Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2020, T. 492-493, № 1, стр. 42-49

Влияние Co2+ на фазообразование, механические свойства и поведение in vitro керамики в системе ZrO2–Al2O3

Т. О. Оболкина 1, М. А. Гольдберг 1*, С. В. Смирнов 1, А. А. Коновалов 1, О. С. Антонова 1, С. А. Ахмедова 2, В. А. Кирсанова 2, И. К. Свиридова 2, Н. С. Сергеева 2, член-корреспондент РАН С. М. Баринов 1, член-корреспондент РАН В. С. Комлев 1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
Москва, Россия

2 Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена – филиал Федерального Государственного Бюджетного Учреждения “Национальный Медицинский Исследовательский Центр радиологии” Минздрава России
Москва, Россия

* E-mail: mgoldberg@imet.ac.ru

Поступила в редакцию 06.05.2020
После доработки 27.05.2020
Принята к публикации 05.06.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследовано влияние введения Co2+ в керамические материалы ZrO2–10 мас. % Al2O3 на их фазовый состав, пористость, микроструктуру, прочность, микротвердость, цитотоксичность и цитосовместимость. Показано, что введение Co2+ стабилизирует тетрагональную модификацию ZrO2, которая является единственной при спекании при 1400°С. Повышение температуры спекания приводит к появлению и увеличению количества моноклинной модификации ZrO2. Получены плотноспеченные керамические материалы с прочностью более 860 МПа и микротвердостью до 11 ГПа состава ZrO2–10 мас. % Al2O3–3.8 мол. % СоО (3 мол. % вводимого катиона Со2+). Согласно результатам испытаний in vitro выявлено, что материалы цитосовместимы. Введение ионов кобальта в керамику ZrO2–10 мас. % Al2O3 положительно сказывается на ее матриксных (для клеток) свойствах.

Ключевые слова: диоксид циркония, оксид алюминия, кобальт, спекание, цитотоксичность, цитосовместимость in vitro

ВВЕДЕНИЕ

Диоксид циркония и оксид алюминия известны как биоинертные материалы и поэтому нашли широкое применение в медицине. Благодаря высоким механическим свойствам, химической и термической стабильности керамика из ZrO2–Al2O3 активно используется в качестве материала для эндопротезов крупных суставов [1, 2].

В то же время, высокая стоимость производства такой керамики, связанная с необходимостью применения высоких температур для спекания, методов горячего и изостатического прессования, ограничивает развитие производства данных материалов. Изучена возможность снижения температуры спекания такой керамики путем введения спекающих добавок [3, 4]. Применение оксидов переходных металлов с ионными радиусами, отличными от Zr4+, способно обеспечить образование дефектов в структуре ZrO2 и интенсифицировать спекание по твердофазному механизму. Подобный эффект был продемонстрирован при введении Fe2O3 в материалы, содержащие от 5 до 20 мас. % Al2O3, где были получены плотноспеченные при 1450°С керамические материалы с прочностью до 700 МПа. В работах [58] отмечено положительное влияние кобальта на процесс спекания керамики Y–ZrO2. Введением Со2О3 от 1 до 15 мас. % в 8YSZ (ZrO2–8%Y2O3) получена плотная керамика спеканием при 1350°С [8]. Авторами [9] при введении 1.5 мас. % CoO и 1.5 мас. % Al2O3 в Y–ZrO2 за счет формирования растворов замещения и внедрения в решетке Y–ZrO2 была достигнута плотная структура при температуре 1450°С с микротвердостью 1209 кгс/мм2 и трещиностойкостью (К) 8.4 МПа м1/2. В то же время исследований материалов, допированных кобальтом с образованием его оксида в структуре, содержащих большее количество Al2O3, не проводилось.

Целью данной работы было исследование влияния Co2+ на фазовый состав, микроструктуру, механические и биологические свойства керамики на основе 3Y–ZrO2, содержащей 10 мас. % Al2O3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез композиционных порошков системы ZrO2–Al2O3 с содержанием оксида алюминия 10 мас. % (ZrO2–10 мас. % Al2O3) проводился методом химического осаждения из растворов солей, подробно описанным в [3, 4]. В 9%-й водный раствор аммиака вводили смесь водных растворов ZrOCl2 · 8H2O, АlCl3 · 6H2O, YCl3 · 6H2O. Хлорид иттрия добавляли из расчета, чтобы содержание Y2O3 составляло 3.0 мол. % по отношению к ZrO2. С целью повышения активности к спеканию порошков полученный осадок обрабатывали в планетарной мельнице в среде этанола в течение 30 мин, фильтровали, сушили и прокаливали при температуре 650°С. В полученный после синтеза керамический порошок ZrO2–10 мас. % Al2O3 вводили водный раствор CoCl2; полученную смесь выпаривали; в результате последующего термического разложения CoCl2 происходило образование оксида кобальта. Количество CoCl2 добавляли из расчета, чтобы содержание катиона Co2+ по отношению к ZrO2 составляло (мол. %): 0; 0.33; 1.0; 3.0. Затем порошки сушили и просеивали через капроновое сито.

Определение фазового состава порошков проводили методом рентгеновского фазового анализа (РФА) на дифрактометре Дифрей 401 (Россия) с использованием Cr Kα излучения с привлечением картотеки JCPDS и PCPDFWIN. Удельную поверхность (Sуд) порошков определяли методом БЭТ на приборе Tristar Micromeritics (США). Для исследования свойств спеченной керамики материалы прессовали при давлении 100 МПа методом одноосного прессования с получением образцов размером 30 × 4 × 4 мм3. Образцы обжигали в печи с хромит-лантановыми нагревателями в атмосфере воздуха в температурном диапазоне от 1400 до 1500°С в течение 2 ч. Фазовый состав спеченных образцов исследовали методом РФА. Открытую пористость определяли в соответствии с ГОСТ 2409-2014 гидростатическим взвешиванием. Для исследования механических свойств спеченной керамики материалы полировали алмазной пастой. Прочность материалов при трехточечном изгибе определяли на разрывной машине Instron 5581 (США), статистика по 5 образцам. Микротвердость образцов определяли на микротвердомере 401/402-MVD (США) методом Виккерса при нагрузке 4960 мН с выдержкой 10 с. Для исследования микроструктуры методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на приборе Tescan Vega II (Чехия) полированные образцы подвергали термическому травлению в течение 1 ч при температурном режиме Tтрав = Тспек – 100°С.

Исследование in vitro цитотоксичности и цитосовместимости образцов керамики, полученной спеканием при 1450°С, проводили на модели перевивной линии клеток остеосаркомы человека MG-63 (Российская коллекция клеточных культур позвоночных, Институт цитологии РАН, Санкт-Петербург). Перед началом экспериментов культура была протестирована на отсутствие микоплазмы с помощью ПЦР метода. Плотность посева клеток в эксперименте составляла 7.0 × × 103 кл./лунку (96-луночный планшет; Costar, США) в объеме 200 мкл полной ростовой среды (ПРС) следующего  состава:  среда  DМЕМ  c  60  мг/мл L-глутамина (ПанЭко, Россия), 10% эмбриональной телячьей сыворотки (ЭТС, HyClone, США), 50 мкг/мл гентамицина и 20 мМ раствора Hepes. Клетки MG-63 культивировали в СО2-инкубаторе (Sanyo, Япония) при 5% СО2, 37°С.

Цитотоксичность стерильных образцов (сухожаровая обработка керамики, 200°С, 2 ч) определяли в соответствии с ГОСТ Р ИСО 10993.12.2015 путем прямого контакта вытяжки (0.2 г материала в 1 мл ПРС) с тест-культурой. Экстракцию осуществляли в течение 24 ч в термостате (37°С) при постоянном перемешивании на орбитальном шейкере (Elmi, Латвия), по окончании которой для каждого образца вытяжек определяли показатель рН раствора. Для оценки возможной токсичности вытяжек полученных образцов керамики через 24 ч после посева тест-культуры из лунок отбирали культуральную среду и вносили по 150 мкл вытяжки (в триплетах для каждого образца керамики). Через 24 ч определяли жизнеспособность культуры MG-63 с помощью МТТ-теста [11]. Данный метод основан на способности дегидрогеназ живых клеток восстанавливать 3-(4,5-диметилтиазолил-2)-2,5-дифенилтетразолий бромистый (МТТ, “Sigma”, США) в формазан. Количество образовавшегося формазана, который характеризует пролиферативную активность (жизнеспособность/количество) различных клеток человека и животных, определяли спектрофотометрически (Multiscan FC, Thermo Scientific, Финляндия). Для каждого образца вытяжки, согласно ГОСТ ИСО 10993.5-99, рассчитывали индекс токсичности (ИТ) по формуле:

(1)
${\text{ИТ}} = 100\% {\text{ }}--{\text{ О}}{{{\text{D}}}_{{{\text{оп}}}}}{\text{/О}}{{{\text{D}}}_{{{\text{контр}}}}}(\% ),$
где ОD – значение оптической плотности раствора формазана в опыте и в контроле соответственно. Образец материала считали нетоксичным при значении ИТ ≤ 30%.

Для оценки цитовместимости образцов керамики на основе ZrO2–10 мас. % Al2O3 стерильные образцы раскладывали в 96-луночные планшеты для культивирования (в триплетах) и вносили культуру клеток MG-63 (плотность посева – 7.0 × × 103 кл./лунку в 200 мкл ПРС). Культивирование (СО2-инкубатор Sanyo, Япония, 5% СО2, 37°С) осуществляли в течение 1, 4 и 7 суток с регулярной сменой ПРС. В качестве контроля использовали клетки на культуральном пластике полистирене. Для каждого срока культивирования с помощью МТТ-теста определяли величину пула жизнеспособных клеток (ПЖК) как отношение ОDоп/ОDконтр × 100%. Образец керамики считали цитосовместимым с выраженными матриксными (для клеток) свойствами при величине ПЖК ≥ ≥ 100%.

Статистическую обработку результатов проводили с помощью компьютерной программы BIOSTAT.EXE.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно данным РФА, синтезированный порошок состоял из диоксида циркония псевдокубической модификации c-ZrO2 (JCPDS # 49‑1642). На дифрактограммах отсутствовали пики оксида алюминия, что связано с его высокой дисперсностью, приводящей к рентгеноаморфному состоянию.

Удельная поверхность полученных порошков композита ZrO2–10 мас. % Al2O3 составляла 47 м2/г, введение 0.33 мол. % Co2+ в композит незначительно снижало величину Sуд. Увеличение содержания Co2+ до 1.0 мол. % приводило к снижению удельной поверхности до величин 40–43 м2/г. При введении 3.0 мол. % Со2+ Sуд не превышала 40 м2/г.

Как показали результаты рентгенофазового анализа, материалы ZrO2–10 мас. % Al2O3, спеченные при 1400°С, состоят из диоксида циркония тетрагональной модификации (t-ZrO2) (JCPDS # 42-1164) и корунда (JCPDS # 10-0173) (рис. 1а). Введение 3.0 мол. % Со2+ приводило к формированию шпинели CoAl2O4 (JCPDS # 44-0160) как продукта взаимодействия Al2O3 и CoO. При повышении температуры спекания до 1450°С, помимо t-ZrO2, наблюдается формирование незначительного количества моноклинной модификации m-ZrO2 (JCPDS # 37-1484) – до 5 мас. %, количество которой возрастает при увеличении температуры спекания до 1500°С (рис. 1б, 1в). Введение Co2+ в минимальных количествах (0.33 мол. %) приводит к снижению количества m-ZrO2 при 1450 и 1500°С по сравнению с чистыми материалами без добавки. Увеличение содержания Со2+ (до 3.0 мол. %) приводит к росту количества m-ZrO2, количество тетрагональной модификации снижается. Корунд незначительно увеличивает степень закристаллизованности по мере роста температуры спекания.

Рис. 1.

Дифрактограммы порошков ZrO2–10 мас. % Al2O3 в зависимости от содержания Co2+ после спекания при 1400°С (а), 1450°С (б) и 1500°С (в), где $\diamondsuit $t-ZrO2 (JCPDS # 42-1164), $\bigcirc $m-ZrO2 (JCPDS # 37-1484), $\triangledown $ – Al2O3 (JCPDS # 10-0173), * – CoAl2O4 (JCPDS # 44-0160).

Согласно данным измерения открытой пористости, материалы ZrO2–10 мас. % Al2O3, не содержащие добавку, характеризовались пористостью 10.07% при 1400°С (табл. 1). Введение оксида кобальта в ZrO2–10 мас. % Al2O3 оказывало положительное влияние на спекание – пористость была менее 1% для материалов с 3 мол. % Co2+. По мере повышения температуры до 1450°С материалы, содержащие оксид кобальта, достигают плотноспеченного состояния, пористость снижается, достигая 0.26% при содержании 0.33 мол. % Co2+. Материалы, термообработанные при 1500°С, характеризуются плотноспеченным состоянием для всех составов ZrO2–10 мас. % Al2O3.

Таблица 1.

Зависимость пористости от состава материала и температуры спекания

Состав материала Пористость, %
1400°С 1450°С 1500°С
ZrO2–10 мас. % Al2O3 10.07 7.77 0.29
ZrO2–10 мас. % Al2O3–0.33 мол. % Cо2+ 2.41 0.26 0.26
ZrO2–10 мас. % Al2O3–1 мол. % Cо2+ 2.54 0.91 0.41
ZrO2–10 мас. % Al2O3–3 мол. % Cо2+ 0.72 0.45 0.76

Данные по прочности и микротвердости керамики ZrO2–10 мас. % Al2O3, спеченной при 1400, 1450 и 1500°С, представлены на рис. 2. Как видно из приведенных данных, введение Со2+ существенно влияет на значения прочности и микротвердости. Так, спеченные при 1400°С материалы без добавки характеризовались прочностью 402 ± ± 20 МПа и микротвердостью 6.4 ± 0.1 ГПа, материалы с содержанием 0.33 мол. % Со2+ – 518 ± 26 МПа и 7.8 ± 0.1 ГПа соответственно. Материалы ZrO2–10 мас. % Al2O3 без добавки, спеченные при 1450°С, характеризовались средней величиной прочности 530 ± 27 МПа. Введение Co2+ способствовало существенному росту прочности и микротвердости спеченных керамических материалов ZrO2–10 мас. % Al2O3. За счет достижения плотноспеченного состояния при 1450°С и стабилизации t-ZrO2 для составов, содержащих 0.33 мол. % Co2+, прочность составила 715 ± 35 МПа, микротвердость – 10.9 ± 0.1 ГПа. Увеличение содержания Co2+ до 3.0 мол. % приводит к росту прочности и микротвердости до 819 ± 41 МПа и 10.9 ± 0.1 ГПа соответственно. Повышение температуры спекания до 1500°С приводило к снижению прочности ZrO2–10 мас. % Al2O3 до 470 ± ± 24 МПа. Введение Co2+ в малых количествах (0.33 мол. %) позволило получить материалы с наибольшей прочностью, до 860 ± 43 МПа. Это связано с преимущественным сохранением тетрагональной модификации ZrO2, дальнейшее увеличение содержания добавки ведет к росту количества моноклинной фазы в керамике. Для материала, содержащего 3.0 мол. % Co2+, прочность падает до 685 ± 34 МПа.

Рис. 2.

Микротвердость и прочность при трехточечном изгибе керамики ZrO2 – 10 мас. % Al2O3, спеченной при 1400, 1450 и 1500°С.

Величина микротвердости возрастала по мере роста температуры и достигала максимальных значений при 1500°С, превышая 11.0 ГПа для составов, содержащих 1.0 и 3.0 мол. % Co2+. Повышение микротвердости связано со снижением пористости по мере увеличения содержания кобальта и температуры [10]. Также, согласно данным РФА, при 1500°С возрастает степень закристаллизованности корунда, что также способствует росту микротвердости.

Согласно данным РЭМ, керамика ZrO2–10 мас. % Al2O3, спеченная при 1400–1450°С, характеризуется пористой структурой, состоит из мелких кристаллов размером 100–200 нм и равномерно распределенных крупных кристаллов размером до 1–1.5 мкм (рис. 3а). Введение Со2+ в количестве 0.33 мол. % в ZrO2–10 мас. % Al2O3 позволило получить плотную кристаллическую структуру при 1450°С, преимущественно состоящую из кристаллов размером 100–200 нм, а также из отдельных крупных кристаллов размером до 1 мкм. Увеличение содержания оксида кобальта способствует росту мелких кристаллов до 200–250 нм и агрегации корунда до частиц размером 2–2.5 мкм. При этом распределение корунда равномерное по всей поверхности. Увеличение температуры спекания до 1500°С привело к значительному росту размеров зерен до 2–4 мкм, что также явилось причиной падения прочности керамики.

Рис. 3.

Микроструктура спеченной при 1450°С керамики ZrO2–10 мас. % Al2O3 с содержанием Со2+ (мол. %): 0 (а), 0.33 (б), 1 (в) и 3 (г).

Согласно данным эксперимента in vitro было выявлено, что полученные материалы характеризуются отсутствием острой цитотоксичности (величина ИТ составляет 11–22%). Введение кобальта приводило к незначительному повышению индекса токсичности, который сохранялся в пределах допустимых значений. При этом вытяжки образцов обладают значениями рН, близкими к нейтральному (табл. 2).

Таблица 2.

Значения показателей оптической плотности (OD) раствора формазана (МТТ-тест), рН вытяжек, ПЖК и значение ИТ при культивировании клеток саркомы человека линии MG-63 в присутствии экстрактов образцов на основе композиционных керамических материалов составов ZrO2–10 мас. % Al2O3

№ № Образца Состав рН вытяжек OD, усл. ед. (M ± m) ПЖК (%) ИТ (%)
1 ZrO2–10 мас. % Al2O3 7.66 0.256 ± 0.008 88.9 11.1
2 ZrO2–10 мас. % Al2O3–0.33 мол. % Co2+ 7.62 0.225 ± 0.011 78.1 21.9
3 ZrO2–10 мас. % Al2O3–3 мол. % Co2+ 7.63 0.247 ± 0.003 85.8 14.2
4 ПРС (отрицательный контроль) 7.25 0.288 ± 0.008 100.0 0.0

Данные об отсутствии острой токсичности вытяжек образцов керамики позволили перейти к следующему этапу испытаний in vitro – оценке цитосовместимости и матриксных (для клеток) свойств поверхности данной партии материалов.

При оценке матриксных свойств чистой керамики ZrO2–10 мас. % Al2O3, а также содержащей 0.33 мол. % Со2+, установлено, что на 7-е сутки значение оптической плотности раствора формазана статистически значимо превышает контрольные показатели (1.808 и 1.997 усл. ед. vs. 1.308 усл. ед. в контрольном образце) (рис. 4). В то же время введение 3.0 мол. % Со2+ обеспечивало существенный прирост плотности раствора формазана по сравнению с контрольными образцами, но некоторое снижение по сравнению с материалами с меньшим содержанием Со2+, а также чистой керамикой ZrO2–10 мас. % Al2O3. Полученные результаты свидетельствуют, что введение малых концентраций ионов кобальта в разработанную керамику положительно сказывается на ее матриксных свойствах, увеличение концентрации вводимого катиона кобальта не приводит к росту цитотоксичности, но несколько снижает матриксные свойства. Необходимо отметить, что, несмотря на противоречивые данные о влиянии кобальта на организм человека, он широко применяется в качестве компонента сплавов и биокерамики для имплантации [11].

Рис. 4.

Динамика нарастания популяции клеток остеосаркомы человека MG-63 при культивировании на композиционных образцах оксидной керамики в сравнении с контролем: контрольный образец (полистерен) (а, б); ZrO2–10 мас. % Al2O3 (в, г); ZrO2–10 мас. % Al2O3–0.33 мол. % Co2+ (д, е); изменение оптической плотности раствора формазана в динамике, в зависимости от состава керамики (ж). Сроки культивирования: 1 сутки (а, в, д); 7 суток (б, г, е). МТТ-тест, увел. ×20.

Таким образом, в работе исследовано влияние введения Со2+, формирующего оксид кобальта, на спекание и свойства керамики ZrO2–10 мас. % Al2O3. Показано, что введение Со2+ позволяет значительно повысить механические характеристики по сравнению со свойствами керамики ZrO2–10 мас. % Al2O3, не содержащей добавки. При этом результаты этапа исследований in vitro подтвердили перспективность дальнейших исследований in vivo на мелких лабораторных животных разработанных составов в качестве материалов для медицинского применения.

Список литературы

  1. Affatato S., Jaber S.A., Taddei P. Ceramics for hip joint replacement // Biomaterials in Clinical Practice. Springer, Cham. 2018. P. 167–181.

  2. Li J., Hastings G.W. Oxide bioceramics: inert ceramic materials in medicine and dentistry // Handbook of biomaterial properties. New York, NYL Springer, 2016. P. 339–352.

  3. Smirnov V.V., Obolkina T.O., Krylov A.I., Smirnov S.V., Gol’dberg M.A., Antonova O.S., Titov D.D., Barinov S.M. Agglomeration and Properties of Ceramics Based on Partially Stabilized Zirconium Dioxide Containing Oxides of Aluminum and Iron // Inorg. Mater.: Applied Research. 2018. V. 9. № 1. P. 121–124.

  4. Obolkina T.O., Goldberg M.A., Smirnov V.V., Smirnov S.V., Titov D.D., Konovalov A.A., Kudryavtsev E.A, Antono-va O.S., Barinov S.M., Komlev V.S. Increasing the Sintering Rate and Strength of ZrO2–Al2O3 Ceramic Materials by Iron Oxide Additions // Inorg. Mater. 2020. V. 56. № 2. P. 182–189.

  5. Flegler A.J., Burye T.E., Yang Q., Nicholas J.D. Cubic yttria stabilized zirconia sintering additive impacts: A comparative study // Ceram. Int. 2014. V. 40. № 10. Part B. P. 16323–16335.

  6. Lewis G.S., Atkinson A., Steele B.C.H. Cobalt additive for lowering the sintering temperature of yttria-stabilized zirconia //. Mater. Sci. Lett. 2001. V. 20. № 12. P. 1155–1157.

  7. Park J., Lee Y. Effect of Transition Metal Oxides Addition on Yttria-stabilized Zirconia for improving Physical and Mechanical Properties // Journal of the Korea Society of Digital Industry and Information Management. 2016. V. 12. № 3. P. 25–31.

  8. Aktas B., Tekeli S. Influence of Co3O4 addition on the ionic conductivity and microstructural properties of yttria-stabilized zirconia (8YSZ) // Int. J. Mater. Res. 2014. V. 105. № 6. P. 577–583.

  9. Onda T., Yamauchi H., Hayakawa M. Effect of CoO doping on the sintering ability and mechanical properties of Y-TZP // Mater. Sci. Forum. Trans Tech Publications Ltd. 2004. V. 449. P. 265–268.

  10. Oungkulsolmongkol T., Salee-art P., Buggakupta W. Hardness and fracture toughness of alumina-based particulate composites with zirconia and strontia additives // Journal of Metals, Materials and Minerals. 2010. V. 20. № 2. P. 71–78.

  11. Czarnek K., Terpiłowska S., Siwicki A.K. Selected aspects of the action of cobalt ions in the human body // Cent. Eur. J. Immunol. 2015. V. 40. № 2. P. 236–242.

Дополнительные материалы отсутствуют.