Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 8, стр. 51-56

ВВЕДЕНИЕ

В обзоре [1] показаны перспективы применения гидроксиапатита (ГАП)/фторапатита (ФАП) в качестве материала для костной пластики. Имплантаты из титана и его сплавов относительно давно используются в медицинской практике [2]. В настоящее время актуальным направлением исследований является разработка биологически совместимых имплантатов, сочетающих остеотропность ГАП с механической прочностью и коррозионной стойкостью титана. Но, как известно, при соединении разнородных материалов возникает проблема адгезии. Частично решить эту проблему удается за счет использования пористых материалов [3], что дает свои преимущества. Так, например, при условии сквозной пористости имплантат активно взаимодействует с окружающими тканями, что сокращает время его вживления в организм [4]. Однако применение имплантатов из пористого титана не всегда возможно.

Для нанесения ГАП на твердые поверхности используют различные методы распыления [5, 6]. При выборе метода необходимо учитывать негативное влияние высоких температур на ГАП, так как высокотемпературная обработка (800–1000°С) способствует увеличению степени его кристалличности и переходу в менее растворимую форму по сравнению с минеральной составляющей кости, а дальнейшее повышение температуры ведет к разложению ГАП на трикальций фосфат [6–8]. Отказаться от высоких температур и громоздкой аппаратуры при получении надежных покрытий почти на любой, в том числе гладкой поверхности, а также улучшить свойства биоматериалов на основе ГАП возможно за счет добавления связующего вещества, в частности желатина, частично гидролизованного белка коллагена. Связанный с желатином ГАП является биологически активным материалом, необходимым для роста и обеспечения сохранности костей, применяемым в медицине, в качестве естественного стимулятора образования костной ткани [9].

Целью данной работы было получение конструкционных материалов, представляющих собой металлическую матрицу с нанесенным на нее биоактивным покрытием; оценка возможности использования коллоидной суспензии гидроксиапатита и водной суспензии кристаллического апатита в сочетании с желатином в качестве материала покрытия.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве металлической основы использовались: титан пористый (45%), пластины из титана марки ВТ1-0 (ГОСТ 19 807-91 Титан и сплавы титановые деформируемые марки (Пористый никель (40 и 95%)), пластины из никеля марки Н-3 (ГОСТ 849-2008 Никель первичный); неметаллические материалы: пластина из глинозема (алунд) (ГОСТ 28 390-89 Изделия фарфоровые), стекло (ГОСТ 111-2014 Стекло листовое бесцветное).

В качестве компонентов биоактивного покрытия использовали ∼5–10%-коллоидную суспензию ГАП [10], кристаллические ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ и ФАП состава Ca₁₀(PO₄)₆F₂, полученные высушиванием на воздухе коллоидных суспензий, синтезированных методом осаждения из растворов [10, 11]. Связующим веществом служил желатин пищевой (ГОСТ 11 293-89).

Исследуемый в работе материал покрытия (суспензия ГАП/ФАП-желатин) получали следующим образом. Пищевой желатин (1 грамм) заливали расчетным количеством дистиллированной воды (20 мл), выдерживали 15 мин для набухания и грели на водяной бане при 60–80°С при перемешивании до полного растворения желатина. Затем в теплый раствор при постоянном перемешивании вводили коллоидный ГАП либо порошок ГАП/ФАП, предварительно измельченный в мельнице до крупности частиц ≤10 мкм, доводя суспензию до нужной консистенции.

Нанесение биоактивного слоя производилось простым однократным смачиванием основы (металлической, керамической и др.) в подготовленной суспензии. Предварительно матрицы обезжиривались этиловым спиртом. Сушку образцов проводили на воздухе при температуре 50–75°С, чтобы предотвратить разложение желатина, протекающее при температурах выше 100°С. В процессе высыхания происходило связывание апатита коллагеном, находящемся в желатине, и на поверхности матрицы формировался ровный, гладкий слой биоактивного покрытия (ГАП/ФАП, пропитанного коллагеном), максимально соответствующего костной ткани.

Для оценки степени влияния связующего компонента на функциональные характеристики материала были проведены сравнительные испытания суспензии ГАП−желатин и ранее разработанного авторами покрытия на основе кристаллической суспензии ГАП [12].

Морфологию поверхности исследуемых образцов исследовали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ), при этом использовался сканирующий электронный микроскоп JSM–6390 LA фирмы JEOL (увеличение варьировали от ×5 до 300 000, разрешение составляло 3.0 нм при 30 кВ). Поверхностные характеристики оценивали методом Брунауэра, Эммета и Тейлора (низкотемпературной адсорбции азота с помощью автоматического анализатора площади поверхности и пористости Gemini VII 2390 V1.03 (V1.03t, Micromeritics) при Т = 200°С в течение одного часа. Прочность сцепления биоактивного покрытия с основой определяли методом центробежного отрыва [13] на центрифуге CM-6M, ELMI; центростремительное ускорение составляло 500 м/c². Адгезионную прочность Р покрытий на матрицах различной природы (титан, никель, керамика, стекло) и пористости рассчитывали в соответствии с формулой:

где m − масса покрытия, кг; ω − угловая скорость вращения в момент разрыва, с^–1; r – расстояние от центра масс до оси вращения центрифуги, м; S – площадь контакта покрытия и подложки, м².

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенные исследования позволили определить оптимальное соотношение раствор желатина : апатит = 1 : 0.5–1.2 (содержание ГАП/ФАП ~35–55 масc. %), позволяющее получить однородную пластичную суспензию, пригодную для формирования покрытия. При уменьшении содержания фазы апатита (соотношение раствор желатина: апатит составляет менее 1 : 0.5) суспензия становится чрезмерно разбавленной, что повышает вероятность не полного покрытия поверхности матрицы. При увеличении содержания кристаллической фазы (соотношение раствор желатина : апатит составляет более 1 : 1.2) не удается получить однородную суспензию, поскольку в ней сохраняются несмоченные раствором желатина частицы апатита.

Широкий концентрационный интервал ГАП/ ФАП позволяет использовать суспензию апатит–желатин (при содержании фазы апатита ≤35 масc. %) для получения тонких пленок с размером пор 100–400 мкм (рис. 1а), покрытий на поверхности компактных и пористых материалов (рис. 1б, табл. 1) и для формирования бескаркасных биодеградируемых структур (таблеток, гранул) из с суспензии с повышенной пластичностью (содержание ГАП/ФАП ~50–55 масc. %).

Следует отметить, что при использовании ∼5–10%-коллоидного ГАП в качестве компонента суспензии желатин–ГАП (в любых соотношениях) не удалось получить, пластичный однородный материал, пригодный для формирования покрытия.

Приведенные в табл. 1 данные по обработке матриц различной природы водно-желатиновой суспензией порошка ГАП указывают на хорошую адгезию покрытия вне зависимости от природы и пористости матрицы. Пористость в данном случае определяет количество нанесенного биоматериала, поскольку пористые матрицы “втягивают” внутрь основную часть суспензии. Выравнивание рельефа поверхности за счет заполнения порового пространства биоматериалом и утончения его слоя на ребрах ячеек приводит к увеличению микротвердости покрытия. Микротвердость покрытия на гладких компактных поверхностях возможно увеличить за счет повышения содержания ГАП в составе суспензии (табл. 1). Технологическая простота способа нанесения и возможность сформировать равномерное покрытие толщиной 150–300 мкм (рис. 2а) даже за счет однократной обработки поверхности не только на пористых, но и на гладких компактных подложках выгодно отличает суспензию желатин–ГАП от ранее разработанных материалов покрытий [12, 14] (рис. 2б, табл. 2). Незначительная пористость и дефекты образовавшегося покрытия ГАП–желатин (при необходимости) устраняются повторным нанесением суспензии.

Результаты проведенных сравнительных испытаний суспензии ГАП−желатин и ранее разработанного авторами покрытия на основе кристаллической суспензии ГАП [12], нанесенных на подложки из пористого титана (45%) и пористого никеля (95%), показали, что использование желатина в качестве связующего агента позволяет существенно сократить сроки формирования покрытия (табл. 3). Анализ данных РЭМ (рис. 3) позволяет сделать вывод о том, что при нанесении на подложку суспензии ГАП–желатин благодаря большей пластичности материала вследствие присутствия связующего агента, удается сформировать более однородное и равномерное покрытие по сравнению с ГАП-покрытием [12].

Образование более развитой поверхности при использовании в качестве материала покрытия суспензии, в состав которой входит желатин, также подтверждено методом БЭТ (табл. 4). Результаты сравнительной оценки прочностных характеристик материала свидетельствуют о том, что введение связующего агента в состав покрытия позволяет значительно повысить его адгезионную прочность (рис. 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведены исследования по подбору качественного и количественного состава материала покрытия, пригодного для нанесения на матрицы различной природы и пористости. В результате работы были получены композиты на основе пористых титана и никеля, пластин титана и никеля, стекла и керамики с покрытием, сформированным из водно-желатиновой суспензии порошка ГАП (содержание ГАП/ФАП ~35–55 маcс. %).

Показано, что введение связующего агента (желатин) позволяет существенно сократить сроки формирования покрытия, значительно повышает его адгезионную прочность и способствует образованию равномерной развитой поверхности не только на пористых, но и на гладких, в том числе стеклянных подложках.

Регулируя содержание ГАП в суспензии, можно наряду с покрытиями и тонкими пленками, получать бескаркасные биодеградируемые структуры из суспензий с повышенной пластичностью.

Полученные данные позволяют рекомендовать применение суспензии ГАП–желатин для получения покрытия образцов медицинского назначения [15 ] .