 85—140 нм, собранных в агломераты 205—575 нм и более крупные агрегаты с размерами 0,5—160 мкм, каждый из ко- торых является пористой частицей, имеющей кроме внешней по- верхности развитую внутреннюю поверхность (рис. 1). На рисунке 2 представлены микроструктуры поверхности образ- цов для композитов БГА/С (а) и БГА/ГС (б). Как следует из рис. 2, а, поверхность образцов БГА/С представляет собой сравнительно одно- родную и равномерную структуру, которую действительно можно характеризовать как наличие четко выраженных вкраплений час- тиц БГА в стеклянную матрицу. Размеры отдельных частиц БГА на- ходятся в пределах 1—8 мкм и представляют собой те же агрегаты на- нозерен, которые присутствуют в исходных порошках БГА. Поры имеют неправильную форму, максимальный поперечный размер ко- торых находятся в пределах 2—150 мкм. В композитах БГА/ГС (рис. 2, б) поверхность характеризуется сложной морфологией и наличием более крупных агрегатов БГА, размеры которых превышают 50 мкм, и большим количеством крупных пор, поперечный размер которых Рис. 1. Микрофотография исходного порошка БГА. а б Рис. 2. Микроструктура образцов композиционных материалов БГА/С (а) и БГА/ГС (б). Увеличение ×1000. 268 Е. Е. СЫЧ, Н. Д. ПИНЧУК, Л. А. ИВАНЧЕНКО, Т. И. ФАЛЬКОВСКАЯ может превышать 200 мкм. Значительные отличия в микроструктуре композиционных мате- риалов, зафиксированные с помощью микрофотографий, можно объяснить большими различиями в процессах жидкофазного спека- ния при получении КМ. При конечном спекании прессованных об- разцов КМ БГА/С и одностадийном спекании образцов БГА/ГС при T2 = 800°C могут иметь место некоторые неоднородности по химиче- скому составу стеклофазы и характеру контактного взаимодействия кристаллических частиц БГА с аморфной матрицей стекла. По результатам исследования in vitro (рис. 3) установлено, что композиты БГА/ГС имеют значительно более высокие значения растворимости в физиологическом растворе после 2 суток по срав- нению с КМ БГА/С, что обусловлено высоким уровнем пористости. Применение технологии двухстадийного спекания позволяет по- лучить композиты с достаточно высокой прочностью на сжатие, что соответствует прочности пластинчатых образцов костной ткани. Механическая прочность КМ БГА/ГС более близка к прочности губчатой костной ткани. Использование материалов КМ БГА/ГС для имплантации в виде гранул благодаря высокой растворимости перспективно при необ- ходимости высокой скорости резорбции внедренного биоматериала, например, для замещения костных полостей в детском организме. 4. ВЫВОДЫ Микроструктура композиционных материалов на основе биогенного гидроксиапатита и стеклофазы состоит из микроагрегатов нанозерен Áèîðàñòâîðèìîñòü îáðàçöîâ â ôèçèîëîãè÷åñêîì ðàñòâîðå ïîñëå 2 ñóò. (ìàñ.%) 0,175 0,353 ÁÃÀ/Ñ ÁÃÀ/ÃÑ Рис. 3. Биорастворимость образцов композиционных материалов в физио- логическом растворе после 2 суток. НАНО- И МИКРОСИСТЕМЫ В КОМПОЗИЦИОННЫХ БИОМАТЕРИАЛАХ 269 биогенного гидроксиапатита, внедренных в аморфную стекломатри- цу. Установлено, что использование готового стекла для упрочнения биогенного гидроксиапатита приводит к созданию высокопористых образцов со значительной резорбционной способностью. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. А. П. Шпак, В. Л. Карбовский, В. В. Трачевский, Апатиты (Киев: Академ- периодика: 2002). 2. U. Ducheyne and Q. Qui, Biomaterials, 23—24, No. 20: 2287 (1999). 3. S. N. Danilchenko, V. A. Pokrovskiy, V. M. Bogatyrov et al., Cryst. Res. Tech- nol, 40, No. 7: 692 (2005). 4. S. N. Danilchenko, A. V. Koropov, I. Yu. Protsenko et al., Cryst. Res. Technol, 41, No. 3: 268 (2006). 5. K. Haberko, M. M. Bucko, J. Brzezinska-Miecznik et al., J. Europ. Ceram. Soc., 4—5, No. 26: 537 (2006). 6. C. Y. Ooi, M. Hamdi, and S. Ramesh, Ceram. Int., 7, No. 33: 1171 (2007). 7. L. L. Hench, J. Am. Ceram. Soc., 81, No. 7: 1705 (1998). 8. I. Sopyan, M. Mel, S. Ramesh, and K. A. Khalid, Sci. Tech. Adv. Mat., 1—2, No. 8: 116 (2007). 9. A. Afonso, J. D. Santos, M. Vasconselos, and R. J. Branco, J. Mater. Sci.: Mat. in Med., 7, No. 8: 507 (1996). 10. G. Goller, H. Demirkıran, F. N. Oktar, and E. Demirkesen, Ceram. Int., 6, No. 29: 721 (2003). 11. V. V. Skorokhod, L. A. Ivanchenko, N. D. Pinchuk et al., Functional Materials, 13, No. 2: 262 (2006). 12. Л. А. Иванченко, Т. И. Фальковская, Н. Д. Пинчук, Порошковая метал- лургия, № 1—2: 62 (2003). 13. Й. М. Ящишин, Хімічна технологія скла (Львів: Видавництво національ- ного університету «Львівська політехніка»: 2001).

Ähnliche Einträge