Биокомпозиты на основе наполненных фосфатами полиоксоалканоатов со сложной архитектурой, полученные методом термоэкструзионной трехмерной печатиНИР

-

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 4 февраля 2015 г.-25 декабря 2015 г. Биокомпозиты на основе наполненных фосфатами полиоксоалканоатов со сложной архитектурой, полученные методом термоэкструзионной трехмерной печати
Результаты этапа: В течение первого года (2015 г) были синтезированы порошки аморфного фосфата кальция (АФК) методом осаждения из раствора, была проведена его термообработка при различных температурах для получения трикальциевого фосфата с частицами различного размера. Была проведена подготовка полимеров из полилактида и поликапролактона для экструдирования: нанесение порошков фосфатов на поверхность гранул или хлопьев полимера, наполнение гранул или хлопьев при осаждении из суспензии фосфата в растворе полимера. Были получены корды для 3D-принтера из наполненных синтезированными фосфатными порошками полимеров и порошков фосфатов кальция, определены параметры трехмерной печати изготовленными кордами.
2 10 января 2016 г.-25 декабря 2016 г. Биокомпозиты на основе наполненных фосфатами полиоксоалканоатов со сложной архитектурой, полученные методом термоэкструзионной трехмерной печати
Результаты этапа: В соответствии с заявленными целями, общим планом работ по проекту и обсуждением результатов 2015 года со специалистами в области биокерамики и фосфатов кальция, в 2016 году были получены следующие результаты: 1) синтезированы порошки фосфатов кальция с Са/Р=1 – ПФК и АПФК, получены их смеси с ТКФ, определена их гранулометрия. 2) используя синтетические полученные порошки фосфатов кальция, получены наполненные ими полимерные корды и напечатаны макропористые прототипы имплантатов сложной разнообразной архитектуры и различного масштаба. 3) проведены работы по определению параметров технологии термоэкструзионной трехмерной печати наполненными полимерами ПКЛ/ПЛ. 4) дополнительная обработка напечатанных моделей в растворах позволяет получить макропористые имплантаты с модифицированной развитой поверхностью. Аналогов таких материалов в мире настоящее время не существует. 1) Синтез порошков фосфатов кальция с Са/Р=1 – ПФК и АПФК, гранулометрия; Для получения изделий из наполненных полимеров предполагалось использовать синтетические порошки фосфатов кальция (ФК), в которых соотношение Са/Р лежит в интервале 1 – 1,5. Способность порошков к резорбции возрастает при уменьшении этого отношения, кроме того, высокотемпературные полиморфные модификации одноименных фосфатов кальция являются более резорбируемыми по сравнению с низкотемпературными, а аморфные формы фосфатов кальция в свою очередь более резорбируемы, чем кристаллические аналоги. Таким образом, на данном этапе выполнения проекта осуществлялся синтез порошков фосфатов кальция с Са/Р=1 – ПФК и АПФК и их смесей ТКФ и их сочетания позволяют сформировать материал с практически любой способностью к резорбции в широком диапазоне ее изменения. Соотношению Са/Р=1 соответствуют следующие фосфаты кальция: брушит СаНРО4•2Н2О, монетит СаНРО4; гидратированный пирофосфат кальция Са2Р2О7•хН2О; пирофосфат кальция Са2Р2О7 в виде ?-и ?-модификаций. Соотношению Са/Р=1,5 соответствуют следующие фосфаты кальция: гидратированный трикальцийфосфат Са3(РО4)2•хH2О; трикальцийфосфат Са3(РО4)2 в виде ?-и ?-модификаций. Гидратированные порошки фосфатов кальция заданного состава и гранулометрии синтезировали из водных концентрированых растворов солей, позволяющих получать продукты с биосовместимыми или легко удаляемыми сопутствующими продуктами синтеза. Безводные порошки фосфатов кальция предполагается получать в результате термической конверсии гидратированных синтетических порошков. Для синтеза гидратированного трикальцийфосфата Са3(РО4)2•хH2О - аморфного фосфата кальция (АФК), ранее была использована реакция: 3Са(СН3СОО)2 + 2(NH4)2HPO4 + xH2O = Са3(РО4)2•хH2Оv + 4NH4СН3СОО^ + 4HСН3СОО^ Для синтеза гидратированного пирофосфата Са2Р2О7•хН2О – аморфного пирофосфата кальция (АПФК), была использована реакция: Na4P2O7 + 2CaCl2 + xH2O = Са2Р2О7•хН2Оv + 4NaCl Экспериментальные результаты прибавления с постоянной скоростью 0.5М раствора CaCl2 к 0.25М растворам пирофосфатов натрия (рис. 1) демонстрируют падение рН из щелочной области (щелочная рН за счет гидролиза пирофосфата Na4Р2О7 + 2Н2О - Na2Н2Р2О4 + 2 NaОН, поскольку рК4 для пирофосфорной кислоты составляет величину 10.03, что сопоставимо с последней константой для ортофосфорной кислоты рК3=12.3) вследствие связывания пирофосфатных ионов в ПФК. Качественно расчетная кривая титрования воспроизводит экспериментальные результаты с характерным падением рН в точке эквивалентности (единственно, на экспериментальной кривой не успевает регистрироваться начальное падение рН вследствие освобождения протонов из протоноированных форм пирофофатных ионов при связывании их в комплекс типа СаР2О72-). Причем, расчетное конечное значение рН=7.2 для титрования пирофосфатом натрия (рис. 2) согласуется с экспериментальным значением 7.8-8.8. Рис. 1. Изменение рН при титровании с постоянной скоростью 0.5М раствора CaCl2 к 0.25М раствору пирофосфата натрия. Рис. 2. Расчетная кривая титрования 0.25М раствора Na4P2O7 раствором CaCl2. При синтезе АПФК большое значение имеет рН раствора и порядок прибавления реагентов. При высоких значениях рН (более 8-9) образование устойчивых комплексов может привести а) к существенной неполноте осаждения АПФК, б) способствовать его перекристаллизации в кристаллогидраты, которые имеют большие размеры частиц (более 1 мкм). Во избежание условий избытка пирофосфатных ионов (это приводит к образованию устойчивых пирофосфатных комплексов в растворе) целесообразно прибавлять раствор соли пирофосфата к раствору кальциевой соли. Значительное понижение рН при осаждении может привести к формированию АПФК с определенной долей протонированных пирофосфатных ионов, что эквивалентно снижению Са/Р. Первичные частицы АПФК практически изометричны и имеют размеры 100-200 нм (рис. 3), они собраны в агрегаты с наиболее вероятным размером порядка 10-20 мкм. Морфология АПФК, как и в случае АФК, определяется фундаментальными кристаллохимическими факторами строения аморфного осадка – строением его основных единиц. В случае АФК – это кластеры Познера Са9(РО4)6, в случае же АПФК – строение соответствующих кластеров пока не известно. Кластеры Познера (в зависимости от степени гидратации и деталей модельного расположения атомов) относятся к тригональному классу по симметрии от C3 до S6, и их архитектура прослеживается в структурах кристаллов ГАП и ?-ТКФ; можно предположить, что архитектура пирофосфтных кластеров также должна быть видна в структурах соответствующих кристаллических пирофосфатов, например, ?-ПФК, тогда его формула Са8(Р2О7)4, и он принадлежит к диэдральному классу по симметрии от С2 до S4. Такой пирофосфатный кластер является менее симметричным, менее компактным, чем кластер Познера; упорядоченная укладка таких кластеров с образованием дальнего порядка в кристаллических пирофосфатах менее вероятна. Именно по этой причине образование АПФК происходит при осаждении из растворов практически всегда и не требует ни больших пересыщений, ни снижения температуры, ни специальных добавок, замедляющих кристаллизацию, как это применяется в случае получения АФК. РФА АПФК и АФК демонстрирует сходство строение осадков – максимальный пик аморфного галло в области 2?=30°, который отвечает расстояниям Са-Са; и слабое различие в области 2?=40-50°, связанное с расстояниями Са-О, Р-О и Са-Р (рис. 4). Рис. 3. Микроморфология АПФК, полученного из растворов CaCl2 и Na4Р2О7. а б Рис. 4. РФА свежеосажденных а) АПФК, б) АФК Схожесть микроструктуры АПФК и АФК может быть выявлена методом ПЭМ (рис. 5). а б Рис. 5. ПЭМ-микрофотографии порошков а) АПФК, б) АФК Представленные микрофотографии позволяют считать рассматриваемые аморфные фосфаты мезопористыми телами с размерами пор 10-20 нм, первичные частицы имеют размеры порядка 50 нм, и они объединены в плотные агрегаты с размерами порядка 100-200 нм. Именно эти плотные агрегаты регистрируются, как первичные частицы при анализе порошков методом РЭМ (рис. 3). Следует также отметить, что на ПЭМ-изображении АПФК (рис. 5а) заметна зернистая структура частиц, в особенности на тех из них, которые выведены из оптимального дефокуса. Данный дифракционный контраст с характерный периодичностью порядка 1-2 нм вероятнее всего вызван разориентированными кластерами АПФК, что вполне согласуется с их размерами, оцененными из рассмотрения структуры кристаллического ?-ПФК. При термообработке АПФК происходит удаление воды и захваченного сопутствующего продукта реакции. Типичная термограмма АПФК позволяет выделить три температурных области (рис. 6): Рис. 6. Термограмма порошка АПФК 1) 20-200°С: удаление слабосвязанной воды и начало удаление СПР 2) 200-400°С: разложение гидрофосфатных ионов 2НРО42- >Р2О74- + Н2О и пиролиз СПР 3) 400-600°С: эта стадия присутствует и на тщательно промытых осадках АПФК, что позволяет утверждать, что ее наличие связано с существованием структурно-связанной воды. Кристаллизация АПФК наступает, судя по экзоэффекту при 600°С, после прохождения этой температуры, причем кристаллизуется фаза ?-ПФК. Таким образом, термогенез ПФК: АПФК > ?-ПФК (500-700°С) > ?-ПФК (1180-1200°С), качественно отличается от такового для ТКФ, где появляется промежуточная метастабильная фаза высокотемпературного полиморфа: АФК > ?-ТКФ (500-600°С) > ?-ТКФ (700-900°С) > ?-ТКФ (1200-1400°С). Пирофосфат кальция Са2Р2О7 в виде ?-модификации также был получен в результате термической конверсии при 700 ?С соответственно порошков брушита, синтезированных по реакции: Са(NO3)2 + (NH4)2HPO4 + 2H2O = СаНРО4•2Н2Оv + 2NH4NO3 Частицы ПФК наследуют после термообработки пластинчатую форму частиц брушита. Представленная ниже схема отражает последовательность превращений брушита в ПФК: CaHPO4•2H2O > 2СаНРО4 > Ca2P2O7 Термический анализ нагревания брушита (рис. 7) в сочетании с РФА позволяет представить следующий термогенез: CaHPO4•2H2O (150-200°С)> 2СаНРО4 (400°С) > ?-Ca2P2O7 (600-700°С)> ?-Ca2P2O7 (1180°С) > ?-Ca2P2O7 Рис. 7. Термограмма брушита. Учитывая двухстадийность процесса получения порошка пирофосфата кальция (т.е. первоначальное осаждение брушита, а затем их термолиз), размером частиц можно управлять не только на первом этапе синтеза брушита, но и на втором этапе – на этапе термообработки. Среди параметров, которыми можно управлять при термообработке, можно выделить температуру и длительность обжига, а также скорость нагрева. Увеличение температуры обжига и его длительности может привести к припеканию частиц пирофосфата кальция, что непременно увеличит прочность агрегатов и проявится в интегральных характеристиках порошка, например, при проведении седиментационного анализа либо анализа методом динамического рассеяния света. Поэтому температуру термообработки и ее длительность необходимо выбирать минимальной, но достаточной для протекания реакции разложения. Скорость нагрева также оказывает влияние на размер частиц поучаемого пирофосфата кальция. При разложении брушита образуется большое количество водяного пара. Если скорость нагрева будет большой, то пар образуется очень быстро и разрывает частицы, тем самым позволяет получить мелкодисперный порошок. Рис. 8. Микрофотография порошка ПФК, скорость нагрева 5 °С/мин. Получен из брушита. Рис. 9. Распределение частиц полученного ПФК по размерам. Таким образом термолизом осажденного из раствора брушита был получен ПФК. При этом кристаллиты собраны в агрегаты со средним размером 20 мкм, размеры и форма которых унаследованы от первичных кристаллов брушита. Осаждение брушита из растворов требует рН=3-5.5. Оптимальным представляется быстрое приливание 0.5М Ca(NO3)2 к эквимолярному раствору (NH4)2HPO4 при комнатной температуре. Подходы, реализованные при синтезе порошков фосфатов кальция, предназначенных выступить в роли наполнителя в полимерном композиционном материале, гарантируют получение заданного фазового состава, обеспечивают получение заданного гранулометрического состава порошков. При этом сопутствующие продукты реакции будут биосовместимыми (NaCl) или удаляемыми при получении, хранении (NH4СН3СОО, HСН3СОО) или термообработке (NH4 NO3). 2) Получение кордов для 3D-принтера и печать из наполненных синтезированными фосфатными порошками полимеров методом экструзии; Получение кордов для 3D-принтера из наполненных синтезированными фосфатными порошками полимеров методом экструзии включает в себя получение гранул (хлопьев) из порошков фосфатов и полимера (ПКЛ, ПЛ, их смеси), получение кордов, наполненных фосфатом и отработку параметров печати наполненными поликапролактоном и смесью полилактида/поликапролактона. Причем температуру экструзии следует уменьшать по мере увеличения доли ФК в композите. Из сформованных композитных кордов на основе термопластичный полимер/синтезированный фосфат кальция по схеме, отработанной ранее, были получены следующие трехмерные структуры периодической решетчатой структуры в форме параллелепипеда с размерами ячеек 10?10?2 мм (малая), 30?30?4 мм (большая) и более сложной структуры Кельвина состава 100%ПЛА/0%ФК, 80%ПЛА/20%ФК, 50%ПЛА/50%ФК и 50%ПКЛ/50%ФК на термоэкструзионном принтере Ultimaker с максимальным разрешением до 100 мкм (рис. 10). а) б) в) Рис. 10. 3D периодические напечатанные структуры (слева направо): а) малая периодическая решетчатая структура состава 80%ПЛА/20%ФК, структура Кельвина состава 80%ПЛА/20%ФК, большая периодическая решетчатая структура состава 50%ПКЛ/50%ФК; б) структура Кельвина состава 100%ПЛА/0%ФК, 80%ПЛА/20%ФК, 50%ПЛА/50%ФК; в) малая периодическая решетчатая структура состава 100%ПЛА/0%ФК, структура Кельвина состава и 50%ПЛА/50%ФК. Кроме того на данном этапе работы отрабатывалось получение хлопьев из порошков фосфатов и смеси полимеров полилактида/поликапролактона следующего состава: 75%ПЛА/25%ПКЛ +30масс.%ФК, 50%ПЛА/50%ПКЛ +30масс.%ФК, 25%ПЛА/75%ПКЛ +30масс.%ФК (рис. 11). а) б) в) Рис. 11. Композитные хлопья из смеси полимеров полилактида/поликапролактона и порошка фосфата кальция следующего состава: а) 75%ПЛА/25%ПКЛ +30масс.%ФК, б) 50%ПЛА/50%ПКЛ +30масс.%ФК, в) 25%ПЛА/75%ПКЛ +30масс.%ФК. Была исследована микроструктура полученных композитов (рис. 12). Рис. 12. Типичная микроструктура композитных хлопьев из смеси полимеров полилактида/поликапролактона и порошка фосфата кальция на примере состава 50%ПЛА/50%ПКЛ +30масс.%ФК. На микрофотографии явно различимы области расслоения двух полимеров. Таким образом, полилактид и поликапролактон при печати в термоэкструзионном варианте ведут себя как несмешивающиеся полимеры. И дальнейшая печать из смеси этих полимеров не представляет большого интереса. ? 3) Дополнительная обработка напечатанных моделей для получения макропористых имплантатов с модифицированной развитой поверхностью Помимо связанной системы макропор, являющейся необходимым условием, улучшение остеокондуктивных свойств имплантата, нужно еще наличие шероховатости поверхности с характерным масштабом рельефа 1-10 мкм для обеспечения адгезии и распластывания остеогенных клеток. В полимерных композитах способы задания поверхностного рельефа должны исключать термическое воздействие из-за относительно низких температур плавления самих полимеров. В работе планировалось реализовать дополнительную обработку отпечатанной модели в растворах, что позволит придать поверхности композиционного имплантата необходимый рельеф. Возможны три варианта дополнительной обработки: 1) растворение самого кальцийфосфатного наполнителя в растворах лимонной кислоты (возможно с различной концентрацией), 2) ионное травление в низкотемпературной плазме, 3) конверсия поверхностных частиц минерального наполнителя в кристаллы других фосфатов кальция в процессе гидролитической обработки в растворе, 4) обработка в растворах, имитирующих состав межтканевой жидкости 1*SBF, 5*SBF с различной концентрацией ионов с целью осаждения биоактивного слоя гидроксиапатита (карбонатгидроксиапатита), так как помимо улучшения шероховатости, присутствие таких кристаллов на поверхности повышает остеоиндуктивный потенциал материала. Возможна также их комбинация. Первый, второй, а также последний способы представляются весьма перспективными для улучшения шероховатости напечатанных прототипов материала. На этом этапе выполнения проекта, наряду с модификацией поверхности композитов ?-ТКФ/ПКЛ и ?-ТКФ/ПЛА проводилось исследование изменения её гидрофильности с помощью определения краевого угла смачивания. Для начала в качестве модификации шероховатости поверхности было выбрано ионное травление в низкотемпературной плазме в режиме постоянного тока (DC, 5мА, 500кВ, плазмообразующий газ - воздух) в течении 5, 15 и 30 минут, травление в лимонной кислоте, а также осаждение гидроксиапатита на поверхность из 5•SBF. Установлено, что травление в плазме приводит к значительному изменению краевого угла смачивания. При небольшом времени обработки (5 мин.) гидрофильность композита ?-ТКФ/поли(?-капролактон) улучшается, а при увеличении времени обработки наблюдается обратный эффект (рис. 13). Это связано с тем, что при небольшом времени обработки на поверхности таблетки появляются под воздействием плазмы карбоксильные функциональные группы, которые создают ионный слой на поверхности полимера и улучшают его взаимодействие с водой, а при длительном воздействии плазмы, видимо, происходит деструкция полимера, продукты которой ухудшают смачиваемость поверхности. Рис. 13. Схематическое изображение измеряемого краевого угла смачивания на поверхности композитной таблетки. Изменение краевого угла смачивания таблеток ?-ТКФ/поли(?-капролактон) под воздействием низкотемпературной плазмы. В случае композита ?-ТКФ/поли(D,L-лактид) наблюдается похожая зависимость краевого угла от времени обработки в плазме (рис. 13а). Однако максимальная гидрофильность поверхности достигается при 15 минутах выдержки, что связано со структурными различиями между полимерами. Полилактид является более жёстким полимером с механической (модуль Юнга) и физико-химической (Тпл, растворимость) точки зрения. На рис. 13б видно, что обработка композитных таблеток в лимонной кислоте (0.5M) приводит к уменьшению краевого угла смачивания, однако интересно заметить, что наиболее заметное уменьшение краевого угла происходит при травлении поверхности таблетки из чистого поли(D,L-лактид)а, а наименьшее при травлении поверхности композитной таблетки 0% ?-ТКФ/ 100% поли(D,L-лактид), что говорит нам о том, что происходит травление и образование функциональных групп поли(D,L-лактид)а, которые и приводят к значительному улучшению гидрофильности поверхности, также дополнительный вклад вносит растворение ?-ТКФ с последующим образованием комплексов цитрат-анионов и катионов кальция. а) б) Рис. 13. Изменение краевого угла смачивания таблеток ?-ТКФ/поли(D,L-лактид) под воздействием низкотемпературной плазмы (500В, 5мА) при различном времени обработки поверхности (а), травление в 0.5M лимонной кислоте поверхности композита ?-ТКФ/поли(D,L-лактид). Далее в качестве модификации напечатанных на 3D-принтере периодических структур использовали обработку в низкотемпературной плазме (500В, 5 мА) в течение 5, 15 и 30 минут, далее выдерживали в растворе 5•SBF в течение 1, 3 и 7 дней. Объем образцов: ~105 мм3, поверхность: ~1090 мм2. а) б) в) Рис. 14. Изменение массы напечатанных периодических структур, обработанных в низкотемпературной плазме (500В, 5 мА) в течение 5, 15 и 30 минут, после выдерживания в растворе 5•SBF в течение 1, 3 и 7 дней. Данные для чистого ПЛА (а), композита с массовым содержанием ТКФ 20% (б) и 50% (в). На рис. 14 представлены данные по изменению массы до и после осаждения в 5•SBF. Видно, что длительная обработка в плазме (30 минут) приводит к ухудшению гидрофильности (рис. 14а) и, следовательно, к меньшему осаждению гидроксиапатита на поверхности чистого полимера (ПЛА) и композитов (ТКФ/ПЛА). Наибольшее осаждение наблюдается при 15 минутах обработки в плазме, что согласуется с рис. 14а. Для композита на рис. 14б сначала лучше происходит осаждение на образце после 5 минут обработки в плазме (1 и 3 дня), а далее (7 дней) толщина слоя растет у образца после 15 минут обработки в плазме, что может быть связано с влиянием увеличения содержания трикальциевого фосфата в композите. При увеличении времени выдержки в растворе 5•SBF происходит постепенное увеличение осаждённого на поверхности гидроксиапатита. На рис. 15 представлены микрофотографии поверхности композитных структур, напечатанных на 3D-принтере, которые подверглись вымачиванию в растворе 5•SBF. На рис. 15а представлена поверхность образца из чистого поли(D,L-лактид)а, где видно, что присутствуют трещины и выпуклости, что, вероятно, связано с влиянием неравномерности охлаждения конструкции при 3D-печати или деформациями нанесённого катодным напылением проводящего слоя золота (~ 50-100 нм). На рис. 15б видна пористая (ажурная) поверхность из осаждённых агрегатов гидроксиапатита примерно одинакового размера, сгруппированных в виде сфер, контактирующих друг с другом, и состоящих из ГАП пластин, ориентирующихся перпендикулярно поверхности осаждения, перекрывающихся между собой На рис. 15в видно несплошное покрытие агрегатами гидроксиапатита поверхности композита ТКФ/ПЛА, который при более длительном времени выдержки будет разрастаться и перекрываться между собой, создавая сплошное покрытие на поверхности напечатанной конструкции. На рис. 15г представлены агрегаты, полученные при длительном времени выдержки в растворе 5•SBF (7 дней). Видно, что некоторые области агрегатов имеют разные по степени сформированности кристаллиты в своей структуре, что может быть связано с разным временем зарождения и формирования кристаллитов, а также, вероятно, связано с Оствальдовским созреванием. Стоит отметить, что если сравнивать рис. 15б (1 день выдержки в растворе 5•SBF) и 15г (7 дней выдержки в растворе 5•SBF), то видно, что при 7 днях выдержки образуются сферические агрегаты кристаллитов гидроксиапатита большего размера (~ 10-20 мкм). Рис. 15. Микрофотографии поверхности композитов (ТКФ/ПЛА), модифицированных осаждённым гидроксиапатитом из раствора 5•SBF: поверхность чистого полимера (а), пористая поверхность осаждённого слоя (б), островковое зародышеобразование на поверхности композита (в), поверхность при длительном выдерживании в 5•SBF (г). В качестве инструмента анализа поверхности и дальнейшего расчёта её параметров шероховатости использовали атомно-силовую микроскопию. По данным из табл. 1 видно, что после обработки в низкотемпературной плазме (DC, 5мА, 500кВ, плазмообразующий газ - воздух) увеличиваются среднее арифметическое (Ra) и среднее квадратическое (Rs) отклонение высоты поверхности композита, что говорит об увеличении шероховатости. На рис. 16 представлены микрофотографии поверхности композита на которых видно, что после обработки в плазме поверхность имеет более неровный вид (рис. 16 в,г) по сравнению с поверхностью композита до обработки в плазме (рис. 16 а,б). При этом, при увеличении в разрешения в 4 раза наблюдаются микротрещины и дефекты поверхности (рис. 16 б), вызванные обработкой в плазме (рис. 16 г). Таблица 1. Параметры шероховатости композита 20%ТКФ/80%ПЛА. До обработки в плазме (DC, 5мА, 500кВ, плазмообразующий газ - воздух) После обработки в плазме (DC, 5мА, 500кВ, плазмообразующий газ - воздух) в течение 15 минут Сканируемая площадка 20µм x 20µм 5µм x 5µм 20µм x 20µм 5µм x 5µм Ra (среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины) 3,8 нм 2,5 нм 8,7 нм 6,6 нм Rs (среднее квадратическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины) 6,0 нм 4,0 нм 15,9 нм 10,5 нм а) б) в) г) Рис. 16. Микрофотографии поверхности композитов ТКФ/ПЛА до и после модификации поверхности в низкотемпературной плазме (DC, 5мА, 500кВ, плазмообразующий газ - воздух): а) область 20µм x 20µм композита 20%ТКФ/80%ПЛА, б) область 5µм x 5µм композита 20%ТКФ/80%ПЛА, в) область 20µм x 20µм композита 20%ТКФ/80%ПЛА после обработки в плазме в течение 15 минут, г) область 5µм x 5µм композита 20%ТКФ/80%ПЛА после обработки в плазме в течение 15 минут. Таким образом, за отчетный период 2016 г. все работы выполнены в срок и в полном объеме. Получены абсолютно новые прототипы костного имплантата, как по составу материала, функциональным свойствам, так и по методике его получения. Модификация поверхности биокомпозитов различными способами представляется особенно интересной, т.к. помимо создания и изменения рельефа существенного может улучшаться гидрофильность поверхности композитов. Выводы 1. Синтезированы порошки фосфатов кальция с Са/Р=1 – ПФК и АПФК, ТКФ, определена их гранулометрия. 2. Используя полученные синтетические порошки фосфатов кальция, были сформованы и оптимизированы технологические параметры термоэкструзии для получения композитных кордов ПКЛ/ФК и ПЛА/ФК; показано, что температуру экструзии следует уменьшать по мере увеличения доли ФК в композите. Впервые из составов с высокой степенью наполнения фосфатом кальция поликапролактона и полилактида методом термоэкструзионной 3D-печати были изготовлены высокопроницаемые макропористые имплантаты со специальной архитектурой Кельвина и простейшей периодической структуры для костной пластики. 3. Для модификации поверхности композитных макропористых имплантатов, с целью улучшения их смачивания физиологическими растворами, была предложена их обработка в низкотемпературной плазме. Показано, что 5-минутная обработка в случае композитов на основе ПКЛ и 15-минутная в случае композитов на основе ПЛА приводит к заметному улучшению гидрофильности их поверхностей, что находит свое отражение в более полном осаждении гидроксиапатита при помещении модифицированных имплантатов в растворы искусственной межтканевой жидкости, а, следовательно, более количественному осаждению гидроксиапатита из растворов 5*SBF. В соответствии с заявленными целями, общим планом работ по проекту и обсуждением результатов 2016 года со специалистами в области биокерамики и фосфатов кальция, в 2016 году были получены следующие результаты: 1) Синтезированы порошки фосфатов кальция с Са/Р=1 – ПФК и АПФК и их смеси ТКФ, определена их гранулометрия. 2) Используя синтетические полученные порошки фосфатов кальция, были получены наполненные ими полимерные корды, предназначенные для трехмерной печати из них макропористых имплантатов сложной архитектуры. 3) Определены параметры технологии термоэкструзионной трехмерной печати наполненными полимерами ПКЛ/ПЛ. 4) Дополнительная обработка напечатанных моделей в растворах позволила получить макропористые имплантаты с модифицированной развитой поверхностью. Аналогов таких материалов в мире настоящее время не существует. Полученные в рамках второго года результаты опубликованы в статьях, доложены на отечественных и международных конференциях. По технологическим аспектам работы получены патенты РФ.
3 11 марта 2017 г.-25 декабря 2017 г. Биокомпозиты на основе наполненных фосфатами полиоксоалканоатов со сложной архитектурой, полученные методом термоэкструзионной трехмерной печати
Результаты этапа: За отчетный период 2015-2017 гг. все работы выполнены в срок и в полном объеме. Получены абсолютно новые прототипы костного имплантата, как по составу материала, функциональным свойствам, так и по методике его получения. Модификация поверхности биокомпозитов различными способами представляется особенно интересной, т.к. помимо создания и изменения рельефа существенно может быть улучшена такая ключевая характеристика как гидрофильность поверхности. В соответствии с заявленными целями, общим планом работ по проекту и обсуждением результатов со специалистами в области биокерамики и фосфатов кальция, за 2015-2017 гг. были получены следующие результаты: 1. Были синтезированы порошки аморфного фосфата кальция методом осаждения из растворов, проведена его термообработка при различных температурах с целью получения трикальциевого фосфата. Синтезированы порошки фосфатов кальция с Са/Р=1 – ПФК и АПФК и их смеси ТКФ, определена их гранулометрия 2. Была проведена подготовка полимеров из поликапролактона (ПКЛ) и полилактида (ПЛА) для экструдирования: введение дополнительного технологического связующего к порошку фосфата кальция для смешивания с гранулами или хлопьями полимера, наполнение гранул или хлопьев фосфатом при температуре размягчения полимера. Были получены корды для 3D-принтера из наполненных синтезированными порошками фосфатов кальция полимеров ПКЛ/ПЛА, 3. Определены параметры термоэкструзионной трехмерной печати изготовленными кордами макропористых имплантатов сложной архитектуры. Напечатаны трехмерные периодические структуры и композиты со структурой Кельвина на 3D принтере. 4. Подобраны оптимальные основные параметры дополнительной обработки напечатанных моделей в низкотемпературной плазме и растворах, что позволило получить макропористые имплантаты с модифицированной развитой поверхностью. Дополнительная обработка отпечатанных моделей в растворах позволяет придать поверхности композиционного имплантата необходимый рельеф и улучшить их гидрофильные свойства, основной вклад в изменение смачиваемости (краевого угла) композитов вносит изменение рельефа после последовательного травления в низкотемпературной плазме и лимонной кислоте. Аналогов таких материалов в мире настоящее время не существует. 5. Проведены прочностные испытания изготовленных имплантатов. Отобранные образцы прототипов имплантатов подготовлены к медико-биологическим испытаниям in vitro и in vivo. Полученные в рамках проекта результаты опубликованы в статьях, доложены на отечественных и международных конференциях.

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".