ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы улучшения прочностных характеристик керамических костных имплантатов со специальной архитектурой. В настоящее время придание керамическому имплантату остеокондуктивных свойств подразумевает его 3D-печать в виде специальной структуры с большим количеством открытых связанных макропор (от 60 до 90%), что неизменно ведет к резкому падению прочности имплантата. Решение проблемы потери прочности связано с применением альтернативных способов получения керамики, например, реакционного спекания. Целью данного проекта является получение керамических остекондуктивных имплантатов на основе фосфатов кальция и щелочных металлов (калия и натрия) общей формулой Ca3-x(KyNa1-y)2x(PO4)2 с уровнем прочности не менее 1 МПа при уровне пористости более 70%.

The project focuses at solving of the fundamental problem of the strength characteristics improving for ceramic bone implants with a special architecture. At present, osteoconductive properties of a ceramic implant are implied by 3D-printed form with a special structure with a large number of open connected macropores (from 60 to 90%). Due to this fact the strength of the implant is decrease. The solution of strength losing problem is associated with the using of alternative methods for the preparation of ceramics, for example, reaction sintering. The aim of this project is producing ceramic osteoconductive implants based on calcium phosphates and alkali metals (potassium and sodium) with the general formula Ca3-x(KyNa1-y) 2x(PO4)2 with a strength level at least 1 MPa with a porosity level more than 70%.

Основным результатом исследования будет керамика состава Ca3-x(KyNa1-y)2x(PO4)2 и прочности не менее 1МПа, зависимость прочности от способа получения плотной и макропористой керамики. Это позволит в дальнейшем распространить полученную закономерность на другие кальций-фосфатные системы. Кроме этого, результатом также будет являться знание закономерностей протекания процесса спекания в смешанных фосфатах кальция и щелочных металлов (калия и натрия). В частности, определение оптимального способа (режима) получения керамических материалов, что позволит в дальнейшем использовать эти знания при получении достаточно прочных керамических имплантатов с уникальной архитектурой. Помимо прочего, фундаментальным результатом проекта будет являться знание фазовых отношений в системах CaK4(PO4)2-CaNa4(PO4)2 и CaK2P2O7- CaNa2P2O7. В дальнейшем это позволит прогнозировать поведение материалов при изменениях температуры или состава, что, в свою очередь, даст возможность получать материалы с лучшими свойствами.

Научная группа, в которой планируется проводить исследование, обладает большим опытом в исследовании керамики и фазовых равновесий субсолидусных областей в различных системах. Профессиональные интересы коллектива связаны с производством керамики, исследование фазовых диаграмм, аддитивными технологиями, прочностными характеристиками материалов. Так ранее, как часть различных проектов (РНФ № 14-19- 00752, РФФИ № 14-08-31699), были исследованы различными методами (в том числе термическими, рентгенографическими и спектроскопическими) диаграммы систем Ca3(PO4)2-CaNaPO4 и Ca3(PO4)2-CaKPO4, CaKPO4-CaNaPO4. Также в ходе предыдущих исследований были исследованы закономерности получения керамики на основе Ca3-xM2xPO4 (M=K, Na), оценены энергии активации роста зерен, с помощью программного комплекса NETZSCH Proteus определены параметры спекания для материалов на основе Ca3(PO4)2. Разработанные методы спекания для трикальциевого фосфата позволили получать керамические изделия сложной формы, где равномерная скорость усадки в течение всего времени термообработки является принципиальным моментом. Для проведения заявленного исследования научная группа располагает оборудованием для рентгенофазового анализа, термического и термомеханического анализа, электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, различных механических испытаний.

В ходе выполнения проекта были синтезированы различные смешанные фосфаты кальция и щелочных металлов (калия и натрия) методами реакционного спекания. Были исследованы особенности спекания указанных соединений, в том числе изучена микроструктура и плотность полученных керамик. Методом реакционного спекания напечатанных методом стереолитографии изделий были также получены керамические макропористые формы. Исследованы зависимости механических свойств керамических скаффолдов от состава исходной смеси для реакционного спекания.