ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы создания биоактивных материалов нового поколения на основе фосфатов кальция в конструкциях тканевой инженерии при замене костной ткани, обладающих прочностными характеристиками, сопоставимыми с таковыми для трубчатой кости, и улучшенной биодеградации в организме (резорбции). В процессе эксплуатации в организме подобный материал играет роль первоначального опорного и направляющего элемента, в связи с чем возникают требования к прочности, а в дальнейшем – резорбируется в межтканевой жидкости организма и способствует росту костной ткани. Основной задачей, решаемой в рамках проекта, является разработка способа создания высокорезорбируемых мелкозернистых керамических композитов нового поколения с Са/Р<1.5 (фазового состава Са2Р2О7/Са3(РО4)2) для регенеративной медицины. Получение биокомпозитов нового поколения связано с решением следующего ряда задач: 1) Выбор прекурсора(ов), позволяющего получить биокомпозиты заданного фазового состава, и разработка методов их синтеза 2) Исследование процессов, сопровождающих термолиз прекурсора, с целью получения дисперсного, активного в процессах спекания порошка 3) Исследование процесса спекания порошков, позволяющее выбрать условия для получения как плотной, так и макропористой биокерамики. Общий план работ на весь срок выполнения проекта включает в себя: 1. Исследование процесса синтеза прекурсоров – брушита и ОКФ. 2. Изучение процесса термолиза слоистых фосфатов. 3. Исследование реологических свойств термолизованных прекурсоров. 4. Исследование процессов спекания. Настоящий проект нацелен на разработку способа создания высокорезорбируемых мелкозернистых керамических композитов нового поколения с Са/Р<1.5 (фазового состава Са2Р2О7/Са3(РО4)2) для регенеративной медицины. Существенным препятствием на пути создания подобной керамики является низкая скорость массопереноса, лимитируемая малоподвижными анионами РО43- и Р2О74-, которая фактически препятствует полноценному спеканию. Для получения активного к спеканию порошка смеси целевых фаз в работе был использован слоистый прекурсор – ОКФ. При его дегидратации с высокой скоростью давление водяных паров становится достаточным для межслоевой дефрагментации и «вспучивания» кристаллов, нарушения сплошности слоев, дробления их на нанокристаллы продукта, вплоть до полной аморфизации. Этот процесс уместно уподобить получению терморасширенного графита (пенографита) в результате термоудара. Для получения активных порошков фосфатов кальция этот прием впервые используется нами в данной работе. Варьируя условия термической обработки, был получен гомогенный прекурсор с необходимыми микроморфологией и реологическими свойствами, активный в процессах спекания. На его основе были приготовлены образцы высокопрочных композитов ТКФ/ПФК, биологические характеристики которых позволяют рекомендовать их для дальнейшего изучения в качестве костных имплантатов. Таким образом, наши представления в отношении перспективности применения слоистых прекурсоров полностью подтвердились при получении композитов ТКФ/ПФК с фиксированным Са/Р=1.33. В рамках годичного этапа 2013 г мы показали, что наши представления о возможности получения керамик с Са/Р>1.33 за счет интеркальрования ОКФ дикарбоксилатами подтвердились. Поэтому работа заключительного этапа будет направлена на детализацию синтеза интеркалированных ОКФ (с возможность получения Са/Р более 1.5 и керамик с фазовым составом ТКФ/ГА), а также уменьшение этого отношения – на работу с интеркалированным брушитом. Кроме того, предстоит получение макропористых образцов на основе разработанных прекурсоров. Подобное исследование не имеет аналогов в обозримой литературе по фосфатным биоматериалам

Апробированы различные методы синтеза октакальциевого фосфата (ОКФ). На основании исследовании кинетики его образования в результате гидролиза брушита, монетита (СаНРО4) или ТКФ в буферных растворах (рН=5–7; t=20-90°С, ацетатный, цитратный, сукцинатный, фосфатный буферы) определены условия воспроизводимого получения ОКФ в количестве достаточном для приготовления керамических биокомпозитов ТКФ/ПФК. Выявлена взаимосвязь условий гидролизного синтеза и морфологии кристаллов ОКФ и сопоставлена с описанными ранее габитусами ОКФ. Впервые проведен теоретический анализ эпитаксии ОКФ на различных кристаллографических плоскостях брушита и монетита, и на основании этих результатов в совокупности с экспериментальными данными электронной и атомно-силовой микроскопии указанных кристаллов на начальных степенях превращения в ОКФ показано, что роль брушита в синтезе октакальциевого фосфата может быть связана с возможностью гетерогенного зародышеобразования ОКФ на (010) грани брушитного кристалла. Установлена последовательность образования фосфатных фаз при нагревании ОКФ и на этой основе скорректирована существующая схема термолиза. Впервые детально изучено изменение микроморфологии порошков в процессе термолиза и показано, что превращению ОКФ→ТКФ+ПФК предшествует топотактическое образование дефектного апатитоподобного соединения с Са/Р=1.33, содержащего в своем составе пирофосфатные ионы. Низкотемпературный термолиз ОКФ при t<500ºС приводит к однофазному апатитоподобному прекурсору, сохраняющему морфологию исходного ОКФ и высокую гомогенность распределения основных компонентов. Специфическая пластинчатая морфология продукта низкотемпературного термолиза ОКФ позволяет получать при формовании текстурированные образцы, прочностные характеристики которых затем наследуются керамикой. Впервые показано, что термическая предыстория прекурсора ОКФ оказывает заметное влияние на процесс уплотнения и прочностные характеристики керамических композитов ТКФ/ПФК. Установлен оптимальный режим спекания продуктов низкотемпературного термолиза ОКФ, позволяющий получить керамику с высокой прочностью (до 127 МПа) и плотностью (до 86%) и минимизировать коалесценцию оставшихся пор. Предварительные биологические испытания показали, что композиты, полученные из продуктов термолиза ОКФ, не проявляют цитоксичности, обеспечивают адгезию, распластывание и пролиферацию фибробластов, и могут применяться в работах по тканевой инженерии 1) Определены условия получения иОКФ, исходя из брушита, с внедренным в межслоевое пространство брушитного слоя сукцинатным анионом (рН=5.5, Т=60ºС), при которых степень замещения х~0.5, что соответствует Са/Р=1.45 или ТКФ/ПФК=9/1. Увеличение рН до 5.75 приводит к кристаллизации примесной фазы ГА, вследствие увеличения Са/Р, уменьшение рН до 5.25 приводит к образованию брушита. Таким образом, интеркалированная сукцинатом ОКФ-фаза существует в узком интервале рН= 5.375(±0.125) – 5.625(±0.125) при 60ºС. Следует поставить два фундаментальных вопроса: а) возможно ли преодолеть значение х=0.67 (Са/Р=1.5) без выделения при кристаллизации ОКФ фазы ГА, б) существует ли зависимость х=f(pH, Т) и существуют ли другие средства управления составом иОКФ. Подобные результаты и вопросы представлены впервые, поскольку ранее получение иОКФ из брушита не проводилось. В литературе существуют неоднозначные результаты (Монма и др.), касающиеся получения иОКФ из α-ТКФ. Целесообразно попытаться воспроизвести эти результаты и сравнить с условиями синтеза иОКФ, исходя из брушита. Подобное исследование позволит привести дополнительные аргументы в отношении того, насколько фаза ОКФ, а также иОКФ является термодинамически метастабильной. 2) Термолиз брушита и ОКФ впервые исследован комплексом современных методов, таких как термоРФА, РЭМ и ПЭМ. Поставлено под сомнение существования фазы γ-ПФК с особой кристаллической структурой и предположено, что она является высокодисперсной формой ПФК, возникающей при дегидратации брушита с высокой скоростью. Несмотря на структурное родство брушита и ОКФ, термолиз ОКФ является уникальным процессом в ходе которого образуется высокодефектный апатитный прекурсор, существование которого подтверждено ПЭМ. Внедрение в межслоевое пространство ОКФ дикарбоксилатов, по-видимому, не меняет качественную картину термолиза, хотя продукты обладают заметно большей дисперсностью. В любом случае необходимо детальное микроскопическое исследование продуктов термолиза иОКФ; влияние на морфологию этих продуктов режимов термолиза (скорости нагрева, атмосферы). 3) Исследовано влияние условий термолиза (температура и скорость нагревания) на уплотнение и рост зерен в керамиках из ПФК и ПФК/ТКФ. В общем случае более высокие значения плотности (выше 70%) наблюдаются для керамик, полученных из продуктов разложения брушита, что может быть связано с большей дефектностью и пористостью соответствующих порошков, вследствие чего материал неплохо уплотняется при обжиге, несмотря на фундаментальные затруднения массопереноса в системах с конденсированными фосфатными анионами. Наибольшая усадка, более 20%, наблюдается для термолизавнных порошков брушита и ОКФ, полученных в результате быстрого нагрева до 600ºС, что, очевидно, связано с большей дефектностью соответствующих порошков. Порошки и ОКФ ведут себя похоже на порошки неинтеркалированного ОКФ, термолизованного при быстром нагреве. Разрушение в образцах пирофосфатной керамики носит исключительно транскристаллитный характер, в керамиках из термолизованного ОКФ при наблюдается как транскристаллитный, так и межкристаллитный скол. В целом, керамика из смеси ТКФ/ПФК, исходя из термолизованного ОКФ, значительно отличается от керамики из ПФК. Отмечена возможная корреляция малой усадки и высокой прочности, которая может быть связана с тем, что при больших величинах усадки в керамике накапливаются механические напряжения, релаксация которых может приводить к преждевременному растрескиванию образцов. Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что: а) Разработан метод синтеза иОКФ с внедренным сукцинатным анионом, путем гидролиза брушита в янтарном буферном растворе при t=60ºС и рН=5.5, позволяющий получать не менее 15 г порошка и ОКФ в единичном синтезе за время порядка 60 мин. б) Установлены режимы термолиза брушита и ОКФ для получения плотной керамик из ПФК и ТКФ/ПФК.