Neorganicheskie_biomaterialy

на подложке. При надлежащем охлаждении можно получить аморфные слои с достаточно однородным составом даже из сложных смесей веществ.

Осаждение в тлеющем разряде. Получение аморфных материалов путем разложения определенных газовых веществ или газовых смесей в тлеющем разряде относится к методам плазмохимии, которые нашли применение в промышленности. Таким способом получают плотные аморфные полимеры, металлы Si и Ge (из SiH4 и GeH4). Данные материалы содержат некоторое количество водорода.

Получение аморфных материалов из кристаллических веществ. Перевод кристаллических твердых тел в аморфное состояние нетермическими способами основан на сильном воздействии на них внешних сил. При этом атомы могут покидать свои равновесные позиции, например, за счет получения импульса энергии извне. В ходе твердофазных реакций происходит распад структуры исходных веществ без построения новой кристаллической решетки с периодическим расположением атомов. В качестве примера можно привести реакции термического обезвоживания каолинита или получение аморфного сульфоферрита калия при нагревании ярозита [KFe3(OH)6(SO4)2] до 500 К. Способы перевода кристаллов различных материалов в аморфные следующие: с помощью механической обработки, облучением, действием ударной волны, химической обработкой.

В качестве примера механического воздействия можно привести процесс получения аморфного кварца в вибрационной мельнице. В этом случае, как и при любом интенсивном механическом воздействии, первоначально возникшая в поверхностных слоях разупорядоченность частиц распространяется в глубь материала и постепенно приводит к полной аморфизации структуры.

При облучении твердых тел быстрыми нейтронами нарушается периодичность расположения атомов в узлах кристаллической решетки, но не наблюдается переход твердого тела в изотропное расплавленное состояние.

Известен способ перевода кристаллического кварца в аморфное состояние воздействием ударной волны силой в 600 кбар. Передача ударного импульса осуществляется через металлические пластины.

Практический интерес представляет метод получения аморфных материалов посредством химической обработки поверхности в потоке газообразного кислорода или водяных паров при высоких температурах. Таким образом, преобразуют поверхностные слои кристаллического кварца в аморфное стекло. Это явление происходит в результате реакции поверхностных SiO2 c

О2 или Н2О среды.

Химическая стойкость стекла

Высокая химическая устойчивость по отношению к различным агрессивным средам - одно из очень важных свойств стекол. Однако если рассматривать весь диапазон возможных стеклообразных систем, то их химическая устойчивость может различаться на несколько порядков - от предельно устойчивого кварцевого стекла до растворимого (жидкого) стекла.

Следует подчеркнуть сложность процесса разрушения стекла в агрессивных жидкостях.

Различают два основных вида явлений - растворение и выщелачивание. При растворении

компоненты стекла переходят в раствор в тех же соотношениях, в каких они находятся в стекле.

Многие стеклообразные стекольные системы растворяются с той или иной скоростью в плавиковой кислоте и в концентрированных горячих растворах щелочей.

Процесс выщелачивания характеризует механизм взаимодействия стекла с водой и кислотами,

исключая плавиковую. При выщелачивании в раствор переходят преимущественно избранные компоненты - главным образом, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, в результате чего на поверхности стекла образуется защитная пленка, которая по своему составу максимально приближена к стеклообразователю.

Переход от выщелачивания к растворению возможен и при взаимодействии стекла с водой или с HCl, H2SO4, HNO3 и. т.п. в том случае, если стекло чрезмерно обогащено щелочами. О

химической устойчивости стекла чаще всего судят по потере массы образца после обработки в агрессивной среде в течение заданного промежутка времени. Потери выражаются в мг/см2.

Более показателен метод избирательного определения компонентов, перешедших в раствор.

При этом потери выражают числом молей каждого из оксидов, перешедших в раствор с единицы поверхности стекла.

Для характеристики химической устойчивости стекла в растворах в условиях высоких температур и давлений необходимо кроме потерь веса определять глубину разрушенного слоя и характер разрушенной поверхности.

Стеклокерамические материалы

Как известно, обычное стекло представляет собой достаточно быстро охлажденный расплав,

содержащий оксиды Na2O, CaO, SiO2, а также другие оксидные добавки. Биоактивные стекла,

история использования которых насчитывает уже более 30 лет, содержат в своем составе оксиды Na2O, CaO, SiO2, P2O5. При создании большинства биостекол используется состав 45S5:

24,5 % Na2O, 24,5 % CaO, 45 % SiO2, 6 % P2O5 . Изменяя состав, можно в широких пределах менять биоактивность таких материалов. Медленное охлаждение расплава указанных оксидов по специальным температурным режимам позволяет частично закристаллизовать стекло (при этом чаще всего образуется метасиликат кальция – волластонит CaSiO3) и получить смешанные, стеклокристаллические материалы – биоситаллы, которые имеют более высокие по сравнению со стеклами механические характеристики. Биостекла и материалы на их основе не воспринимаются организмом как что-то чужое, напротив, серия биохимических реакций (см.

рис.) на границе биостекло–кость приводит к интенсивному образованию костной ткани в области контакта и в конечном счете к врастанию имплантата в костную ткань. Следует отметить, что переходный слой между биостеклом и костью может иметь толщину до 1 мм (ср.

со слоем волокнистой соединительной ткани, имеющим толщину порядка 1 мкм, в случае имплантирования биоинертной керамики) и быть настолько прочным, что перелом произойдет в любом другом месте, но не в зоне срастания.

Считается, что ключевым элементом, который обеспечивает высокую биоактивность указанных материалов, является кремний. Гидролиз биостекла в межтканевой жидкости приводит к образованию тонкого желеобразного слоя (геля) кремниевой кислоты – SiO2 xH2O на поверхности имплантата. Отрицательно заряженные гидроксильные группы поверхности слоя кремневой кислоты притягивают из окружающего раствора межтканевой жидкости ионы Ca2+,

заряд поверхности становится положительным, затем на поверхность осаждаются фосфат-ионы

– происходит рост слоя гидроксиапатита. Механические характеристики биостекол не столь обнадеживающие, как их биосовместимость и активность. В силу этого биостекла находят применение в качестве малых или слабонагружаемых имплантатов в стоматологии и челюстно-

лицевой хирургии.

Biogran (биоактивное стекло) является остеокондуктивным материалом и представляет собой смесь биоактивных стеклянных частиц Si, Ca, Na и Р. Размер биоактивных гранул находится в пределах 300-355 мкм. Установлено, что частицы диаметром менее 300 мкм быстро разрушаются и способны вызвать воспалительные реакции. Частицы более 355 мкм не всегда полностью резорбируются. В медицинской практике биостекло используется с 1984 г. и хорошо зарекомендовало себя в ортопедической, пластической хирургии, отоларингологии. Основные достоинства: эффективная стимуляция роста кости; полное замещение новой костью в течение

9-12 месяцев (при добавлении аутокости время регенерации сокращается до 5-6 месяцев);

удобство и простота в использовании.

Ситаллы

Ситаллы (стеклокристаллические материалы) - неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стекол при их термической обработке. Состоят из одной или нескольких кристаллических фаз. В ситаллах мелкодисперсные кристаллы (до 2000

нм) равномерно распределены в стекловидной матрице. Количество кристаллических фаз в ситаллах может составлять 20-95 % (по объему). Изменяя состав стекла, тип инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термической обработки, получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами. Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг. 20 в. Материалы, подобные ситаллам, за рубежом называются пирокерамом, девитрокерамом, стеклокерамом.

Получают ситаллы и изделия из них главным образом с использованием стекольной и керамической технологии, иногда по химическому способу. Наиболее распространена т.н.

стекольная технология, включающая варку стекла из шихты, формование изделий

(прессование, прокатка, центробежное литье) и термическую обработку. Последняя стадия обеспечивает кристаллизацию стекла вследствие введения в стекольную массу специальных инициаторов (каталитических добавок) - оксидов Ti, Сr, Ni, Fe, фторидов, сульфидов, металлов платиновой группы, а также вследствие склонности стекол к ликвации, способствующей образованию поверхности раздела фаз и приближающей химический состав микрообластей к составу будущих кристаллов. Термическую обработку осуществляют обычно по двухступенчатому режиму; температура первой ступени лежит в области температуры размягчения стекла и соответствует максимальной скорости зарождения центров кристаллизации, при температуре второй ступени происходит выделение кристаллов ведущей фазы, определяющей основные свойства ситаллов.

По керамической (порошковой) технологии получения ситаллов из расплава стекла вначале получают гранулят, который измельчают и сушат, после чего в него добавляют термопластическую связку и из образовавшейся массы прессованием или шликерным литьем формуют изделия. Затем их спекают при высокой температуре с одновременной кристаллизацией. По сравнению с керамикой аналогичного состава спеченные ситаллы

характеризуются более низкими температурами обжига и расширенным интервалом спекания.

Порошковая технология позволяет получать из ситаллов термически стойкие изделия сложной конфигурации и малых размеров.

По химическо способу ситаллы получают главным образом по золь-гель технологии, в основе которой лежит низкотемпературный синтез (посредством реакций гидролиза и конденсации)

металлоорганических соединений элементов, составляющих стекло, при температуре ниже температуры плавления стекольной шихты. Этот метод позволяет получать ситаллы на основе составов, не склонных к стеклообразованию, обеспечивает получение стекол высокой чистоты и однородности, что резко улучшает свойствава ситаллов, синтезируемых на их основе.

Лекция 8. Строение и синтез гидроксиапатита и трикальцийфосфата

Возросший в последние годы интерес к кальций-фосфатным материалам и, в частности, к

апатитам кальция обусловлен их уникальными свойствами и широким спектром возможных и уже реализованных применений как в приборостроении (люминофоры, пьезоэлектрики,

сорбенты для хроматографии), так и в медицине (пищевые добавки, материалы для имплантации, сорбенты тяжелых металлов и радионуклидов). Особое место среди материалов данного класса занимает гидроксиапатит Са10(РО4)6(ОН)2, который с некоторыми допущениями можно считать кристаллохимическим аналогом минеральной составляющей тканей скелета животных и людей и который в связи с этим успешно служит базовым компонентом синтетических материалов для ортопедии и стоматологии.

В соответствии со структурными характеристиками гидроксиапатит относится к большой группе минералов, именуемой «апатиты», а согласно химическому составу его следует считать ортофосфатом кальция.

Одной из основных областей применения ортофосфатов кальция является производство на их основе костнозамещающих материалов. Это обусловлено их химическим сходством с минеральным компонентом костной и зубной ткани млекопитающих. В связи с этим, особенно с учетом нецитотоксичности, ортофосфаты кальция являются биосовместимыми и, что особенно важно, проявляют биоактивность и хорошо интегрируются в живую костную ткань.

Это приводит к образованию сильного физико-химического взаимодействия имплантата и кости, называемого остеоинтеграцией. Если говорить более конкретно, то ортофосфаты кальция обеспечивают адгезию и пролиферацию остеобластов. Несмотря на это, неудовлетворительные механические свойства данных соединений (в частности, хрупкость) являются основными факторами, лимитирующими использование ортофосфатов кальция в качестве несущих биоматериалов. Плохие механические свойства становятся еще более заметными, когда речь заходит о пористой керамике и подложках с размером пор более 100 мкм, который необходим для обеспечения васкуляризации и колонизации костных клеток. Именно поэтому ортофосфаты в биомедицине используются в основном как наполнители и покрытия.

Полный список известных ортофосфатов кальция, в том числе их стандартные сокращения и основные свойства, приведен в таблице.

Структура ГА

Ортофосфаты кальция могут классифицироваться в соответствии с тремя структурными типами: 1) структура типа апатита, Ca10(PO4)6X2, с общей формулой A10X6Y2 к которому принадлежит ГА, галогензамещённые ГА, окто- и тетракальцийфосфат; 2) структура типа глазерита, в которой кристаллизуются полиморфные модификации ТКФ и 3) Са-РО4 слоистые структуры, к которым относятся дикальцийфосфат дигидрат (СаНРО4·2Н2О), безводный дикальцийфосфат (СаНРО4) и монокальцийфосфат (Са(Н2РО4)2). Аморфный фосфат кальция,

как возможный предшественник кристаллизации биологического апатита, связан с одним или более отмеченных структурных типов.

ГА кристаллизуется в гексагональной сингонии с параметрами элементарной ячейки а = b =

9,432 Å, с = 6,881 Å. ГА представляет собой слоистый кристалл, содержащий более ста атомов в элементарной ячейке.

Кристалл ГА имеет две структурных подсистемы: первую образуют Са-каналы с группами ОНˉ внутри них, а вторая – это остовый каркас, в который ионы Х – F-, Cl-, OH-, могут внедряться с малой вероятностью, а такие ионы, как СО32-, могут изоморфно замещать РО4-группы. Ионы

, расположенные в кальциевых каналах, могут изоморфно замещаться на ионы и .

Группы РО4 образуют тетраэдры со средним расстоянием P-O = 1,53 ± 0,02 Å. Атомы Са занимают в структуре ГА два кристаллографически независимых положения. Находящийся в положении 2 атом Са окружён шестью атомами кислорода, принадлежащих группам РО43- и

ОН-, в то время как атом Са, занимающий положение 1, имеет окружение атомами кислорода,

близкое к октаэдрическому. Атомы Са в положении 2 образуют треугольник в плоскости,

перпендикулярной оси с. Треугольники повёрнуты друг относительно друга на 60° вдоль этой оси. При достаточно сложной координации атомов Са в ячейке ГА образуются 75 связей Са-О

(без учёта связей с кислородом иона гидроксила), 24 связи Р-О, 6 связей Са-ОН и 2 связи ОН.

Стехиометрический ГА может быть также описан в моноклинной сингонии с параметрами решетки а = 9,4214 Å, b = 2а, с = 6,8814 Å, причём такое описание не связано с ограничениями,

обусловленными зеркальной симметрией. Снижение симметрии до моноклинной является результатом упорядочения расположения ОН- в кальциевых каналах, а также взаимного упорядочения этих каналов таких образом, что происходит двукратное увеличение параметра b

элементарной ячейки. ГА моноклинной сингонии может быть получен только гидротермальным синтезом или термообработкой ГА в атмосфере водяного пара.

Предложено условно подразделять все ортофосфаты кальция на две категории:

низкотемпературные, то есть синтезированные при относительно невысоких температурах и не

подвергнутые термической обработке для кристаллизации продукта синтеза, и

высокотемпературные, то есть подвергнутые термической обработке.

Наиболее близкими к естественной ткани и перспективными для практических применений являются дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД), октакальциевый фосфат (ОКФ), так называемый осажденный гидроксиапатит (ОГА) и аморфный фосфат кальция (АФК). Присутствие всех этих фосфатов обнаружено в костных тканях.

Октокальциевый фосфат, как полагают, является предшественником кристаллизации апатита в зубных и костных тканях. Кристаллизация ОКФ при синтезе происходит затрудненно, сам ОКФ может появляться в качестве промежуточной фазы при синтезе ОГА.

Аморфный фосфат кальция имеет соотношение Са/Р, соответствующее таковому у ДКФД.

Однако высокая скорость растворения АФК по сравнению с ДКФД существенно ограничивает возможности его применения для замещения костной ткани или реминерализации зубной эмали. В водной среде АФК переходит в кальций-дефицитный ОГА.

Практическое применение в качестве материалов для имплантирования могут найти только два ортофосфата кальция, которые могут быть синтезированы при физиологических условиях, а

именно ДКФД и ОГА.

ДКФД со структурой брушита наиболее простой по технологии синтеза при температуре,

близкой к комнатной, ортофосфат кальция. Его рассматривают как прекурсор кристаллизации ГА в костной ткани в условиях слабощелочного рН (> 7). Обнаружено, что в условиях in vivo

ДКФД переходит в ОГА, либо подвергается резорбции, замещаясь костной тканью.

Превращение ДКФД в ГА происходит с выделением ортофосфорной кислоты. Соответственно этому, слабощелочная среда, нейтрализующая ортофосфорную кислоту, должна сдвигать равновесие в сторону образования ГА. ДКФД легко получить методом химического осаждения из растворов солей кальция и ортофосфорной кислоты, например нитрата кальция и (кислого)

фосфата аммония. Добавление к реакционной смеси источника ОН-групп, например гидроксидов аммония или щелочного металла, может привести в осаждению ОГА с регулируемым соотношением Са/Р выше 1,5, что может рассматриваться как некоторое промежуточное соединение между ДКФД и ГА. Важно, что ОГА менее подвержен резорбции жидкостями организма по сравнению с ДКФД и даже, чем бета-модификация трехкальциевого фосфата, который получают высокотемпературным разложением ОГА. Однако в кислой среде,

при рН больше 5, скорость резорбции ДКФД становится ниже, чем скорость резорбции ГА и,

тем более, ОГА. Переход ДКФД в ОГА может быть подавлен введением ионов магния в реакционную смесь.

Важным свойством ДКФД является то, что он предпочтительно кристаллизуется в форме нитевидных, стержневидных или пластинчатых кристаллов, физическое зацепление или переплетение которых придает прочность твердому осадку. Данное обстоятельство представляется весьма важным в связи с тем, что прочность материалов на основе

синтезированных ортофосфатов кальция не обеспечивается процессами полимеризации структуры, как в некоторых других фосфатных материалах.

Осажденный гидроксиапатит, Са10-х(НРО4)х(РО4)6-х(ОН)2-х, является весьма сложным по химизму и структуре соединением с широкой областью гомогенности (Са/Р от 1,50 до 1,67).

ОГА просто синтезировать осаждением из растворов солей кальция, ортофосфорной кислоты и гидроксидов при рН больше 7. Продукт синтеза обычно рентгеноаморфен или плохо закристаллизован и состоит из субмикронных (наноразмерных) частиц, часто объединенных в мягкие агломераты. Агломераты могут быть разрушены обработкой высушенного продукта в шаровых мельницах, агломерированию порошка препятствует воздействие ультразвука,

применение поверхностно-активных веществ и электролитов. Удельная поверхность продукта синтеза может достигать 100 м2/г. ОГА подобен апатиту, обнаруживаемому в твердых тканях,

морфология его частиц зависит от условий проведения синтеза. Может быть получена игольчатая или пластинчатая форма, характерная для кристаллов апатита в твердых тканях зубов и костей. Растворимость ОГА снижается с повышением отношения Са/Р, то есть с приближением к составу стехиометрического ГА.

На скорость выделения ОГА из раствора можно влиять посредством изменения концентрации растворов, введением различных добавок, в том числе затравочных нанокристаллов предварительно синтезированных ОГА или ГА. В состав ОГА могут быть также введены карбонат-ионы посредством использования карбоната кальция в исходной смеси. Карбонат-

ионы улучшают биоактивность, но снижают устойчивость к биологической резорбции.

Аналогично, в состав ОГА могут быть введены ионы фтора, понижающие растворимость ОГА.

Традиционно в медицинской практике, в основном, используют материалы из высокотемпературных ортофосфатов, что связано с процессами спекания керамики.

Исключение составляют костные и стоматологические фосфатно-кальциевые цементы.

Монокальциевый фосфат (МКФ) не считается биосовместимым из-за кислотной реакции. Обе модификации альфа и бета ТКФ биосовместимы и биорезорбируемы в большей степени, чем ГА. Последний является наиболее устойчивым к растворению (при рН > 4,7) ортофосфатом, он кристаллизуется при нагревании ОГА стехиометрического состава и переходит в оксиапатит в результате частичного разложения при температурах выше 900 °С в среде, не содержащей паров воды. При высоких температурах, выше 1300 °С, ГА разлагается на β-ТКФ и

тетракальцийфосфат (ТеКФ). Тетракальцийфосфат синтезируют твердофазным

взаимодействием ДКФ с карбонатом кальция, он характеризуется высокой растворимостью в водных растворах при рН < 5. Его часто используют в качестве компонента костных цементов в сочетании с более кислыми фосфатами.

Возможно, наиболее важным свойством ортофосфатов кальция является их растворимость в водных средах, от которой зависит их поведение in vivo в организме человека. Растворимость ортофосфатов снижается в следующем порядке: МКФМ -ТКФ ТеКФ ДКФД ДКФ

ОКФ -ТКФ ГА. В процессе взаимодействия ортофосфатов с водной средой могут происходить фазовые превращения, например гидролиз -ТКФ с образованием ОГА,

сопровождающиеся изменением растворимости. Если реакция происходит преимущественно на поверхности, то такая композиционная система ( -ТКФ в центре и ОГА на поверхности) будет иметь растворимость меньшую, или исходного материала.

Изоморфное замещение

Изоморфизм – это способность атомов, ионов или молекул замещать друг друга в кристаллических структурах. В результате изоморфизма образуются твердые растворы замещения. Если два вещества дают изоморфные смеси любых концентраций (непрерывный ряд твердых растворов), изоморфизм называют совершенным. В противном случае говорят о несовершенном изоморфизме. На способность к изоморфным замещениям оказывают влияние различные факторы: размеры замещяющих друг друга частиц и общих структурных едениц,

типы структуры компонентов, валентность замещающих друг друга общих структурных едениц,характер химической связи в соединениях, температура, давление и др.

Все факторы сложным образом взаимосвязаны между собой (например, размер иона зависит от его валентности, координации, температуры и др.), а влияние характера химической связи, типа структуры соединения с большим трудом поддается колличественным оценкам. Поэтому до сих пор из эксперементальных данных не получены общепринятые эмпирические зависимости,

позволяющие расчитывать пределы замещений в зависимости от различных факторов. Имеются эмпирические правила описывающие, как влияет каждый отдельно взятый фактор при условии постоянства всех остальных. К кристаллохимическим параметрам относят: размерный фактор,

характер химической связи в компанентах и фактор сходства структур.

Минеральные фазы природной костной ткани, дентина и эмали содержат значительные количества биологически важных элементов: фтор, хлор, магний, натрий, и анионных групп:

карбонат- и силикат-группы. При синтезе частично замещенных гидроксиапатитов специально вводят в структуру ГА некоторые анионы и катионы с целью либо компенсации заряда (натрий и аммоний вводят при синтезе карбонатгидроксиапатитов), либо для регулирования дисперсности и химических свойств (кремнийзамещенные апатиты, фторгидроксиапатиты).

Анионные и катионные замещения оказывают значительное влияние на биологическое поведение ГА.

Анионные замещения. Структура ГА нестехиометрична и позволяет разного рода замещения одних элементов другими. Ионы кислорода не находятся строго в плоскости Са-треугольника.

Однако расстояние от групп ОНˉ до плоскости небольшое. Смещение атомов кислорода гидроксильных групп относительно плоскости симметрии составляет 0,34 Å. В усреднённой структуре ГА половина всех элементарных ячеек должна содержать гидроксил-ионы,

смещённые в одном направлении, тогда как вторая половина – в противоположном направлении относительно плоскости симметрии. Однако разупорядочение такого рода не