ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы разработки физико-химических и инженерных основ создания керамических материалов на основе фосфатов для регенерации костной ткани. Новое поколение керамических костных имплантатов, разрабатываемое сегодня в ряде отечественных и зарубежных коллективов, обладает следующими характерными чертами: 1) достаточной прочностью и пониженной упругостью, позволяющими использовать имплантат в нагружаемых участках скелета, 2) остеокондуктивностью - способностью поддерживать прорастание в имплантат новообразованной кости, и 3) резорбируемостью – способностью к деградации (растворению) материала в организме и его активное участие в процессе остеосинтеза. Увеличение прочности макропористой керамики является достаточно нетривиальной задачей, поскольку требование к резорбируемости имплантатов заставляет рассматривать материалы на основе замещенных фосфатов кальция. Плохая спекаемость фосфатных материалов имеет фундаментальную причину. Как и в других солях со смешанным, ионно-ковалентным типом химической связи (силикатах, сульфатах и др.), в фосфатах массоперенос крупного тетраэдрического аниона посредством твердотельной диффузии сильно затруднен. Целью проекта является разработка физико-химических и инженерных основ изготовления макропористой керамики с плотным каркасом на основе замещенного трикальциевого фосфата (Ca3-x(KyNa1-y)2x(PO4)2 методами быстрого спекания с применением электрического тока. Фундаментальными результатами планируемого исследования будут взаимосвязь плотности, микроструктуры и механических свойств фосфатной керамики различных составов общей формулой Ca3-x(KyNa1-y)2x(PO4)2, изготовленной различными методами спекания; возможные механизмы массопереноса при различных методах спекания и их влияние на микроструктуру и прочностные свойства керамики. Основным прикладным результатом работы будут изготовленные керамические имплантаты с заданной архитектурой состава Ca3-x(KyNa1-y)2x(PO4)2, спеченные методом флеш-спекания. Спекание подобных фосфатных структур методом электроискрового спекания имеет также фундаментальный интерес с точки зрения исследования возможностей метода и границ его применимости.

The project is aimed at solving the fundamental problem of developing physicochemical and engineering bases for the creation of phosphate-based ceramic materials for bone tissue regeneration. The new generation of ceramic bone implants, developed today in a number of domestic and foreign teams, has the following characteristics: 1) sufficient strength and low elasticity, allowing the use of the implant in the loaded areas of the skeleton, 2) osteoconductivity - the ability to maintain germination in the implant of the newly formed bone, and 3 ) resorbability - the ability to degradation (dissolution) of the material in the body and its active participation in the process of osteosynthesis. Increasing the strength of macroporous ceramics is quite a non-trivial task, since the requirement for resorbability of implants makes it necessary to consider materials based on substituted calcium phosphates. Poor sintering of phosphate materials has a fundamental cause. As in other salts with a mixed, ionic-covalent type of chemical bond (silicates, sulfates, etc.), in phosphates the mass transfer of a large tetrahedral anion by means of solid-state diffusion is very difficult. The aim of the project is the development of physicochemical and engineering bases for the manufacture of macroporous ceramics with a dense skeleton based on substituted tricalcium phosphate (Ca3-x (KyNa1-y) 2x (PO4) 2) by rapid sintering using electric current. The fundamental results of the planned research will be the interrelation of density, microstructure and mechanical properties of phosphate ceramics of various compositions with the general formula Ca3-x (KyNa1-y) 2x (PO4) 2, made by various sintering methods; possible mechanisms of mass transfer with different sintering methods and their effect on the microstructure and strength properties of ceramics. The main applied result of the work will be made of ceramic implants with a given architecture of the composition Ca3-x (KyNa1-y) 2x (PO4) 2, sintered by flash-sintering. The sintering of such phosphate structures by the method of spark-plasma sintering is also of fundamental interest from the point of view of studying the possibilities of the method and the limits of its applicability.

1. Будут уточнены фазовые равновесия в системе Ca3(PO4)2 - CaNaPO4 - CaKPO4 при 500 и 1200°С. 2. Будут установлены закономерности спекания модельной плотной керамики на основе выбранных составов замещенного трикальциевого фосфата Ca3-x(KyNa1-y)2x(PO4)2 методами электроискрового и флеш-спекания, включая кинетику уплотнения и динамику изменения микроструктуры. 3. Методами 3D-печати будут сформованы макропористые преформы с архитектурой Кельвина и методами электроискрового и флеш-спекания из них будет изготовлена макропористая керамика с использованием режимов, установленных на предыдущем этапе; будут изучены особенности уплотнения макропористых образцов и особенности их микроструктуры. 4. Будут исследованы прочностные характеристик (прочность на сжатие, трещиностойкость) полученной макропористой керамики; изучен характер распространения трещины и сделаны заключения о возможных механиpмах упрочнения керамики. Основным прикладным результатом работы будут изготовленные керамические имплантаты с заданной архитектурой состава Ca3-x(KyNa1-y)2x(PO4)2, спеченные методом флеш-спекания. Спекание подобных фосфатных структур методом ЭИС имеет и фундаментальный интерес с точки зрения исследования возможностей метода и границ его применимости. В качестве фундаментальных результатов планируемого исследования также выступают: взаимосвязь плотности, микроструктуры и механических свойств фосфатной керамики различных составов общей формулой Ca3-x(KyNa1-y)2x(PO4)2, изготовленной различными методами спекания; возможные механизмы массопереноса при различных методах спекания и их влияние на микроструктуру и прочностные свойства керамики.

Работы в данном направлении проводились в том числе в рамках ряда научно-исследовательских проектов (за последние несколько лет): РФФИ 16-38-60203 Метаматериалы адаптируемой формы на основе биодеградируемых композитов для регенерации костной ткани (2016-2018), РНФ 15-19-00103 «Остеокондуктивные биорезорбируемые содержащие пиро- и полифосфаты кальция керамические имплантаты, изготовленные методом стереолитографической 3D-печати для регенерации костной ткани» (2015-2017), РНФ 14-19-00752 «Макропористая фосфатная керамика с оптимизированной архитектурой как основа тканеинженерных конструкций, предназначенных для регенерации костной ткани» (2014-2018),; Грант Президента РФ W01.16.8668-МК «Создание имплантатов, адаптируемых к сложной форме дефекта, по типу биоконструктор на основе принципа "Lego"» (2016-2017), НМСУС МГУ 013-09 «Имплантаты на основе нового поколения синтетических реакционно-связанных и керамических фосфатно-кальциевых материалов, полученные различными методами формования» (2016) РФФИ 15-08-99597 «Биокомпозиты на основе наполненных фосфатами полиоксоалканоатов со сложной архитектурой, полученные методом термоэкструзионной трехмерной печати» (2015-2017), РФФИ 15-29-04871 «Армированные реакционно-связанные композиты на основе брушита для регенерации костной ткани опорно-двигательного аппарата» (2015-2017); РФФИ 12-08-33125 «Синтетические аморфные фосфаты как основа коллоидных систем для формирования изделий сложных форм для регенерации костной ткани» (2012-2014), РФФИ 12-08-00681 «Высокопористые материалы для тканевой инженерии, получаемые гидролитической конверсией ячеистых керамических преформ» (2012-2014), РФФИ 14-08-31699 «Разработка высокопористых биорезорбируемых имплантатов сложной формы для инженерии костной ткани на основе фосфатов кальция с использованием технологии 3D-печати» (2014-2015).