ИСТИНА

Целью данной работы является разработка низкотемпературного метода получения компактных биоматериалов, сочетающих достоинства фосфатных цементов и высокую прочность керамики. Требование к низким температурам получения (не выше 100°С) связано с тем, что будущее применение подобных материалов допускает возможность их предварительного наполнения биологически активными веществами и/или соответствующими клеточными культурами. В основе низкотемпературных методов получения лежат гетерогенные химические реакции между фосфатами кальция и раствором. Продукты этих реакций связывают частицы исходного порошка в прочный монолит. Подобные материалы называют реакционно-связанными (или «химически связанными»), чтобы подчеркнуть особенности метода их получения. В процессе интеграции в костную ткань такой материал выполняет первоначальную опорную функцию, а по мере прорастания кости имплантат постепенно растворяется (резорбируется) и способствует росту нативной кости. Таким образом, две характеристики данного типа материала – механическая прочность и резорбируемость, играют ключевую роль. Основными объектами исследований выступали водные дисперсии различных фосфатов кальция, твердеющие в результате протекания химических реакций. Фундаментальную проблему, в рамках которой была поставлена данная работа, можно сформулировать как взаимосвязь между условиями синтеза, химическим и фазовым составом и физико-химическими свойствами твердофазных материалов; использование выявленных закономерностей для разработки и создания новых методов синтеза твердофазных соединений и материалов. Для достижения указанной цели в ходе работы были поставлены и решены следующие задачи: 1) исследовать условия протекания реакций кислотно-основного взаимодействия, которые способствуют превращению свободнодисперсной системы в связнодисперсную с максимальным количеством прочных фазовых контактов между частицами фосфатов кальция, и разработать составы порошковых смесей, содержащих фосфаты, в водных дисперсиях которых развиваются упомянутые реакции и приводят к «схватыванию» дисперсной системы в монолит; 2) выявить природу контактов между частицами в реакционно-связанных материалах на основании исследования их структуры (кристаллогеометрии) и энергетики; 3) предложить эффективные добавки, малые количества которых могут модифицировать свойства как исходных водно-кальцийфосфатных дисперсий, так и конечных реакционно-связанных компактных материалов; 4) разработать приемы изготовления макропористых реакционно-связанных материалов (с размерами макропор 50 – 500 мкм) как прототипов для использования в качестве костных имплантатов; предложить приемы упрочнения (армирования) реакционно-связанных материалов; 5) получить образцы резорбируемых реакционно-связанных кальцийфосфатных материалов и провести их механические и биологические испытания для выявления взаимосвязи состав - микроструктура – свойства. Научная новизна работы состоит в следующих положениях, которые выносятся на защиту: 1) предложена оригинальная схема получения компактных кальцийфосфатных материалов методом реакционного (химического) связывания, которая наследует принцип разделения стадий формования и консолидации от керамики; для формования используются реакционно-твердеющие пасты, а их консолидация осуществляется при помощи гетерогенных реакций, протекающих в водных растворах при температурах не выше 100°С; 2) исследована кинетика основной реакции ТКФ + Н2О → ГАП, протекающей в реакционно-связанных композитах ТКФ/ГАП, в диапазоне температур 20-90°С в водной среде, содержащей добавки-модификаторы (цитрат натрия, гидрокарбонат натрия). Увеличение температуры проведения основной реакции приводит к изменению характера агломерации зародышей ГАП, вызывая смену габитуса кристаллов с пластинчатой на игольчатую в случае реакции в воде. Использование модификаторов приводит к существенному замедлению основной реакции, а также существенно изменяет морфологию зародышей ГАП и приводит к более плотной микроструктуре с иным характером агломерации кристаллитов; 3) объяснение прочностных характеристик материала дано в рамках представлений физико-химической механики о фазовых контактах ГАП/ГАП - сростках кристаллов, имеющих межкристаллитную границу. Предложена аналогия между атомным строением границы контакта и строением межзеренной границы в керамике. Для описания атомного строения контакта и его взаимосвязи с энергией границы применены геометрические модели соединения плотноупакованных плоскостей в структуре ГАП; 4) объяснение воздействия добавок-модификаторов на микроструктуру и прочностные свойства композитов дано с учетом их адсорбционных и комплексообразующих свойств. Практическая значимость работы обусловлена: 1) разработкой низкотемпературной технологии изготовления композитных биоматериалов с максимальной прочностью на сжатие до 180 МПа и невейбулловским распределением предела прочности; 2) предложены эффективные добавки-модификаторы высококонцентрированных кальцийфосфатных дисперсных систем на основе биосовместимых карбоксилатов (цитраты) и полифосфатов (триметафосфат натрия); 3) полученные в работе реакционно-связанные материалы являются биосовместимыми и могут применяться в работах по тканевой инженерии; схема получения материала не требует сложного оборудования и при детально описанном протоколе может быть реализована непосредственно в медицинском учреждении силами персонала.