Керамика на основе смешанных фосфатов кальция-калия-натрия как материал для создания резорбируемых имплантатов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.21, кандидат наук Орлов Николай Константинович

• Орлов Николай Константинович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Орлов Николай Константинович

ТЕРМИНЫ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. Поколения биоматериалов, преимущества и недостатки разных видов биоматериалов

2. Механизм взаимодействия организма с костным имплантатом

3. Фосфаты кальция, применяемые в биоматериалах

3.1. Гидроксиапатит (Calo(PO4)6(OH)2)

3.2. Система CaO-P2O5. Трикальциевый фосфат (Caз(PO4)2)

3.3. Обоснование выбора элементов замещения

3.4. ^стема CaO-P2O5-Na2O-K2O

4. Оценка энергии Гиббса растворения фосфатов кальция

5. Методы получения трехмерных керамических структур

6. Получение керамических материалов

7. Выводы из литературного обзора

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. Получение образцов

2. Методы исследования образцов и обработка экспериментальных данных

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Исследование фазовых отношений в системе Са^Р04 - СаКР04

1.1. Термический и рентгенофазовый анализы

1.2. Исследование низкотемпературной области диаграммы

1.3. Диэлектрические свойства и ионная проводимость тройных фосфатов

2. Характеристика фазовых переходов в СаШР04, CaK0.6Na0.4PO4, СаКР04

3. Исследование фазовой диаграммы Саз(Р04)2 - СаШР04 - СаКР04

3.1. Построение изотермического сечения при T=1200°C

3.2. Фазовые отношения при T=500°C

4. Исследование уплотнения и оптимизация процесса спекания керамики в системе

Саз(РО4)2 - Са^Р04 - СаКР04

4.1. Керамика на основе CaK0.6Na0.4PO4

4.2. Получение многофазной керамики

4.3. Построение траектории спекания для CaK0.6Na0.4PO4

4.4. Реакционное спекание Caз-x(KyNal-y)2xPO4

4.5. Полевые методы спекания

5. Прочностные свойства керамики

6. Термодинамические расчеты растворимости и исследование кинетики растворения керамики

6.1. Термодинамическая оценка растворимости замещенных фосфатов кальция

6.2. Исследование кинетики растворения замещенных фосфатов из системы CaNaPO4 - CaKPO4

6.3. Оценка резорбируемости керамики внутренней части треугольника Caз(PO4)2 -CaKPO4 - CaNaPO4

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

БЛАГОДАРНОСТИ

Термины и сокращения

Резорбция - способность материала деградировать (растворяться) при помещении в среду организма

Остеокондуктивность - способность материала обеспечивать протекание биологических жидкостей, прорастание в имплантат нервных окончаний, кровеносных сосудов (вас-куляризация), адгезию и связывание остеогенных клеток

ГА - гидроксиапатит (Caio(PO4)6(OH)2)

КДГА - кальцийдефицитный ГА (Ca9(HPO4)(PO4)5(OH))

ТКФ - трикальциевый фосфат (Саз(Р04)2)

Ренанит - в данной работе соединение состава CaMPO4 (M=Na, K)

Фазы на основе упорядоченных твердых растворов Ca3-x(KyNai-y)2x(PO4)2:

А - область твердых растворов вокруг идеализированного состава Ca5Na2(PO4)4

Х - область твердых растворов вокруг идеализированного состава CasK2(PO4)6

В - область твердых растворов вокруг идеализированного состава CasK2(PO4)6 (находящаяся по температуре выше фазы Х)

С - область твердых растворов вокруг идеализированного состава CaK0.6Na0.4PO4

ДТА - дифференциальный термический анализ

РФА - рентгенофазовый анализ

РЭМ - растровая электронная микроскопия

РСМА - рентгеноспектральный микроанализ

ДС - диэлектрическая спектроскопия

МС-ИСП - масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой

Классическое спекание - спекание в печи при определенной температуре в течение заданного времени

Быстрый обжиг (fast firing) - процесс спекания, характеризующийся быстрым нагревом образца до высоких температур в обычной печи без последующей выдержки

FAST - Field Assisted Sintering Techniques - группа методов спекания материалов, использующих электромагнитное поле как дополнительный фактор воздействия

Быстрое спекание (Flash-sintering) - один из методов полевого спекания с прямым подключением образца к источнику тока (характерны высокая напряженность поля, низкий ток)

Электроискровое спекание (Spark Plasma Sintering - SPS, ЭИС, ЭИ) - один из методов полевого спекания в графитовой пресс-форме с приложенным давлением (характерны низкая напряженность электрического поля и высокие значения тока).

Ультрабыстрое спекание (Ultrafast high-temperature sintering) - метод спекания, при котором кратковременно достигаются температуры, иногда сопоставимые с температурой плавления за счет резистивного нагревания проводника (чаще всего углеродной ткани), охватывающего образец.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Керамика на основе смешанных фосфатов кальция-калия-натрия как материал для создания резорбируемых имплантатов»

Введение

В настоящее время значительное число исследований направлено на создание новых неорганических материалов для замещения поврежденной костной ткани. Если еще полвека назад в качестве решения рассматривали только инертные материалы - прочные, но неспособные со временем заместиться естественной костью, то сейчас подход кардинально изменился. Улучшение качества жизни диктует необходимость создания материалов, им-плантаты на основе которых позволят избежать значительного хирургического вмешательства (исчезнет необходимость замены/обновления имплантата), а в идеале ускорят процесс восстановления. Такие материалы должны быть биосовместимы, (не вызывать негативной ответной реакции организма, обладать удовлетворительными механическими характеристиками (не разрушаться в процессе имплантации), быть биорезорбируемыми, т. е. деградировать в среде организма, замещаясь натуральной костью, остеокондуктивными (обеспечивать прорастание костной ткани в имплантат) и остеоиндуктивными (быть способными воздействовать на процесс образования костной ткани).

Актуальность настоящей работы определяется как социальными аспектами (повышение качества жизни), так и экономическими - быстрое восстановление трудоспособности после травм и заболеваний является одним из факторов, определяющих темпы экономического развития. Необходимость подобных исследований обусловлена еще и малым числом конкурентных отечественных разработок, что, в конечном итоге, увеличивает стоимость и время реабилитации пациентов.

Создание костных имплантатов является комплексной материаловедческой задачей, включающей в себя несколько стадий, каждая из которых требует отработки - синтез материала, формование, получение керамики (спекание), исследование его прочностных и биологических свойств. Современные биосовместимые керамические имплантаты производятся на основе гидроксиапатита - Calo(PO4)6(OH)2 (ГА) и трикальциевого фосфата (Caз(PO4)2, ТКФ), однако оба они обладают низкой скоростью резорбции в организме (в случае ГА - почти нулевой), что определяет основное направление исследований - поиск новых материалов для имплантации, резорбируемых в среде организма. Добиться повышения скорости резорбции можно дестабилизацией энергии кристаллической решетки (например, замещением части кальция в Caз(PO4)2 с получением CaMPO4), но это одновременно приводит к уменьшению прочности материала, в особенности для макропористых имплан-татов, полученных с применением аддитивных технологий. Именно поэтому разработка новых материалов для костной имплантации является комплексной проблемой, требующей

как химических подходов, так и материаловедческих, и инженерных.

6

Поскольку потребность в лечении костных дефектов, возникающих вследствие травм или патологий, остается стабильно высокой и существующие материалы не всегда способны в полной мере удовлетворить эту потребность, создание новых остеозамещающих резорбируемых материалов следует рассматривать как весьма актуальное направление современного материаловедения.

Таким образом, целью данной работы является разработка и установление закономерностей формирования биокерамических материалов на основе фосфатов кальция и щелочных металлов, обладающих большей резорбируемостью по сравнению с имплантатами на основе ГА и Р-ТКФ. Исследуемые в работе фосфаты относятся к трехкомпонентной системе Са3(Р04)2 - Са№Р04 - СаКР04, которая сама по себе является малоизученной. Также нужно учитывать, что для достижения приемлемого уровня прочности реальных импланта-тов необходимо иметь возможность получать плотную керамику на основе этих соединений, однако информации о закономерностях спекания отдельных фаз и многофазных составов из данной системы практически нет. В этой связи в рамках сформулированной выше цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование фазовых равновесий в системе Са3(Р04)2 - Са№Р04 - СаКР04 и описание фазовых превращений соединений этой системы, которые имеют определяющее значение для формирования керамических имплантатов на их основе.

2. Установление закономерностей спекания замещенных фосфатов кальция и щелочных металлов на примере модельного однофазного состава CaK0.6Na0.4PO4; использование установленных закономерностей при определении условий изготовления керамических композитов на основе многофазных составов Са3-х(Ку№1-у)2х(Р04)2.

3. Изучение влияния условий проведения процесса спекания, а также применения альтернативных классической методик спекания, на конечные характеристики материалов -плотность, микроструктуру и механические свойства.

4. Формирование методами 3D-печати образцов состава CaK0.6Na0.4PO4 со сложной макропористой архитектурой и апробация различных методов спекания для получения макропористых имплантатов с плотным керамическим каркасом.

5. Оценка резорбируемости керамических материалов на основе исследованных составов из системы Сaз(PO4)2 - CaNaPO4 - CaKPO4.

Научная новизна работы заключается в следующих пунктах.

1. На основании комплекса физико-химических методов представлен вариант фазовой диаграммы квазибинарного разреза CaNaPO4 - CaKPO4. Показано, что промежуточное соединение представляет собой глазеритоподобную фазу переменного состава P-CaKyNai-yPO4 с широкой областью гомогенности, возникающую при упорядочении высокотемпературного твердого раствора а-Са(К, Na)P04.

2. Построены изотермические сечения (при 500°С и 1200°С) трехкомпонентной фазовой диаграммы Ca3(PO4)2 - CaNaPO4 - CaKPO4. В фазовых равновесиях в высокотемпературной области участвуют фазы «Х» (CasK2(PO4)6), «А» (Са5^2(Р04)4], P-CaKyNai-yPO4 («С») и Р-ТКФ (P-Ca3(PO4)2). Установлено, что в низкотемпературной области фазовые поля определяются фазами P-CaNaPO4, P-CaKyNai-yPO4, P-CaKPO4 и Р-ТКФ. Фазовые переходы Р^а в СаМРО4 являются переходами первого рода и характеризуются увеличением мольного объема в случае CaKPO4, CaNaPO4 и близким к нулю в случае P-CaK0.6Na0.4PO4.

3. Впервые проведенное исследование спекания модельной плотной керамики состава CaK0.6Na0.4PO4 при помощи комплекса различных приемов - в изотермическом и двухста-дийном режимах, методом реакционного спекания и электрополевыми методами, показало, что плохое уплотнение керамики на основе смешанно-катионных фосфатов кальция-натрия-калия связано со значительным вкладом рекристаллизации в процесс спекания. Моделирование уплотнения керамики с использованием подхода обобщенной кривой спекания позволило дать оценку эффективной энергии активации процесса уплотнения и предположить затрудненный массоперенос ортофосфатного аниона при спекании керамики на основе CaK0.6Na0.4PO4.

4. Показано, что прочностные характеристики керамических материалов на основе составов двухкомпонентной системы CaNaPO4 - CaKPO4, а также на основе одно- и многофазных составов трехкомпонентной системы Сaз(PO4)2 - CaNaPO4 - CaKPO4 определяются в значительной мере характером фазовых переходов в соединениях СаМРО4. Значительный объемный эффект превращения Р^-а в CaNaPO4 вызывает микрорастрескивание керамики, содержащей эту фазу.

5. Дана расчетная оценка конгруэнтной растворимости P-CaK0.6Na0.4PO4 на основе термодинамического подхода Глассера-Дженкинса. Впервые проведено исследование кинетики растворения смешанных фосфатов кальция-калия-натрия при рН = 5 и 6 (в растворах лимонной кислоты) и рН=7.4 (трис-буфер) для моделирования процесса резорбции in vitro.

Практическая значимость работы заключается в следующих пунктах.

1. Определены условия изготовления фосфатных керамических материалов с относительной плотностью 90% классическим изотермическим спеканием при температуре 1200°С.

2. Показано, что прототипы остеокондуктивных имплантатов с архитектурой Кельвина могут быть изготовлены с использованием технологии стереолитографической 3D-M-чати методами классического изотермического, реакционного, а также быстрого (flash) спекания.

3. Разработанные материалы обладают достаточным уровнем резорбции и могут быть рекомендованы для дальнейших медико-биологических исследований в качестве резорби-руемых остеозамещающих внутрикостных имплантатов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Фазовые отношения в двухкомпонентной системе CaNaPO4 - CaKPO4, а также в трехкомпонентной системе Саз(Р04)2 - CaNaPO4 - CaKPO4 (в изотермических сечениях при температурах 500°С и 1200°С); условия синтеза порошков и керамики смешанных фосфатов кальция-калия-натрия определенного фазового состава. Характеристики фазовых переходов в соединениях CaNaPO4, CaKPO4, CaK0.6Na0.4PO4.

2. Условия получения плотной керамики смешанного фосфата кальция и щелочных металлов CaK0.6Na0.4PO4 методами классического, реакционного, электроискрового и быстрого спекания. Возможность изготовления макропористой керамики методом реакционного спекания и комбинацией методов классического и быстрого спекания.

3. Изменение прочности и трещиностойкости керамических материалов системы CaNaPO4 - CaKPO4 в зависимости от состава. Прочностные свойства керамики на основе замещенных фосфатов кальция и щелочных металлов системы Ca3(PO4)2 - CaNaPO4 -CaKPO4.

4. Термодинамическая оценка растворимости ß-CaK0.6Na0.4PO4. Результаты исследования резорбируемости керамических материалов на основе замещенных фосфатов кальция и щелочных металлов из системы Ca3(PO4)2 - CaNaPO4 - CaKPO4 в средах с различными значениями pH.

Апробация работы была проведена на международных конференциях «Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоно-сов-2021» (Москва, Россия, 2021), «The 2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT-2) and the 4th International Conference on

Innovations in Biomaterials, Biomanufacturing, and Biotechnologies (Bio-4)» (Toronto, Canada, 2019 г.), «yCAM 2019, Conference Abstracts, young Ceramists Additive Manufacturing Forum (Mons, Belgium, 2019), «XVI conference and exhibition of the European Ceramic Society (XVI ECerS CONFERENCE 2019)» (Torino, Italy, 2019), «young Ceramists Additive Manufacturing Forum» (Padua, Italy, 2018), «Biomaterials and Novel Technologies for Healthcare, 2nd International Biennial Conference BioMaH» (Frascati, Italy, 2018), ««XV Conference & Exhibition of the European Ceramic Society» (Budapest, Hungary, 2017), «Всероссийское совещание "Биоматериалы в медицине "» (Москва, Россия, 2017), а также при выполнении проектов фонда РНФ №14-19-00752, РФФИ №18-33-00974, №19-03-00940 и №19-38-90199.

Личный вклад автора. В основу работы положены результаты научных исследований, проведенных непосредственно автором в период с 2017 по 2021 гг. в лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Автором проведен поиск и анализ литературных данных, самостоятельно проведены синтезы и исследования физико-химических свойств материалов, включая самостоятельную работу на приборах (рентгеновском дифрактометре, дифференциально-термическом анализаторе, дилатометре, растровом электронном микроскопе, оптическом двухфокальном микроскопе, масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой, испытательной установке для определения механических свойств методом ball-3-ball, микротвердомере с индентором Виккерса), 3D-печать методами стереолитографии и порошковой печати; анализ и обработка экспериментальных данных, написание публикаций по теме диссертации.

Ряд исследований был проведен совместно с коллегами из других организаций: анализ диэлектрических свойств смешанных фосфатов (к.х.н. Гребенев В.В., Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН), проведение высокотемпературного РФА (к.х.н. Гаршев А.В., кафедра неорганической химии Химического факультета МГУ), электроискровое спекание смешанных фосфатов кальция и щелочных металлов (к.б.н. Тябликов А.С. кафедра неорганической химии Химического факультета МГУ), прочностные испытания на сжатие (к.х.н. Филиппов Я.Ю., НИИ Механики МГУ).

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием комплекса взаимодополняющих методов физико-химического анализа и воспроизводимостью экспериментальных данных, а также их согласованностью с литературными данными.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 16 научных публикациях, в том числе 7 статьях в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в базах данных

Web of Science, Scopus, и рекомендованных для защиты в диссертационном совете МГУ по специальности 02.00.21 - Химия твердого тела.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 184 печатных страницах и содержит 117 рисунков, 11 таблиц, 4 приложения, список литературы содержит 166 наименований.

Литературный обзор

1. Поколения биоматериалов, преимущества и недостатки разных видов биоматериалов

Существует множество различных болезней, приводящих к повреждению или утрате различных частей организма. Повреждение костной ткани приводит в большинстве случаев к серьезному ограничению подвижности (временному или постоянному), что, в свою очередь, увеличивает риск возникновения других заболеваний, в частности, сердечно-сосудистой системы. Все это безусловно отрицательно влияет на качество жизни человека.

В связи с этим, уже долгое время ведутся работы по поиску подходящего материала для замещения костной ткани. Такой материал должен быть совместим не только с биологической точки зрения (не вызывать отторжения), но и показывать определенные значения скорости резорбции, прочности. Кроме того, с открытием методов аддитивных технологий к материалу стало предъявляться требование возможности его использования для создания объемных (макропористых) структур заданной формы. Таким образом, в соответствии с появляющимися новыми требованиями, биоматериалы исторически подразделяют на четыре поколения. Ниже представлен вариант такой классификации.

Основными требованиями, предъявляемыми к материалам 1-го поколения, были минимальная токсичность и прочность не менее прочности заменяемого участка. В связи с этим использовались, в основном, инертные материалы, такие как нержавеющая сталь, титановые сплавы, керамика на основе оксида алюминия или оксида циркония. При вживлении подобного имплантата в организм, начинался процесс образования фиброзной ткани на поверхности, что приводило к инкапсуляции (изоляции) имплантата внутри организма. Особенностью биоматериалов 1 поколения было то, что они не разрабатывались специально под медицинские задачи, а выбирались в соответствии с предъявляемыми требованиями из уже изученных и примененных в других областях материалов [1].

Во 2-м поколении биоматериалов внимание начали уделять также возможности биорезорбции материала в среде организма. Причем скорость такой резорбции должна в идеальном случае совпадать со скоростью роста нативной кости, таким образом постепенно замещаясь ею. При таком подходе важно, чтобы образующиеся в процессе резорбции продукты были нетоксичными, могли использоваться как строительный материал для новой кости и/или легко выводились из организма.

Ко второму поколению биоматериалов также относят не только биорезорбируемые материалы, но и биоактивные, что подразумевает способность имплантата оставаясь внутри организма долгое время, взаимодействовать с ним, достигая таким образом лучшего связывания нативных тканей и имплантата и препятствуя возникновению фиброза.

К материалам второго поколения относят, например, те же металлы, что были указаны в первом, но поверхность которых модифицирована биоактивным компонентом. Чаще всего в роли такого компонента выступал гидроксиапатит и трикальциевый фосфат. К той же группе относятся биоактивные стекла, в состав которых, помимо оксидов кремния и щелочных металлов, входят оксиды кальция и фосфора. К тому же поколению относят три-кальциевый фосфат и бифазную керамику (смесь трикальциевого фосфата и гидроксиапа-тита) [2].

Тем не менее, несмотря на модификацию поверхности имплантатов второго поколения или их частичную резорбируемость, от трети до половины вживленных имплантатов требовали повторного хирургического вмешательства через 10-25 лет после первого имплантирования. Улучшения и модификации, достигнутые в первых двух поколениях, ограничены тем фактором, что получаемые материалы являются искусственно приспособленными под среду организма и не являются живой тканью, способной отвечать на различные физиологические стимулы. С этим связано ограниченное время работы имплантатов на основе таких материалов. Разработка 3-е поколения биоматериалов была направлена на стимулирование специфичного ответа клеток организма на молекулярном уровне, запускающего процесс регенерации нативной костной ткани. На данный момент существует два подхода к стимуляции такого ответа: тканевая инженерия и т^Шрегенерация тканей [3-5].

Материалы 4-го поколения стали изучаться и разрабатываться исходя из предположений, что клетки и ткани взаимодействуют друг с другом в том числе посредством передачи слабых электрических импульсов, которые служат сигналами для дальнейшей активации или приостановке работы клетки. Таким образом, четвертое поколение биоматериалов направлено на достижение в первую очередь контроля электрического отклика клеток и тканей (и генерация своего собственного) для стимуляции их регенерации [6]. В последнее время идея использования электрического заряда для стимулирования роста костной ткани получает все большее распространение. Для генерации таких сигналов внутри имплантата предлагаются различные методы комбинации материалов, позволяющие создавать электрическое поле (поляризацию) в имплантате без инвазивного вмешательства в виде, например, электродов. Такими материалами выступают мультиферроики или, например, пара магни-тоэластик/пьезоэлектрик, способные генерировать электрическое поле при приложении

магнитного поля. Естественно, костный имплантат не может состоять только из таких материалов. Наиболее распространенной формой является композит фосфата кальция (ГА и/или ТКФ) с добавлением мультиферроика или композитного магнитоэлектрического материала, представляющего собой приведенные в плотный контакт магнитостриктор и пье-зоэлектрик. Четвертое поколение биоматериалов не используется на данный момент в клинической практике (по крайней мере, если говорить об остеопластике). Однако, потенциально возможными материалами, разработка которых ведется в данный момент, можно назвать композит фосфатов кальция с мультиферроиком ферритом висмута или магнито-электрик на основе феррита металла (никеля, кобальта) с титанатом бария.

Тем не менее, даже при условии успешной разработки материалов мультиферроиков и/или материалов, стимулирующих клеточный ответ в организме, матрицей для них должны быть резорбируемые матрицы на основе фосфатов кальция, разработка и улучшение свойств которых ведется и сегодня. Материалы второго поколения остаются базой, параллельно с развитием которой ведутся работы по приданию ей дополнительных свойств.

Обобщая, основными требованиями, предъявляемыми к костным имплантатам, являются механическая, химическая и биологическая совместимость с организмом. Под механической совместимостью любого биоматериала понимается, например, прочность фиксации эндопротеза, зубного имплантата, соответствие уровней прочности замещаемому участку ткани. Химическая совместимость подразумевает низкую скорость коррозии материала, отсутствие токсичных продуктов при резорбции, отсутствие отторжения имплантата и хорошая местная совместимость с клетками. По биологической совместимости материалы делятся на уже упомянутые биоинертные, биосовместимые и биоактивные [7]

Как видно из приведенной выше истории развития биоматериалов вообще и костных имплантатов в частности, в современной медицине имплантат для лечения костных дефектов или замещения поврежденного участка кости представляет собой не просто материал единого состава с определенной формой, а композит, включающий несколько различных соединений как неорганических, так и органических. Конечно, изучение одновременно всех аспектов - подбор оптимального состава каждой составляющей, методов их получения, методов формования, определение реакции организма на имплантат как на комбинацию всех перечисленных факторов - не может быть реализовано в рамках одной работы. Поэтому в данном исследовании автор сконцентрировался на исследовании составов фосфатного компонента резорбируемого костного имплантата и методах получения керамики на их основе.

Для обоснования выбора именно керамики как формы производства костного имплан-

тата следует рассмотреть альтернативные классы материалов для остеопластики.

14

Металлы

Металлы уже давно применяются в медицине как материалы для имплантации. Положительными механическими свойствами металлов являются прочность, хорошая обрабатываемость, рентгеноконтрастность и относительно низкая цена. К недостаткам можно отнести коррозию и отсутствие положительного взаимодействия с организмом.

Для лечения переломов кости применяют металлические имплантаты в разных их формах - пластины, болты, гвозди, используемые для механической фиксации мест дефектов, в том числе бедренных и ключичных костей, позвонков. Среди металлов следует особо отметить титан и его сплавы (а также, в последнее время, и другие металлы, проявляющие способность к остеоинтеграции: цирконий, ниобий, тантал), высококачественную нержавеющую сталь, Со-Сг - сплавы [8].

Полимеры

Полимеры не используются как основной материал в остеопластике, однако они обладают полезными свойствами, которые позволяют применять их как дополнительный компонент самого имплантата, для замены других частей организма или для производства сопутствующих имплантированию предметов, например, хирургический сшивной материал, покрытие для ран и др. [8].

Биостекла

Речь идет о рентгеноаморфном материале с сильно разветвленной кремний-кислородной сеткой, похожим на обычное боросиликатное стекло. Типичное биостекло содержит 40 - 50% &О2, 10 - 15% Р2О5, 30 - 35% СаО, 5 - 10% Ш2О, 0.5 - 3% К2О и 2.5 - 5% MgO. Такой материал обладает хорошей биоактивностью, из него легко может быть получен даже им-плантат сложной формы различными методами аддитивных технологий [9-11]. Однако, при высоком содержании Si02 биостекла слабо деградируемы [8].

Керамические материалы

По сравнению с полимерами, металлами и биостеклами, керамика имеет, прежде всего, преимущество в высокой твердости и прочности; кроме того, керамические имплан-таты допускают простую термическую стерилизацию. Недостатками является часто трудоемкая обработка и свойственная керамике хрупкость. Трещины в керамике могут очень быстро распространяться, так что локальная нагрузка может привести к отказу всей детали. Но благодаря оптимальным методам изготовления свойства керамики можно значительно улучшить [8].

Применительно к керамике выделяют следующие необходимые свойства.

Биоактивность. Материал должен срастаться с костью с образованием прочного переходного слоя новообразованной костной ткани. Биоактивные материалы непосредственно участвуют в биохимических процессах в зоне контакта с костной тканью и должны стимулировать ее рост.

Остеокондуктивность - способность материала обеспечивать протекание биологических жидкостей, прорастание в имплантат нервных окончаний, кровеносных сосудов (васкуляризация), адгезию и связывание остеогенных клеток.

Остеоиндуктивность (рост новой костной ткани из изолированных областей внутри реорганизующейся ткани). Материалам необходимо помогать организму синтезировать новую костную ткань.

Биорезорбируемость — способность керамики растворяться в среде организма. В идеале керамика должна полностью растворяться в организме человека, замещаться на новую костную ткань и давать все необходимые элементы для образования этой новой ткани.

Прочность - материал должен иметь схожие механические характеристики с костной тканью. Низкая прочность керамики не позволит использовать ее для замены костной ткани, а, например, высокий модуль Юнга для материала могут привести к утере имплан-тата из-за резорбции находящегося с ним в контакте костного вещества [12].

Как уже было отмечено выше, традиционно биокерамику изготавливали из гидрокси-апатита Саш(Р04)б(0Н)2 и ортофосфата кальция Саз(Р04)2, так как они наиболее подходят по химическому составу к костной ткани. Высокотемпературные твердофазные реакции приводят к получению крупнокристаллического материала, что нежелательно, т. к. апатит костной ткани представлен частицами размером менее 50нм. Плотная гидроксиапатитная керамика является малоактивным материалом, при ее использовании крайне замедленны процессы резорбции имплантата и кинетика роста контактной костной ткани. Поэтому ни один из материалов, изготовленных из данных веществ, не удовлетворяет полностью свойствам идеального имплантата. Материалы на основе двойных фосфатов кальция и щелочных металлов СаХР04 (Х=№, К) не только обладают повышенной растворимостью, необходимой для полной замены имплантата на собственную костную ткань, но также проявляют неплохие механические свойства. Фазовая диаграмма системы Са№Р04 - СаКР04 поможет понять процесс изготовления керамики на основе этих соединений, изучить возможность существования новых соединений, их полиморфные модификации [7,8].

Таким образом, благодаря хорошим показателям прочности, биоактивности, возможности использования при создании биорезорбируемых материалов, а также возможности избежать образования большого количества трещин путем оптимизации процесса получения (спекания), керамика признана наиболее оптимальной формой для создания материала для костного имплантирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Орлов Николай Константинович, 2021 год

Список литературы

1. Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen F.J., Lemons J.E. Biomaterials Science: An Evolving, Multidisciplinary Endeavor // Biomaterials Science. 2013. P. XXV-XXXIX.

2. Hench L.L. Third-Generation Biomedical Materials // Science. 2002. Vol. 295, № 5557. P. 1014-1017.

3. Galow A.-M., Rebl A., Koczan D., Bonk S.M., Baumann W., Gimsa J. Increased osteoblast viability at alkaline pH in vitro provides a new perspective on bone regeneration // Biochem. Biophys. Reports. 2017. Vol. 10. P. 17-25.

4. Zhu Y., Wang X., Zhou Y., Zhao C., Yuan J., Wu Z., Wu S., Wang S. In situ formation of bioactive calcium titanate coatings on titanium screws for medical implants // RSC Adv. 2016. Vol. 6, № 58. P. 53182-53187.

5. Arnett T.R. Extracellular pH Regulates Bone Cell Function // J. Nutr. 2008. Vol. 138, № 2. P. 415S-418S.

6. Ning C., Zhou L., Tan G. Fourth-generation biomedical materials // Mater. Today. 2016. Vol. 19, № 1. P. 2-3.

7. Путляев В.И., Сафронова Т.В. Новое поколение кальций фосфатных биоматериалов: роль фазового и химического состава // Стекло и керамика. 2006. Vol. 3. P. 285-297.

8. Эппле М. Биоматериалы и биоминерализация. Томск, Ветер. 2007. 25-98 c.

9. Sun C., Tian X., Wang L., Liu Y., Wirth C.M., Gunster J., Li D., Jin Z. Effect of particle size gradation on the performance of glass-ceramic 3D printing process // Ceram. Int. 2017. Vol. 43, № 1. P. 578-584.

10. Belmonte M.M., De Benedittis A., Muzzarelli R.A.A., Mengucci P., Biagini G., Gandolfi M.G., Zucchini C., Krajewski A., Ravaglioli A., Roncari E., Fini M., Giardino R. Bioactivity modulation of bioactive materials in view of their application in osteoporotic patients // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1998. Vol. 9, № 9. P. 485-492.

11. Fini M., Giavaresi G., Aldini N.N., Torricelli P., Morrone G., Guzzardella G.-A., Giardino R., Krajewski A., Ravaglioli A., Belmonte M.M., Benedittis A. De, Biagini G. The effect of osteopenia on the osteointegration of different biomaterials: histomorphometric study in rats // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2000. Vol. 11, № 9. P. 579-585.

12. Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука

166

2005. 204 c.

13. Vaananen H.K., Zhao H., Mulari M., Halleen J.M. The cell biology of osteoclast function. // J. Cell Sci. 2000. Vol. 113, №3. P. 377-381.

14. Fallon M.D. Alteration in the pH of osteoclast resorbing fluid reflects changes in bone degradative activity // Calcif. Tissue Int. 1984. Vol. 36. P. 458.

15. Trueta J. Studies of the Development and Decay of the Human Frame. Elsevier. 1968.

16. Roberts T.T., Rosenbaum A.J. Bone grafts, bone substitutes and orthobiologics // Organogenesis. 2012. Vol. 8, № 4. P. 114-124.

17. Zyman Z., Glushko V., Filippenko V., Radchenko V., Mezentsev V. Nonstoichiometric hydroxyapatite granules for orthopaedic applications // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2004. Vol. 15, № 5. P. 551-558.

18. Perea G.N.R., Silva M.B., Freitas B.X., Santos E.M.B. dos, Lopes L.C.R., Vitorazi L., Santos C. dos. Synthesis and characterization of non-stoichiometric hydroxyapatite nanoparticles using unmodified and modified starches // Res. Soc. Dev. 2020. Vol. 9, № 12. P. e30791210996.

19. Каназава Т. Неорганические фосфатные материалы. Киев: Наукова думка, 1998. 17109 c.

20. Hochrein O., Kniep R., Zahn D. Atomistic Simulation Study of the Order/Disorder (Monoclinic to Hexagonal) Phase Transition of Hydroxyapatite // Chem. Mater. 2005. Vol. 17, № 8. P. 1978-1981.

21. Kay M.I., Young R.A., Posner A.S. Crystal Structure of Hydroxyapatite // Nature. 1964. Vol. 204, № 4963. P. 1050-1052.

22. Elliott J.C., Mackie P.E., Young R.A. Monoclinic Hydroxyapatite // Science. 1973. Vol. 180, № 4090. P. 1055-1057.

23. Suda H., Yashima M., Kakihana M., Yoshimura M. Monoclinic - Hexagonal Phase Transition in Hydroxyapatite Studied by X-ray Powder Diffraction and Differential Scanning Calorimeter Techniques // J. Phys. Chem. 1995. Vol. 99, № 17. P. 6752-6754.

24. Lang S.B., Marino A.A., Berkovic G., Fowler M., Abreo K.D. Piezoelectricity in the human pineal gland // Bioelectrochemistry Bioenerg. 1996. Vol. 41, № 2. P. 191-195.

25. Tofail S.A.M., Haverty D., Stanton K.T., McMonagle J.B. Structural Order and Dielectric

167

Behaviour of Hydroxyapatite // Ferroelectrics. 2005. Vol. 319, № 1. P. 117-123.

26. Haverty D., Tofail S.A.M., Stanton K.T., McMonagle J.B. Structure and stability of hydroxyapatite: Density functional calculation and Rietveld analysis // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71, № 9. P. 094103.

27. Simkova L., Sulcova P. Characterization and thermal behavior of hydroxyapatite prepared by precipitation // J. Therm. Anal. Calorim. 2019. Vol. 138, № 1. P. 321-329.

28. Azrour M., Azdouz M., Manoun B., Essehli R., Benmokhtar S., Bih L., El Ammari L., Ezzahi A., Ider A., Hou A.A. Rietveld refinements and vibrational spectroscopic studies of Na1-xKxPb4(PO4)3 lacunar apatites (0<x<1) // J. Phys. Chem. Solids. 2011. Vol. 72, № 11. P.1199-1205.

29. Champion E. Sintering of calcium phosphate bioceramics // Acta Biomater. 2013. Vol. 9, № 4. P. 5855-5875.

30. Hill W.L., Faust G.T., Reynolds D.S. The binary system P2O5 -2CaO.P2O5; Part II // Am. J. Sci. 1944. Vol. 242, № 10. P. 542-562.

31. Beucher M. Donnees cristallographiques sur un ultraphosphate de calcium CaP4On // Mater. Res. Bull. 1969. Vol. 4, № 1. P. 15-18.

32. Hill W.L., Reynolds D.S., Hendbicks S.B., Jacob K.D. Nutritive Evaluation of Defluorinated Phosphates and Other Phosphorus Supplements. I. Preparation and Properties of the Samples // J. AOAC Int. 1945. Vol. 28, № 1. P. 105-118.

33. Stachel D., Paulus H., Svoboda I., Fuess H. Crystal structure of calcium ultraphosphate, Ca2P6O17 // Zeitschrift für Krist. 1992. Vol. 202, № 1-2. P. 117-118.

34. Gard D.R. Preparation and Characterization of the Calcium Polyphosphate, Trömelite // Phosphorus. Sulfur. Silicon Relat. Elem. 1993. Vol. 76, № 1-4. P. 231-234.

35. Abe Y., Arahori T., Naruse A. Crystallization of Ca(PO3)2 Glass Below the Glass Transition Temperature // J. Am. Ceram. Soc. 1976. Vol. 59, № 11-12. P. 487-490.

36. Weil M., Puchberger M., Schmedt auf der Günne J., Weber J. Synthesis, Crystal Structure, and Characterization (Vibrational and Solid-State 31P MAS NMR Spectroscopy) of the High-Temperature Modification of Calcium catena -Polyphosphate (V) // Chem. Mater. 2007. Vol. 19, № 21. P. 5067-5073.

37. Wieker W., Grimmer A.-R., Thilo E. Zur Chemie der kondensierten Phosphate und

Arsenate. XXXIX. Uber den Troemelit, das Calciumhexaphosphat Ca4P6Oi9 // Zeitschrift für Anorg. und Allg. Chemie. 1964. Vol. 330, № 1-2. P. 78-90.

38. Webb N.C. The crystal structure of ß-Ca2P2Ü7 // Acta Crystallogr. 1966. Vol. 21, № 6. P. 942-948.

39. Calvo C. Crystal structure of alpha-Ca2P2O7 // Inorg. Chem. 1968. Vol. 7, № 7. P. 13451351.

40. Corbridge D.E.C. Crystallographic data on some hypophosphates and pyrophosphates // Acta Crystallogr. 1957. Vol. 10, № 1. P. 85-85.

41. Bian J., Kim D.-W., Hong K.S. Microwave dielectric properties of Ca2P2O7 // J. Eur. Ceram. Soc. 2003. Vol. 23, № 14. P. 2589-2592.

42. Parodi J.A., Hickok R.L., Segelken W.G., Cooper J.R. Electronic Paramagnetic Resonance Study of the Thermal Decomposition of Dibasic Calcium Orthophosphate // J. Electrochem. Soc. 1965. Vol. 112, № 7. P. 688.

43. Belik A.A., Izumi F., Stefanovich Y., Malakho A.P., Lazoryak B.I., Leonidov I.A., Leonidova O.N., Davydov S.A. Polar and Centrosymmetric Phases in Solid Solutions Ca3-xSrx(PO4)2 ( 0<x<16/7) // Chem. Mater. 2002. Vol. 2, № 14. P. 3197-3205.

44. Ritzoulis C., Scoutaris N., Papademetriou K., Stavroulias S., Panayiotou C. Milk protein-based emulsion gels for bone tissue engineering // Food Hydrocoll. 2005. Vol. 19, № 3. P. 575-581.

45. Dickens B., Brown W.E., Kruger G.J., Stewart J.M. Ca4(PO4)2O, tetracalcium diphosphate monoxide. Crystal structure and relationships to Ca5(PO4)3OH and K3Na(SO4)2 // Acta Crystallogr. Sect. B Struct. Crystallogr. Cryst. Chem. 1973. Vol. 29, № 10. P. 2046-2056.

46. Jalota S., Tas A.C., Bhaduri S B. Synthesis of HA-Seeded TTCP (Ca4(PO4)2O) Powders at 1230°C from Ca(CH3COO)2*H2O and NH4H2PO4 // J. Am. Ceram. Soc. 2005. Vol. 88, № 12. P. 3353-3360.

47. Dorozhkin S.V., Epple M. Biological and Medical Significance of Calcium Phosphates // Angew. Chemie-International Ed. 2002. Vol. 41, № 17. P. 3130-3146.

48. Doremus R.H. Review Bioceramics // J. Mater. Sci. 1992. Vol. 27. P. 285-297.

49. Brown P.W. Phase relationships in the ternary system CaO-P2O5-H2O at 25°C // J. Am. Ceram. Soc. 1992. Vol. 75, № 1. P. 17-22.

50. Martin R.I., Brown P.W. Phase Equilibria Among Acid Calcium Phosphates // J. Am. Ceram. Soc. 1997. Vol. 80, № 5. P. 1263-1266.

51. Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants // J. Mater. Res. 1998. Vol. 13, № 01. P. 94-117.

52. Raynaud S., Champion E., Bernache-Assollant D. Calcium phosphate apatites with variable Ca/P atomic ratio II. Calcination and sintering // Biomaterials. 2002. Vol. 23, № 4. P. 10731080.

53. Gross K.A., Berndt C.C. Biomedical Application of Apatites // Rev. Mineral. Geochemistry. 2002. Vol. 48, № 1. P. 631-672.

54. Bohner M. Physical and chemical aspects of calcium phosphates used in spinal surgery // Eur. Spine J. 2001. №10, P. S114-S121.

55. Deyneko D. V., Morozov V.A., Vasin A.A., Aksenov S.M., Dikhtyar Y.Y., Stefanovich S.Y., Lazoryak B.I. The crystal site engineering and turning of cross-relaxation in green-emitting ß-Cas(PO4)2-related phosphors // J. Lumin. 2020. Vol. 223. P. 117196.

56. Lazoryak B.I., Morozov V.A., Belik A.A., Stefanovich S.Y., Grebenev V. V., Leonidov I.A., Mitberg E.B., Davydov S.A., Lebedev O.I., Van Tendeloo G. Ferroelectric phase transition in the whitlockite-type Ca9Fe(PO4)7; crystal structure of the paraelectric phase at 923 K // Solid State Sci. 2004. Vol. 6, № 2. P. 185-195.

57. Kwon S.-H., Jun Y.-K., Hong S.-H., Kim H.-E. Synthesis and dissolution behavior of ß-TCP and HA/ß-TCP composite powders // J. Eur. Ceram. Soc. 2003. Vol. 23, № 7. P. 10391045.

58. Camire C.L., Jegou Sant-Jean S., Hansen S., McCartny I., Lidgren L. Hydration characteristics of a-tricalcium phosphates: Comparison of preparation routes // J. Appl. Biomater. Biomech. 2005. Vol. 3, № 2. P. 106-111.

59. Jokic B., Jankovic-Castvan I., Veljovic D.J., Bucevac D., Obradovic-Djuricic K., Petrovic R., Janackovic D.J. Synthesis and settings behavior of a-TCP from calcium deficient hyroxyapatite obtained by hydrothermal method // J. Optoelectron. Adv. Mater. 2007. Vol. 9, № 6. P. 1904-1910.

60. Thompson R.M., Xie X., Zhai S., Downs R.T., Yang H. A comparison of the Ca3(PO4)2 and

CaSiO3 systems, with a new structure refinement of tuite synthesized at 15 GPa and 1300°C

170

// Am. Mineral. 2013. Vol. 98, № 8-9. P. 1585-1592.

61. Дейнеко Д.В. Новые витлокитоподобные фосфаты, содержащие свинец. Дисс. канд. хим. н. МГУ им. М.В. Ломоносова. 2013.

62. Morozov V.A., Belik A.A., Stefanovich S.Y., Grebenev V.V., Lebedev O.I., Van Tendeloo G., Lazoryak B.I. High-Temperature Phase Transition in the Whitlockite-Type Phosphate Ca9ln(PO4)7 // J. Solid State Chem. 2002. Vol. 165, № 2. P. 278-288.

63. Yashima M., Sakai A. High-temperature neutron powder diffraction study of the structural phase transition between a and a' phases in tricalcium phosphate Ca3(PO4)2 // Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 372, № 5-6. P. 779-783.

64. Carrodeguas R.G., De Aza S. a-Tricalcium phosphate: Synthesis, properties and biomedical applications // Acta Biomater. 2011. Vol. 7, № 10. P. 3536-3546.

65. Mathew M., Schroeder L.W., Dickens B., Brown W.E. The crystal structure of a-Ca3(PO4)2 // Acta Crystallogr. Sect. B Struct. Crystallogr. Cryst. Chem. 1977. Vol. 33, № 5. P. 13251333.

66. Dickens B., Schroeder L.W., Brown W.E. Crystallographic studies of the role of Mg as a stabilizing impurity in P-Ca3(PO4)2. The crystal structure of pure P-Ca3(PO4)2 // J. Solid State Chem. 1974. Vol. 10, № 3. P. 232-248.

67. Knowles J.C., Gibson I.R., Abrahams I. High temperature phase transition in Ca3(PO4)2 measured by neutron diffraction // Bioceramics. 1999. P. 341-344.

68. Rabadjieva D., Tepavitcharova S., Gergulova R., Sezanova K., Titorenkova R., Petrov O., Dyulgerova E. Mg- and Zn-modified calcium phosphates prepared by biomimetic precipitation and subsequent treatment at high temperature // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2011. Vol. 22, № 10. P. 2187-2196.

69. Famery R., Richard N., Boch P. Preparation of a- and P-tricalcium phosphate ceramics, with and without magnesium addition // Ceram. Int. 1994. Vol. 20, № 5. P. 327-336.

70. Fielding G.A., Bandyopadhyay A., Bose S. Effects of silica and zinc oxide doping on mechanical and biological properties of 3D printed tricalcium phosphate tissue engineering scaffolds // Dent. Mater. 2012. Vol. 28, № 2. P. 113-122.

71. Douard N., Detsch R., Chotard-Ghodsnia R., Damia C., Deisinger U., Champion E. Processing, physico-chemical characterisation and in vitro evaluation of silicon containing

ß-tricalcium phosphate ceramics // Mater. Sci. Eng. C. 2011. Vol. 31, № 3. P. 531-539.

72. Seeley Z., Bandyopadhyay A., Bose S. Influence of TiO2 and Ag2O addition on tricalcium phosphate ceramics // J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2007. Vol. 82A, № 1. P. 113-121.

73. Lazoryak B.I. Design of inorganic compounds with tetrahedral anions // Russ. Chem. Rev. 1996. Vol. 65, № 4. P. 287-305.

74. Franck H.H., Bredig M.A., Frank R. Untersuchungen über Kalk-Alkaliphosphate. I. Ein Beitrag zur Kenntnis des Rhenaniaphosphates // Zeitschrift für Anorg. und Allg. Chemie. 1936. Vol. 230, № 1-2. P. 1-27.

75. Evdokimov P.V., Putlyaev V.I., Ivanov V.K., Garshev A.P., Shatalova T.B., Orlov N.K., Klimashina E.S., Safronova T.V. Phase equilibria in the tricalcium phosphate-mixed calcium sodium (potassium) phosphate systems // Russ. J. Inorg. Chem. 2014. Vol. 59, № 11.

76. Ben Amara M., Vlasse M., Le Flem G., Hagenmuller P. Structure of the low-temperature variety of calcium sodium orthophosphate, NaCaPO4 // Acta Crystallogr. Sect. C Cryst. Struct. Commun. 1983. Vol. 39, № 11. P. 1483-1485.

77. Bredig M.A. Isomorphism and allotrophy in compounds of the type A2XO4 // J. Phys. Chem. 1942. Vol. 46, № 7. P. 747-764.

78. Herzlieb W., Köhler K.M., Ewald A., Hofmann N., Gbureck U. Antimicrobial and physicochemical properties of experimental light curing composites with alkali-substituted calcium phosphate fillers // Dent. Mater. 2012. Vol. 28, № 6. P. 597-603.

79. Schickle K., Zurlinden K., Bergmann C., Lindner M., Kirsten A., Laub M., Telle R., Jennissen H., Fischer H. Synthesis of novel tricalcium phosphate-bioactive glass composite and functionalization with rhBMP-2 // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2011. Vol. 22, № 4. P. 763-771.

80. Bennazha J., Boukhari A., Holt E.M. Synthesis and crystal structure of Na2CaP2O7 // Solid State Sci. 1999. Vol. 1, № 6. P. 373-380.

81. Xiao F., Song E.H., Zhang Q.Y. A yellow-emitting phosphor of Mn2+-doped Na2CaP2O7 // Spectrochim. Acta Part A Mol. Biomol. Spectrosc. 2014. Vol. 122. P. 343-347.

82. Klement R., Kresse P. Die Polymorphie der Alkali-Erdalkaliphosphate, -arsenate und -vanadate // Zeitschrift fur Anorg. und Allg. Chemie. 1961. Vol. 310, № 1-2. P. 53-68.

83. Ando J., Matsuno S. Cas(PO4)2-CaNaPO4 System // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1968. Vol. 41, № 2. P. 342-347.

84. Евдокимов П.В. Двойные фосфаты Ca(3-x)M2x(PO4)2 (M=Na, K) как основа макропористой биокерамики со специальной архитектурой. Дисс. канд. хим. н. МГУ им. М.В. Ломоносова. 2014.

85. Ando J. Phase Diagrams of Ca3(PO4)2-Mg3(PO4)2 and Ca3(PO4)2-CaNaPO4 // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1958. Vol. 31, № 2. P. 201-205.

86. Berger G., Gildenhaar R., Ploska U. Rapid resorbable, glassy crystalline materials on the basis of calcium alkali orthophosphates // Biomaterials. 1995. Vol. 16, № 16. P. 1241-1248.

87. Knowles J.C., Franks K., Abrahams I. Investigation of the solubility and ion release in the glass system K2O-Na2O-CaO-P2O5 // Biomaterials. 2001. Vol. 22, № 23. P. 3091-3096.

88. Znamierowska T. Roownowagi fazowe w ukladzie CaO-K2O-P2O5. Cz. VII. Uklad czastkowy CaO-CaK2P2Oy-Cas(PO4)2 // Zesz. Nauk. Politech. Sl. 1982. Vol. 709. P. 23-32.

89. Deyneko D. V., Stefanovich S.Y., Mosunov a. V., Baryshnikova O. V., Lazoryak B.I. Ca10.5-xPbx(PO4)7 and Ca9.5-xPbxM(PO4)7 ferroelectrics with the whitlockite structure // Inorg. Mater. 2013. Vol. 49, № 8. P. 807-812.

90. Evdokimov P. V., Putlyaev V.I., Ivanov V.K., Garshev A.P., Shatalova T.B., Orlov N.K., Klimashina E.S., Safronova T. V. Phase equilibria in the tricalcium phosphate-mixed calcium sodium (potassium) phosphate systems // Russ. J. Inorg. Chem. 2014. Vol. 59, № 11. P. 1219-1227.

91. Znamierowska T. Uklad Cas(PO4)2-CaKPO4-CaNaPO4. Czesc II. // Zesz. Nauk. Politech. Sl. 1982. Vol. 709, № 100. P. 45-56.

92. Znamierowska T. Uklad Cas(PO4)2-CaKPO4-CaNaPO4. Czesc I. // Zesz. Nauk. Politech. Sl. 1982. Vol. 709, № 100. P. 33-43.

93. Isupov V.A. Phase Transitions in Anhydrous Phosphates, Vanadates and Arsenates of Monovalent and Bivalent Elements // Ferroelectrics. 2002. Vol. 274, № 1. P. 203-283.

94. Virkar A. V., Jue J.F., Smith P., Mehta K., Prettyman K. The role of ferroelasticity in toughening of brittle materials // Phase Transitions. 1991. Vol. 35, № 1. P. 27-46.

95. Kurzynski M. A universal order-disorder mechanism of structural phase transitions in A'A''BX4 compounds // Phase Transitions. 1994. Vol. 52, № 1. P. 1-56.

96. Glasser L., Jenkins H.D.B. Lattice Energies and Unit Cell Volumes of Complex Ionic Solids // J. Am. Chem. Soc. 2000. Vol. 122, № 4. P. 632-638.

97. Jenkins H.D.B. Thermodynamics of the Relationship between Lattice Energy and Lattice Enthalpy // J. Chem. Educ. 2005. Vol. 82, № 6. P. 950.

98. Flora N.J., Yoder C.H., Jenkins H.D.B. Lattice Energies of Apatites and the Estimation of AHf°(PO43-, g) // Inorg. Chem. 2004. Vol. 43, № 7. P. 2340-2345.

99. Marcus Y. The thermodynamics of solvation of ions. Part 2.—The enthalpy of hydration at 298.15 K // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1 Phys. Chem. Condens. Phases. 1987. Vol. 83, № 2. P. 339-349.

100. Marcus Y. The hydration entropies of ions and their effects on the structure of water // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1. 1986. Vol. 82, № 1. P. 233-242.

101. Blair H.C. How the osteoclast degrades bone // BioEssays. 1998. Vol. 20, № 10. P. 837846.

102. Henriksen K., Bollerslev J., Everts V., Karsdal M.A. Osteoclast Activity and Subtypes as a Function of Physiology and Pathology—Implications for Future Treatments of Osteoporosis // Endocr. Rev. 2011. Vol. 32, № 1. P. 31-63.

103. Knabe C., Berger G., Gildenhaar R., Howlett C.R., Markovic B., Zreiqat H. The functional expression of human bone-derived cells grown on rapidly resorbable calcium phosphate ceramics // Biomaterials. 2004. Vol. 25, № 2. P. 335-344.

104. Kodama H. Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer // Rev. Sci. Instrum. 1981. Vol. 52, № 11. P. 1770-1773.

105. Nakai T., Marutani Y. Shaping 3-D solid objects using a UV laser and photopolymer // Conference on Lasers and Electro-Optics. 1986. P. ME2.

106. Chinellato F., Wilbig J., Al-Sabbagh D., Colombo P., Günster J. Gas flow assisted powder deposition for enhanced flowability of fine powders: 3D printing of a-tricalcium phosphate // Open Ceram. 2020. Vol. 1. P. 100003.

107. Torres J., Tamimi F., Alkhraisat M.H., Prados-Frutos J.C., Rastikerdar E., Gbureck U., Barralet J.E., López-Cabarcos E. Vertical bone augmentation with 3D-synthetic monetite blocks in the rabbit calvaria // J. Clin. Periodontol. 2011. Vol. 38, № 12. P. 1147-1153.

108. Tamimi F., Torres J., Al-Abedalla K., Lopez-Cabarcos E., Alkhraisat M.H., Bassett D.C.,

Gbureck U., Barralet J.E. Osseointegration of dental implants in 3D-printed synthetic onlay grafts customized according to bone metabolic activity in recipient site // Biomaterials. 2014. Vol. 35, № 21. P. 5436-5445.

109. Zocca A., Colombo P., Gomes C.M., Gunster J. Additive Manufacturing of Ceramics: Issues, Potentialities, and Opportunities // J. Am. Ceram. Soc. / ed. Green D.J. 2015. Vol. 98, № 7. P. 1983-2001.

110. Gunster J., Zocca A., Gomes C.M., Muhler T. Method for Stabilizing a Powder Bed by Means of Vacuum for Additive Manufacturing: pat. 9533452B2 USA. 2017.

111. Suk-Joong L. Kang. Sintering. 1st Edition. Densification, Grain Growth and Microstructure. Butterwort. Butterwort: Butterwort, 2004. 280 p.

112. Barsoum M.W. Fundamentals of ceramics // Antimicrobial agents and chemotherapy. IOP Publis. 2003. № 12.

113. Rahaman M.N. Ceramic Processing and Sintering. Marcek Dekker, Inc. 2003. 875 p.

114. Garcia D.E., Seidel J., Janssen R., Claussen N. Fast firing of alumina // J. Eur. Ceram. Soc. 1995. Vol. 15, № 10. P. 935-938.

115. Teng M.-H., Lai Y.-C., Chen Y.-T. A Computer program of Master Sintering Curve model to accurately predict sintering results // Western Pacific Earth Sciences. 2002. Vol. 2, № 2. P.171-180.

116. Su H., Johnson D.L. Master Sintering Curve: A Practical Approach to Sintering // J. Am. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79, № 12. P. 3211-3217.

117. Wang J., Raj R. Estimate of the Activation Energies for Boundary Diffusion from Rate-Controlled Sintering of Pure Alumina, and Alumina Doped with Zirconia or Titania // J. Am. Ceram. Soc. 1990. Vol. 73, № 5. P. 1172-1175.

118. Lee Y.-S., Lee S.-J., Lee S., Kim E.-Z., Yoon D.J. Development of a Master Sintering Curve for Al-Mg Alloy // Adv. Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 2016. P. 1-7.

119. Batista R.M., Naranjo J.F.R., Muccillo E.N.S. A Versatile Software for Construction of the Master Sintering Curve // Mater. Sci. Forum. 2018. Vol. 912. P. 240-244.

120. Katz J.D. Microwave Sintering of Ceramics // Annu. Rev. Mater. Sci. 1992. Vol. 22, № 1. P. 153-170.

121. Kim H.-W., Koh Y.-H., Yoon B.-H., Kim H.-E. Reaction Sintering and Mechanical

175

Properties of Hydroxyapatite-Zirconia Composites with Calcium Fluoride Additions // J. Am. Ceram. Soc. 2002. Vol. 85, № 6. P. 1634-1636.

122. Tampieri A., Celotti G., Szontagh F., Landi E. Sintering and characterization of HA and TCP bioceramics with control of their strength and phase purity // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1997. Vol. 8, № 1. P. 29-37.

123. Cuccu A., Montinaro S., Orru R., Cao G., Bellucci D., Sola A., Cannillo V. Consolidation of different hydroxyapatite powders by SPS: Optimization of the sintering conditions and characterization of the obtained bulk products // Ceram. Int. 2015. Vol. 41, № 1. P. 725736.

124. Zhong L., Aik K. Transparent Hydroxyapatite Obtained through Spark Plasma Sintering: Optical and Mechanical Properties // Key Eng. Mater. 2015. Vol. 631. P. 51-56.

125. Kim B.-N., Prajatelistia E., Han Y.-H., Son H.-W., Sakka Y., Kim S. Transparent Hydroxyapatite Ceramics Consolidated by Spark Plasma Sintering // Scr. Mater. 2013. Vol. 69, № 5. P. 366-369.

126. Ioku K., Kawagoe D., Toya H., Fujimori H., Goto S., Ishida K., Mikuni A., Mae H. OH-designed Transparent Apatite Ceramics Prepared by Spark Plasma Sintering // Trans. Mater. Res. Soc. Japan. 2002. Vol. 27, № 2. P. 447-449.

127. Gu Y.W., Loh N.H., Khor K.A., Tor S.B., Cheang P. Spark plasma sintering of hydroxyapatite powders // Biomaterials. 2002. Vol. 23, № 1. P. 37-43.

128. Cologna M., Francis J.S.C., Raj R. Field assisted and flash sintering of alumina and its relationship to conductivity and MgO-doping // J. Eur. Ceram. Soc. 2011. Vol. 31, № 15. P. 2827-2837.

129. Yu M., Grasso S., Mckinnon R., Saunders T., Reece M.J. Review of flash sintering: materials, mechanisms and modelling // Adv. Appl. Ceram. 2017. Vol. 116, № 1. P. 24-60.

130. Biesuz M., Sglavo V.M. Microstructural Temperature Gradient-Driven Diffusion: Possible Densification Mechanism for Flash Sintering of Zirconia? // Ceram. Int. 2019. Vol. 45, № 1. P. 1227-1236.

131. Dancer C.E.J. Flash Sintering of Ceramic Materials // Mater. Res. Express. 2016. Vol. 3, № 10. P. 102001.

132. Bajpai I., Han Y.-H., Yun J., Francis J., Kim S., Raj R. Preliminary investigation of

hydroxyapatite microstructures prepared by flash sintering // Adv. Appl. Ceram. 2016. Vol. 115, № 5. P. 276-281.

133. Hulbert D.M., Anders A., Dudina D. V., Andersson J., Jiang D., Unuvar C., Anselmi-Tamburini U., Lavernia E.J., Mukherjee A.K. The absence of plasma in "Spark Plasma Sintering" // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 104, № 3. P. 033305.

134. Kim H., Kawahara M., Tokita M. Specimen Temperature and Sinterability of Ni Powder by Spark Plasma Sintering. // J. Japan Soc. Powder Powder Metall. 2000. Vol. 47, № 8. P. 887-891.

135. Munir Z. The Use of an Electric Field as a Processing Parameter in the Combustion Synthesis of Ceramics and Composites // Metall. Mater. Trans. A. 1996. Vol. 27A, № 8. P. 2080-2085.

136. Frasnelli M., Sglavo V.M. Flash sintering of tricalcium phosphate (TCP) bioceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2017. Vol. 38. P. 279-285.

137. Vasylkiv O., Borodianska H., Sakka Y., Demirskyi D. Flash spark plasma sintering of ultrafine yttria-stabilized zirconia ceramics // Scr. Mater. 2016. Vol. 121. P. 32-36.

138. Wang C. et al. A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds // Science. 2020. Vol. 368, № 6490. P. 521-526.

139. Guo R.-F., Mao H.-R., Zhao Z.-T., Shen P. Ultrafast high-temperature sintering of bulk oxides // Scr. Mater. 2021. Vol. 193. P. 103-107.

140. Kermani M., Dong J., Biesuz M., Linx Y., Deng H., Sglavo V.M., Reece M.J., Hu C., Grasso S. Ultrafast high-temperature sintering (UHS) of fine grained a-Al2O3 // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. Vol. 41, № 13. P. 6626-6633.

141. Natl. Bur. Stand. (U.S.) Monogr. 25, 19, (1982), 70.

142. Fett T., Rizzi G., Ernst E., Müller R., Oberacker R. A 3-balls-on-3-balls strength test for ceramic disks // J. Eur. Ceram. Soc. 2007. Vol. 27, № 1. P. 1-12.

143. Börger A., Supancic P., Danzer R. The ball on three balls test for strength testing of brittle discs: Part II: analysis of possible errors in the strength determination // J. Eur. Ceram. Soc. 2004. Vol. 24, № 10-11. P. 2917-2928.

144. Milosevski M., Bossert J., Milosevski D., Gruevska N. Preparation and properties of dense and porous calcium phosphate // Ceram. Int. 1999. Vol. 25, № 8. P. 693-696.

145. Evans A.G., Charles E.A. Fracture Toughness Determinations by Indentation // J. Am. Ceram. Soc. 1976. Vol. 59, № 7-8. P. 371-372.

146. Brostrom M., Enestam S., Backman R., Makela K. Condensation in the KCl - NaCl system // Fuel Process. Technol. 2013. Vol. 105. P. 142-148.

147. Aizu K. Possible species of "Ferroelastic" crystals and of simultaneously ferroelectric and ferroelastic crystals // J. Phys. Soc. 1969. Vol. 27, № 2. P. 387-396.

148. Sapriel J. Domain-wall orientations in ferroelastics // Phys. Rev. B. 1975. Vol. 12, № 11. P. 5128-5140.

149. Rudyak V.M. Viscosity phenomena and switching processes in ferroelastics // Ferroelectrics. 1983. Vol. 48, № 1. P. 131-141.

150. Subbarao E.C., Maiti H.S., Srivastava K.K. Martensitic transformation in zirconia // Phys. Status Solidi. 1974. Vol. 21, № 1. P. 9-40.

151. Mercer C., Williams J.R., Clarke D.R., Evans A.G. On a ferroelastic mechanism governing the toughness of metastable tetragonal-prime (t') yttria-stabilized zirconia // Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 2007. Vol. 463, № 2081. P. 1393-1408.

152. Nikolova R., Kostov-Kytin V. Crystal chemistry of "glaserite" type compounds // Bulg. Chem. Commun. 2013. Vol. 45, № 4. P. 418-426.

153. Wen Y.H., Wang Y., Chen L.Q. Phase-field simulation of domain structure evolution during a coherent hexagonal-to-orthorhombic transformation // Philos. Mag. A. 2000. Vol. 80, № 9. P. 1967-1982.

154. Cui Y., Koyama T., Ohnuma I., Oikawa K., Kainuma R., Ishida K. Simulation of hexagonal-orthorhombic phase transformation in polycrystals // Acta Mater. 2007. Vol. 55, № 1. P. 233-241.

155. Li X., Jiang L., Wang Y., Mohagheghian I., Dear J.P., Li L., Yan Y. Correlation between K+-Na+ diffusion coefficient and flexural strength of chemically tempered aluminosilicate glass // J. Non. Cryst. Solids. 2017. Vol. 471. P. 72-81.

156. Barrer R.M., Rees L.V.C. Self-diffusion of alkali metal ions in analcite // Trans. Faraday Soc. 1960. Vol. 56. P. 709.

157. Clark M.A., Alden T.H. Deformation Enchanced Grain Growth Sn-1% Bi Alloy // Acta Metall. 1973. Vol. 21, № 9. P. 1195-1206.

158. Besson J., Abouaf M. Grain Growth Enhancement in Alumina during Hot Isostatic Pressing // Acta Met. mater. 1991. Vol. 39, № 10. P. 2225-2234.

159. Venkatachari K.R., Raj R. Superplactic Flow in Fine-Grained Alumina // J. Am. Ceram. Soc. 1986. Vol. 38, № 2. P. 135-138.

160. Wilkinson D.S., Cacers C.H. On the Mechanism of Strain-Enchanced Grain Growth during Superplastic Deformation // Acta Metall. 1984. Vol. 32, № 9. P. 1335-1345.

161. Todd R.I., Zapata-Solvas E., Bonila R.S., Sneddon T., Wilshaw P.R. Electrical characteristics of flash sintering: thermal runaway of Joule heating // J. Eur. Ceram. Soc. 2015. Vol. 35, № 6. P. 1865-1877.

162. Chaim R. Liquid Film Capillary Mechanism for Densification of Ceramic Powders during Flash Sintering // Materials (Basel). 2016. Vol. 9, № 4. P. 280.

163. Ren K., Wang Q., Lian Y., Wang Y. Densification Kinetics of Flash Sintered 3mol% Y2O3 Stabilized Zirconia // J. Alloys Compd. 2018. Vol. 747. P. 1073-1077.

164. Biesuz M., Sglavo V.M. Flash sintering of ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. Vol. 39, № 2-3. P. 115-143.

165. Janek J., Sann J., Mogwitz B., Rohnke M., Kleine-Boymann M. Degradation of Functional Materials in Temperature Gradients // J. Korean Ceram. Soc. 2012. Vol. 49, № 1. P. 56-65.

166. Bokshtein B.S., Bokshtein S.Z., Zhukhovicki A.A. Thermodynamics and Kinetic of Diffusion in Solid Body. 1974. 280 p.

Распределение размеров зерен в керамике после классического спекания при различных температурах в течение различного времени

Таблица изменения мольного объема реакций, используемых в реакционном спекании.

Реакция ДVm, См3/моЛЬ

0.15СаК4(Р04)2 + 0.15Саз(Р04)2 + 0.4Са№Р04 ^ CaK0.6Na0.4PO4 -

0.1СаШ4(Р04)2 + 0.2Саз(Р04)2 + 0.6СаКР04 ^ CaK0.6Na0.4PO4 -

0.3СаК2Р207 + 0.3CaCOз + 0.4CaNaPO4^ CaK0.6Na0.4PO4 + 0.ЗСО2Т -5.355

0.5Ca2P2O7 + 0.ЗК2СО3 + 0.2№2С0З^ CaK0.6Na0.4PO4 + 0.5Ш2? -9.499

0.5Ca2P2O7 + 0ЖШз + CaK0.6Na0.4PO4 + Ш2Т+ 0.2502t -27.883

Фотографии спеченного образца CaK0.6Na0.4PO4 со структурой Кельвина.

в) г)

а) изначальный вид структуры, предварительно спеченной при 1200°С в течение 12 часов; б) вид структуры после быстрого спекания; в) вид структуры с торца, подключенного к отрицательному контакту источника тока; г) вид структуры с торца, подключенного к положительному контакту источника тока.

Фотография отрицательного электрода со следами коррозии после быстрого спекания образца CaK0.6Na0.4PO4 со структурой Кельвина и результаты РФА следов взаимодействия.

а) б)

а) вид структуры с торца, подключенного положительному контакту источника тока; г) результаты РФА порошка, собранного с отрицательного электрода.

Мне хотелось бы выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю B. И. Путляеву за обучение и руководство работой в течение 9 лет моего обучения в на факультете наук о материалах.

Также хотелось бы поблагодарить заведующего кафедрой междисциплинарного материаловедения Иевлева BM.; администрацию, сотрудников и преподавателей Факультета наук о материалах за предоставленную возможность учиться на факультете.

Благодарность за неоценимую помощь и советы хочется выразить коллективам кафедр междисциплинарного материаловедения и неорганической химии и группе электронной микроскопии лаборатории неорганического материаловедения. B особенности автор благодарит Евдокимова n.B., Милькина n.A., Киселеву A.K, Кнотько A.B., Гаршева A.B., Климашину Е.С., Сафронову T.B., Филлиппова Я.Ю., Ларионова Д.С., Зуева Д.М., Казакову Г.К., Козлова ДА., Тихонова A.A., Тихонову C.A.

За помощь в проведении экспериментов хочется поблагодарить сотрудников кафедры неорганической химии Химического факультета МГУ имени МЗ. Ломоносова Филиппову Т^., Шаталову Т.Б., Тябликова A.C., Напольского К.С., Кушнира С.Е., а также сотрудника института кристаллографии имени A.B. Шубникова PAH Гребенева B.B. и сотрудника кафедры физики твердого тела Bоронежского государственного технического университета Костюченко A.B.

Отдельно хочется сказать слова благодарности всем сотрудникам лаборатории Химической термодинамики кафедры Физической химии Химического факультета МГУ имени МЗ. Ломоносова и в особенности Успенской ИА., Коваленко H.A., Курдаковой C.B. и Дзу-бану A.B. за ценные советы и готовность помочь.

Aвтор выражает благодарность сотрудникам Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM г.Берлин) отдела 5.4 «Keramische Prozesstechnik und Biowerkstoffe» Jens Günster, Andrea Zocca, Dagmar Nicolaides, Janka Wilbig, Jörg Lichtenborg, Raphael Bernardino и Heidi Marx, а также сотрудникам University of Trento Vincenzo Sglavo и Mattia Biesuz.

Я отдельно благодарен своей семье за поддержку в ходе выполнения данной работы. Особенно хотелось бы поблагодарить мою жену Елену Орлову за ее любовь, заботу и терпение все это время, а также Aлексея Орлова, Екатерину Игонину, Матильду Орлову и Исаака Орлова за их моральную поддержку.