1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 58, № 11, 2022

Неорганические материалы, 2022, T. 58, № 11, стр. 1249-1260

Ультрапористая субмикронная керамика на основе β-Ca3(PO4)2

О. У. Тошев 1, *, Т. В. Сафронова 1, Ю. С. Миронова 1, А. С. Матвеева 1, Т. Б. Шаталова 1, Я. Ю. Филиппов 1, А. В. Кнотько 1, М. Р. Ахмедов 1, Е. В. Кукуева 2, Ю. С. Лукина 3

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, 1, Россия

2 Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
123182 Москва, пл. Академика Курчатова, 1, Россия

3 Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова
127299 Москва, ул. Приорова, 10, Россия

* E-mail: otabektoshev0995@mail.ru

Поступила в редакцию 06.05.2022
После доработки 18.07.2022
Принята к публикации 22.07.2022

Аннотация

Керамика на основе β-трикальциевого фосфата β-Ca3(PO4)2 с относительной плотностью 20–21%, размером зерна 200–600 нм и прочностью на сжатие 1.6–1.8 МПа получена обжигом при 1000°С цементного камня, приготовленного из порошковой смеси с мольным соотношением Са/Р = 1.5, включающей гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2, тетрагидрат цитрата кальция Ca3(C6H5O7)2·4H2O и моногидрат дигидрофосфата кальция Ca(H2PO4)2·H2O. В качестве жидкости затворения, инициирующей реакцию химического связывания в этой порошковой смеси, использовали дистиллированную воду. Фазовый состав цементного камня был представлен брушитом CaHPO4·2H2O, а также исходными компонентами, не вступившими реакцию. Присутствие пластинчатых частиц пирофосфата кальция Ca2P2O7, образовавшихся из пластинчатых частиц брушита CaHPO4⋅2H2O, сдерживало уплотнение керамики при обжиге, обуславливая формирование ультрапористой структуры. Субмикронная микроструктура и фазовый состав керамики на основе β-Ca3(PO4)2 сформировались в основном как результат гетерофазных взаимодействий между продуктами термического разложения компонентов цементного камня. Ультрапористая субмикронная биосовместимая и биорезорбируемая керамика на основе β-Ca3(PO4)2, обладающая достаточной прочностью, может быть рекомендована для применения в регенеративной медицине для лечения дефектов костной ткани.

Ключевые слова: гидроксиапатит, тетрагидрат цитрата кальция, моногидрат дигидрофосфата кальция, цементный камень, брушит, трикальциевый фосфат, гетерофазная реакция, керамика

Список литературы

  1. Tavoni M., Dapporto M., Tampieri A., Sprio S. Bioactive Calcium Phosphate-Based Composites for Bone Regeneration // J. Compos. Sci. 2021. V. 5. № 9. P. 1–27. https://doi.org/10.3390/jcs5090227

  2. Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука, 2005. С. 204.

  3. Dorozhkin S.V., Epple M. Biological and Medical Significance of Calcium Phosphates // Angew. Chem. Int. Ed. 2002. V. 41. № 17. P. 3110–3146. https://doi.org/10.1002/1521-3773(20020902)41:17<3130: :AID-ANIE3130>3.0.CO;2-1

  4. Putlyaev V.I., Safronova T.V. A New Generation of Calcium Phosphate Biomaterials: the Role of Phase and Chemical Compositions // Glass Ceram. 2006. V. 63. № 3–4. P. 99–102. https://doi.org/10.1007/s10717-006-0049-1

  5. Putlyaev V.I., Safronova T.V. Chemical Transformations of Calcium Phosphates During Production of Ceramic Materials on Their Basis // Inorg. Mater. 2019. V. 55. № 13. P. 1328–1341. https://doi.org/10.1134/S0020168519130028

  6. Safronova T.V., Kiselev A.S., Selezneva I.I., Shatalova T.B., Lukina Y.S., Filippov Y.Y., Toshev O.U., Tikhonova S.A., Antonova O.S., Knotko A.V. Bioceramics Based on Calcium Pyrophosphate // Materials. 2022. V. 15. № 9. P. 1–24. https://doi.org/10.3390/ma15093105

  7. Bohner M., Santoni B.L.G., Döbelin N. β-Tricalcium Phosphate for Bone Substitution: Synthesis and Properties // Acta Biomater. 2020. V. 113. P. 23–41. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.06.022

  8. Tikhonova S.A., Evdokimov P.V., Prosvirnin D.V., Putlyaev V.I. Formation of Porous Ca3(PO4)2-Based Ceramic from Photocurable Emulsions // Inorg. Mater. Appl. Res. 2022. № 13. P. 205–210. https://doi.org/10.1134/S2075113322010361

  9. Kalita S.J., Bhardwaj A., Bhatt H.A. Nanocrystalline Calcium Phosphate Ceramics in Biomedical Engineering // Mater. Sci. Eng., C. 2007. V. 27. № 3. P. 441–449. https://doi.org/10.1016/j.msec.2006.05.018

  10. Suchanek W., Yoshimura M. Processing and Properties of Hydroxyapatite-Based Biomaterials for Use as Hard Tissue Replacement Implants // J. Mater. Res. 1998. V. 13. № 1. P. 94–117. https://doi.org/10.1557/JMR.1998.0015

  11. Каназава Т. Неорганические фосфатные материалы; Пер. с яп. Киев: Наукова думка, 1998. С. 17–109.

  12. Elliot J.C. Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates. Amsterdam: Elsevier, 1994.

  13. Hill W.L., Faust G.T., Reynolds D.S. The Binary System P2O5–2CaO⋅P2O5 // Am. J. Sci. 1944. V. 242. № 9. P. 457–477. https://doi.org/10.2475/ajs.242.9.457

  14. Bohner M. Calcium Orthophosphates in Medicine: from Ceramics to Calcium Phosphate Cements // Injury. 2000. V. 31. D37–D47. https://doi.org/10.1016/S0020-1383(00)80022-4

  15. Kokubo T., Kim H.-M., Kawashita M. Novel Bioactive Materials with Different Mechanical Properties // Biomaterials. 2003. V. 24. № 13. P. 2161–2175. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(03)00044-9

  16. Dorozhkin S.V. Calcium Orthophosphates // J. Mater. Sci. 2007. V. 42. № 4. P. 1061–1095. https://doi.org/10.1007/s10853-006-1467-8

  17. Hing K.A. Bioceramic Bone Graft Substitutes: Influence of Porosity and Chemistry // Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2005. V. 2. № 3. P. 184–199. https://doi.org/10.1111/j.1744-7402.2005.02020.x

  18. Safronova T.V., Selezneva I.I., Tikhonova S.A., Kiselev A.S., Davydova G.A., Shatalova T.B., Larionov D.S., Rau J.V. Biocompatibility of Biphasic α, β-Tricalcium Phosphate Ceramics in Vitro // Bioactiv. Mater. 2020. V. 5. № 2. P. 423–427. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.03.007

  19. Eanes E.D. Thermochemical Studies on Amorphous Calcium Phosphate // Calcif. Tissue. Res. 1970. V. 5. № 1. P. 133–145. https://doi.org/10.1007/BF02017543

  20. Safronova T.V., Putlyaev V.I., Avramenko O.A., Shekhirev M.A., Veresov A.G. Ca-Deficient Hydroxyapatite Powder for Producing Tricalcium Phosphate-Based Ceramics // Glass Ceram. 2011. V. 68. № 1–2. P. 28–32. https://doi.org/10.1007/s10717-011-9315-y

  21. Gibson I.R., Rehman I., Best S.M., Bonfield W. Characterization of the Transformation from Calcium-Deficient Apatite to β-Tricalcium Phosphate // J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2000. V. 11. № 9. P. 533–539. https://doi.org/10.1023/a:1008961816208

  22. Villet-Regi M., Rodriguez L.M., Salinas A.J. Synthesis and Characterization of Calcium Deficient Apatite // Solid State Ionics. 1997. V. 101–103. P. 1279–1285. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(97)00213-0

  23. Сафронова Т.В. Неорганические материалы для регенеративной медицины // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 5. С. 467–499. https://doi.org/10.31857/S0002337X21050067

  24. LeGeros R.Z. Properties of Osteoconductive Biomaterials: Calcium Phosphates // Clin. Orthop. 2002. V. 395. P. 81–98. https://doi.org/10.1097/00003086-200202000-00009

  25. Евдокимов П.В., Путляев В.И., Иванов В.К., Гаршев А.В., Шаталова Т.Б., Орлов Н.К., Климашина Е.С., Сафронова Т.В. Фазовые равновесия в системах трикальциевый фосфат – смешанный фосфат кальция и натрия (калия) // Журн. неорган. химии. 2014. Т. 59. № 11. С. 1462–1471. https://doi.org/10.7868/S0044457X14110087

  26. Rey C., Combes C., Drouet C., Grossin D. Bioactive Ceramics: Physical Chemistry // Compr. Biomater. 2011. P. 187–221. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-055294-1.00178-1

  27. Pan Y., Huang J.-L., Shao C.Y. Preparation of β-TCP with High Thermal Stability by Solid Reaction Route // J. Mater. Sci. 2003. V. 38. № 5. P. 1049–1056. https://doi.org/10.1023/a:1022354015226

  28. Safronova T.V., Putlyaev V.I., Ivanov V.K., Knot’ko A.V., Shatalova T.B. Powders Mixtures Based on Ammonium Hydrophosphate and Calcium Carbonate for Preparation of Biocompatible Porous Ceramic in the CaO–P2O5 System // Refract. and Ind. Ceram. 2016. V. 56. № 5. P. 502–509. https://doi.org/10.1007/s11148-016-9877-x

  29. Гузман И.Я. Химическая технология керамики. М.: ООО РИФ “Стройматериалы”, 2003. С. 496.

  30. Woodard J.R., Hilldore A.J., Lan S.K., Park C.J., Morgan A.W., Eurell J.A.C., Wagoner Johnson A.J. The Mechanical Properties and Osteoconductivity of Hydroxyapatite Bone Scaffolds with Multi-Scale Porosity // Biomaterials. 2007. V. 28. № 1. P. 45–54. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006.0

  31. Studart A.R., Gonzenbach U.T., Tervoort E., Gauckler L.J. Processing Routes to Macroporous Ceramics: a Review // J. Am. Ceram. Soc. 2006. V. 89. № 6. P. 1771–1789. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01044.x

  32. Madhavi S., Ferraris C., White T.J. Synthesis and Crystallization of Macroporous Hydroxyapatite // J. Solid State Chem. 2005 V. 178. № 9. P. 2838–2845. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2005.06.039

  33. Krut’ko V.K., Maslova L.Yu., Musskaya O.N., Safronova T.V., Kulak A.I. Calcium Phosphate Ceramic Foam Obtained by Firing a Hydroxyapatite – Monocalcium Phosphate Monohydrate Powder Mixture // Glass Ceram. 2022. V. 78. № 11–12. P. 476–480. https://doi.org/10.1007/s10717-022-00435-y

  34. Sepulveda P., Ortega F.S., Innocentini D.M., Pandolfelli V.C. Properties of Highly Porous Hydroxyapatite Obtained by the Gelcasting of Foams // J. Am. Ceram. Soc. 2000. V. 83. № 12. P. 3021–3024. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01677.x

  35. Liu D.-M. Preparation and Characterization of Porous Hydroxyapatite Bioceramic Via a Slip-Casting Route // Ceram. Int. 1998. V. 24. № 6. P. 441–446. https://doi.org/10.1016/s0272-8842(97)00033-3

  36. Spiridonov Y.A., Orlova L.A. Problems of Foam Glass Production // Glass Ceram. 2003. V. 60. № 9/10. P. 313–314. https://doi.org/10.1023/B:GLAC.0000008234.79970.2c

  37. Beletskii B.I., Mastryukova D.S., Vlasova E.B. Development of Implant Materials with a Gradient Porous Structure for Neurosurgery // Glass Ceram. 2003. V. 60. № 9/10. P. 270–273. https://doi.org/10.1023/B:GLAC.0000008225.96109.90

  38. Safronova T.V., Putlyaev V.I., Shekhirev M.A., Kuznetsov A.V. Disperse Systems in Calcium Hydroxyapatite Ceramics Technology // Glass Ceram. 2007. V. 64. № 1–2. P. 22–26. https://doi.org/10.1007/s10717-007-0006-7

  39. Orlov N.K., Putlayev V.I., Evdokimov P.V., Safronova T.V., Klimashina E.S., Milkin P.A. Resorption of Ca3–xM2x(PO4)2 (M = Na, K) Calcium Phosphate Bioceramics in Model Solutions // Inorg. Mater. 2018. V. 54. № 5. P. 500–508. https://doi.org/10.1134/S0020168518050096

  40. Сафронова Т.В., Белокозенко М.А., Яхёев Ш.О., Шаталова Т.Б., Казакова Г.К., Перанидзе К.Х., Тошев О.У., Хасанова С.С. Керамика на основе порошка CaSO4⋅2H2O, синтезированного из Ca(NO3)2 и (NH4)2SO4 // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 8. С. 910–917. https://doi.org/10.31857/S0002337X21080273

  41. Safronova T.V., Chichulin S.N., Shatalova T.B., Filippov Ya.Yu. Powder Mixture for the Production of Microporous Ceramics Based on Hydroxyapatite // Ceramics. 2022. V. 5. № 1. P. 108–119. https://doi.org/10.3390/ceramics5010010

  42. Беляков А.В. Методы получения наноразмерных порошков из неорганических неметаллических материалов. М.: Российский химико-технологический университет, 2011. С. 191. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19613430

  43. Oelgardt C., Anderson J., Heinrich J.G., Messing G.L. Sintering, Microstructure and Mechanical Properties of Al2O3–Y2O3–ZrO2 (AYZ) Eutectic Composition Ceramic Microcomposites // J. Eur. Ceram. Soc. 2010. V. 30. № 3. P. 649–656. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2009.09.011

  44. Hosoi K., Hashida T., Takahashi H., Yamasaki N., Korenaga T. New Processing Technique for Hydroxyapatite Ceramics by the Hydrothermal Hot-Pressing Method // J. Am. Ceram. Soc. 1996. V. 79. № 10. P. 2771–2774. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1996.tb09048.x

  45. Orlov N., Kiseleva A., Milkin P., Evdokimov P., Putlayev V., Günster J., Biesuz M., Sglavo V.M., Tyablikov A. Sintering of Mixed Ca–K–Na Phosphates: Spark Plasma Sintering vs Flash-Sintering // Open Ceram. 2021. V. 5. P. 100072. https://doi.org/10.1016/j.oceram.2021.100072

  46. Abyzov A.M. Research on the Development of High-Quality Aluminum Oxide Ceramic (Review). Part 1. Sintering with Additives, Reactive Sintering, Production of Reinforced Composites // Glass Ceram. 2018. V. 75. № 7–8. P. 8–19. https://doi.org/10.1007/s10717-018-0074-x

  47. Сафронова Т.В., Третьяков Ю.Д., Путляев В.И., Шехирев М.А., Кузнецов А.В. Нанокерамика на основе гидроксиапатита // Конструкции из композиционных материалов. 2007. № 1. С. 22–31. https://istina.msu.ru/publications/article/434590/

  48. Safronova T.V., Putlyaev V.I., Shekhirev M.A., Tretyakov Y.D., Kuznetsov A.V., Belyakov A.V. Densification Additives for Hydroxyapatite Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2009. V. 29. № 10. P. 1925–1932. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2008.12.012

  49. Fang Z.Z., Wang H. Densification and Grain Growth During Sintering of Nanosized Particles // Int. Mater. Rev. 2008. V. 53. № 6. P. 326–352. https://doi.org/10.1179/174328008X353538

  50. Elbadawi M., Wally Z.J., Reaney I.M. Porous Hydroxyapatite-Bioactive Glass Hybrid Scaffolds Fabricated Via Ceramic Honeycomb Extrusion // J. Am. Ceram. Soc. 2018. V. 101. № 8. P. 3541–3556. https://doi.org/10.1111/jace.15514

  51. Musskaya O.N., Krut’ko V.K., Kulak A.I., Filatov S.A., Batyrev E.V., Safronova T.V. Calcium Phosphate Compositions with Polyvinyl Alcohol for 3D Printing // Inorg. Mater.: Appl. Res. 2020. V. 11. № 1. P. 192–197. https://doi.org/10.1134/S2075113320010268

  52. Buswell R.A., Leal de Silva W.R., Jones S.Z., Dirrenberger J. 3D Printing Using Concrete Extrusion: A Roadmap for Research // Cem. Concr. Res. 2018. V. 112. P. 37–49. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006

  53. Safronova T.V., Korneichuk S.A., Shatalova T.B., Lukina Yu S., Sivkov S.P., Filippov Ya.Yu., Krut’ko V.K., Musskaya O.N. Ca2P2O7–Ca(PO3)2 Ceramic Obtained by Firing β-Tricalcium Phosphate and Monocalcium Phosphate Monohydrate Based Cement Stone // Glass Ceram. 2020. V. 77. № 5–6. P. 165–172. https://doi.org/10.1007/s10717-020-00263-y

  54. Сафронова Т.В., Лукина Ю.С., Сивков С.П., Тошев О.У., Казакова Г.К., Шаталова Т.Б., Филиппов Я.Ю., Малютин К.В., Азизян-Каландараг Я. Керамика на основе пирофосфата кальция, полученная обжигом цементного камня // Техника и технология силикатов. 2020. Т. 27. № 1. С. 17–20. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44820756

  55. Safronova T.V., Shatalova T.B., Filippov Ya.Yu., Krut’ko V.K., Musskaya O.N., Safronov A.S., Toshev O.U. Ceramics in the Ca2P2O7–Ca(PO3)2 System Obtained by Annealing of the Samples Made from Hardening Mixtures Based on Calcium Citrate Tetrahydrate and Monocalcium Phosphate Monohydrate // Inorg. Mater.: Appl. Res. 2020. V. 11. № 4. P. 777–786. https://doi.org/10.1134/S2075113320040334

  56. Toshev O.U., Safronova T.V., Kaimonov M.R., Shatalova T.B., Klimashina E.S., Lukina Y.S., Malyutin K.V., Sivkov S.P. Biocompatibility of Ceramic Materials in Ca2P2O7–Ca(PO3)2 System Obtained via Heat Treatment of Cement-Salt Stone // Ceramics. 2022. V. 5. № 3. P. 516–532. https://doi.org/10.3390/ceramics5030039

  57. Toshev O.U., Safronova T.V., Kazakova G.K., Shatalova T.B., Boytsova O.V., Lukina Yu.S., Sivkov S.P. Ceramics Based on Sodium Rhenanite CaNaPO4, Obtained via Firing of Composite Cement-Salt Stone // J. Compos. Sci. 2022. V. 6. P. 1–10. https://doi.org/10.3390/jcs6100314

  58. PDF-4+ Database. Newtown Square: International Centre for Diffraction Data, 2010. https://www.icdd.com/pdf-2/

  59. Hurle K., Oliveira J.M., Reis R.L., Pina S., Goetz-Neunhoeffer F. Ion-Doped Brushite Cements for Bone Regeneration // Acta Biomater. 2021. V. 123. P. 51–71. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.01.004

  60. Sarda S., Fernández E., Nilsson M., Balcells M., Planell J.A. Kinetic Study of Citric Acid Influence on Calcium Phosphate Bone Cements as Water-Reducing Agent // J. Biomed. Mater. Res. 2002. V. 61. № 4. P. 653–659. https://doi.org/10.1002/jbm.10264

  61. Bohner M., Lemaitre J., Ring T.A. Effects of Sulfate, Pyrophosphate, and Citrate Ions on the Physicochemical Properties of Cements Made of Beta-Tricalcium Phosphate-Phosphoric Acid-Water Mixtures // J. Am. Ceram. Soc. 1996. V. 79. № 6. P. 1427–1434. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1996.tb08746.x

  62. Safronova T.V., Shatalova T.B., Tikhonova S.A., Filippov Y.Y., Krut’ko V.K., Musskaya O.N., Kononenko N.E. Synthesis of Calcium Pyrophosphate Powders from Phosphoric Acid and Calcium Carbonate // Inorg. Mater. Appl. Res. 2021. V. 12. P. 986–992. https://doi.org/10.1134/S2075113321040353

  63. Zhou H., Yang L., Gbureck U., Bhaduri S.B., Sikder P. Monetite, an Important Calcium Phosphate Compound – Its Synthesis, Properties and Applications in Orthopedics // Acta Biomaterial. 2021. V. 127. P. 41–55. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.03.050

  64. Seham A.A. Mansour. Thermal Decomposition of Calcium Citrate Tetrahydrate // Thermochim Acta. 1994. V. 233. № 2. P. 243–256. https://doi.org/10.1016/0040-6031(94)85118-2

  65. Dosen A., Giese R.F. Thermal Decomposition of Brushite, CaHPO4⋅2H2O to Monetite CaHPO4 and the Formation of an Amorphous Phase // Am. Miner. 2011. V. 96. № 2–3. P. 368–373. https://doi.org/10.2138/am.2011.3544

  66. Safronova T.V., Putlyaev V.I., Filippov Ya.Yu., Knot’ko A.V., Klimashina E.S., Peranidze K.Kh., Evdokimov P.V., Vladimirova S.A. Powders Synthesized from Calcium Acetate and Mixed-Anionic Solutions, Containing Orthophosphate and Carbonate Ions, for Obtaining Bioceramic // Glass Ceram. 2018. V. 75. № 3. P. 118–123. https://doi.org/10.1007/s10717-018-0040-7

  67. Jinlong N., Zhenxi Z., Dazong J. Investigation of Phase Evolution during the Thermochemical Synthesis of Tricalcium Phosphate // J. Mater. Synt. Proc. 2001. V. 9. № 5. P. 235–240. https://doi.org/10.1023/A:1015243216516

  68. Safronova T., Putlayev V., Shekhirev M. Resorbable Calcium Phosphates-Based Ceramics // Powder Metall. Met. Ceram. 2013. V. 52. № 5. P. 357–363. https://doi.org/10.1007/s11106-013-9534-6

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал