Новые перспективы в разработке тканеинженерных конструкций: биорезорбируемая остеокондуктивная керамика на основе фосфатов магнияНИР

New prospects in tissue engineering structures development: bioresorbable osteoconductive ceramics based on magnesium phosphates

Соисполнители НИР

ФГБОУ ВО МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет, Кафедра Неорганической химии Координатор

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 29 декабря 2023 г.-31 декабря 2024 г. Новые перспективы в разработке тканеинженерных конструкций: биорезорбируемая остеокондуктивная керамика на основе фосфатов магния
Результаты этапа: Согласно планам работ на первый год выполнения проекта был предложен новый химический подход для разработки остеоиндуктивных фосфатов магния в качестве костезамещающего материала. Синтезированы порошки фосфатов магния как классическими методами синтеза, твердофазным и растворным, так и новыми разработанными методами пиролиза аэрозолей, золь-гель методом, синтезом из неводных растворителей (этиленгликоля, спирта), которые, после соответствующих физико-химических исследований, были проанализированы на предмет создания высокопористых керамических материалов методами 3D печати. Были определены условия получения фосфатов магния из растворов, где продукты реакции зависят от поддерживаемого pH (pH=9, 7.5-9) и ионного состава (Mg2+, Na+, NH4+) при фиксированных концентрациях, времени проведения и температуре синтеза. Гарантированно получить однофазный ортофосфат магния возможно в результате растворного синтеза из фосфорной кислоты и оксида магния. Так как растворный метод приводит к инконгруэнтному осаждению порошков фосфатов магния, были разработаны другие методы синтеза фосфатов магния, например, золь-гель метод, в результате которого были получены высокоактивные порошковые прекурсоры для создания керамических материалов. Однако получаемые порошки могут содержать остаточный углерод, который начинает удаляться только, начиная с температуры 1000 оС. Метод пиролиза аэрозоля может быть использован для получения мелкодисперсных высокоактивных порошковых прекурсоров заданного состава, которые могут быть использованы для получения мелкокристаллической керамики с высокими прочностными характеристиками. Была проведена апробация методов синтеза из неводных растворителей, таких как 95% этанол C2H5OH и 99,9% этиленгликоль C2H6O2. Так как в неводных растворителях присутствует 0,01-5% воды, а также прекурсоры могут содержать кристаллизационную воду, то данные синтезы нельзя считать полностью безводными. Из-за сложностей контроля параметров синтеза контролировать фазовый состав не представляется возможным. В результате образуются неоднофазовые продукты реакции, после обжига преимущественно состоящие из ортофосфата магния и пирофосфата магния в разном соотношении. Наиболее упоминаемым способом получения ортофосфата магния является твердофазный синтез из оксида и пирофосфата магния. Преимущество этого метода состоит в отсутствии побочных твердофазных продуктов реакции и простоте его осуществления. Чтобы получить однофазный стехиометрический продукт, был осуществлен многостадийный синтез прекурсоров путем высокотерпературного обжига струвита и основного карбоната. Все отработанные методики синтеза порошков фосфатов магния, позволяют получать порошки с гранулометрией, пригодной для дальнейшего наполнения фотосуспензий для изготовления высокопористых керамических материалов методами 3D-печати, среди которых перспективными выглядят твердофазный метод, метод пиролиза аэрозоля и золь-гель метод в силу возможности большего контроля продуктов реакции и отсутствия кристаллизационной воды в структуре, при которой нужна дополнительная термообработка. Литературные данные по фазовым равновесиям в системе Mg3(PO4)2-Mg2P2O7 сильно расходятся. В связи с этим была проведена работа по уточнению квазибинарного разреза фазовой диаграммы данной системы по совокупности данных ДТА и дилатометрического анализа, были выбраны режимы термообработки. Для получения плотных керамических материалов из порошковых составов были отработаны различные режимы спекания, подобрана спекающая добавка, исследована их плотность, фазовый состав продуктов спекания. Показано, что для достижения оптимального результата в некоторых случаях необходимо провести предварительную термообработку порошков, в ходе которой удаляются все газообразные продукты, однако в случае высокотемпературных режимов и длительных временах выдержки различия не существенны. Например, оптимальным вариантом спекания эвтектического состава является использование температуры 1200оС с небольшими временами выдержки (3 часа), при этом плотность возрастает до 95%. Был осуществлен подбор спекающей добавки: при спекании пирофосфата магния при температуре 1100оС в течение 3 часов введение метафосфата (10%) не приводит к уплотнению керамики (плотность ~65%), что может быть связано с конвертацией метафосфата в пирофосфат магния за счет пирогидролиза фосфорной кислоты, а введение ортофосфата (10%) позволяет получить образцы с плотностью около 88%. Обобщение полученных данных даёт основание утверждать, что эвтектический состав - наиболее перспективный для изготовления керамики с высокой плотностью. Механические испытания образцов спеченной керамики из порошков, полученных посредством золь-гель метода, демонстрируют гораздо более высокий предел прочности в 23±3МПа по сравнению с классическим твердофазным методом - 5±1 МПа. Наиболее высокие значения плотности во всех случаях достигаются для материалов, полученных спеканием порошкового прекурсора, синтезированного методом пиролиза аэрозоля. Был проведен подбор архитектуры остеокондуктивных прототипов имплантатов путем варьирования пористости каркаса со значениями 60, 70 и 80%, исследовано три типа структур, ориентированных вдоль направления (100): простейшая решетчатая структура с цилиндрическими каналами, структура Кельвина и односторонний гироид, исследована их проницаемость. Наибольшую проницаемость показывает структура решетчатого типа с прямыми каналами. Структура гироида показывает чуть меньшие значения проницаемости за счет более извилистых пор (спиралевидных). Структура Кельвина продемонстрировала наименьшие значения. Проводили механические испытания при сжатии напечатанных моделей с различной архитектурой порового пространства. Гироид показывает наименьшие прочностные характеристики, решетчатая структура показывает значительно больший предел прочности при пористости 60 и 70%, который, падает до аналогичных значений при 80%. Для структуры Кельвина характерны наивысшие прочностные характеристики при пористости 60%. На основании полученных данных, стоит отметить, что подбор архитектуры прототипа имплантата следует осуществлять для каждого случая индивидуально (персонализировано) с учётом особенностей и характеристик. Полученные фосфаты магния пригодны для создания высокопористых керамических структур для костных имплантатов методом стереолитографической 3D печати. Определены температура и время изготовления (900 ºC, 12 часов) и проведена пробная печать однофазной магнийфосфатной пористой керамики со структурой Кельвина. Все запланированные в отчетном году научные результаты достигнуты. Полученные результаты представлены на отечественных и международных конференциях, а также в виде 1 обзорной статьи в рецензируемом научном журнале Неорганические материалы (Inorganic materials). Ссылка на информационный ресурс в сети Интернет (url-адреса), посвященный проекту: https://istina.msu.ru/projects/631903030/.
2 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Новые перспективы в разработке тканеинженерных конструкций: биорезорбируемая остеокондуктивная керамика на основе фосфатов магния
Результаты этапа: В результате 2-го года выполнения проекта, в 2025 году, будут: завершены работы по изучению параметров синтеза порошковых прекурсоров, влияющих на их микроморфологию, проведена сравнительный анализ синтеза, золь-гель и пиролиза аэрозоля, выбран наиболее перспективный для 3D печати. - завершены работы по созданию модельных (плотных) образцов керамики для дальнейших механических испытаний и исследована их растворимость в модельных растворах. - определены основные параметры стереолитографической печати для создания остеокондуктивных керамических материалов с заданной архитектурой порового пространтсва. - исследованы механические свойства изготовленных на предыдущих этапах плотных и пористых материалов. Получены механические параметры, такие как, предел прочности, микротвердость, модуль Юнга. - даны рекомендации по дальнейшему использованию in vitro и in vivo. - написан годовой и итоговый отчёт. Полученные результаты будут представлены на отечественных и международных конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов 2025 г.», г.Москва; XXVIII Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием), г. Нижний Новгород; XV Конференция молодых учёных по общей и неорганической химии, г. Москва; XXIII Всероссийская школа-конференция молодых учёных «Актуальные проблемы неорганической химии», Красновидово (Можайский район Московской области); IX Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее»; 10th International Congress on Biomaterials and Biosensors (BIOMATSEN, Turkey; возможно: X Conference of the European Ceramic Society, 2025 г.; The young Ceramists Additive Manufacturing Forum 2025 г. и др. А также в виде статей в отечественных и зарубежных материаловедческих журналах, например: Неорганические материалы - импакт-фактор РИНЦ=1.204, переводимых издательством Springer (Inorganic materials импакт-фактор=0.907); Перспективные материалы IF=0.416, переводная Inorganic Materials: Applied Research; Стекло и керамика IF=0.575, переводная Glass and Ceramics IF=0.668; Journal of the European Ceramic Society импакт-фактор=3,411 (Q1); ACS Biomaterials Science and Engineering импакт фактор=4.432 (Q1), Mendeleev Communication и других по тематике «керамика» и «биоматериалы». Всего будут опубликованы не менее 4 статей: 1- 2024 г., 3- 2025 г.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".