Ученые из Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук исследовали термическую стабильность синтетического материала — аналога неорганической составляющей костной ткани. Результаты показали, что введение алюминия в решетку гидроксиапатита (ГА) в малых количествах в виде катиона повышает его термическую стабильность и улучшает биосовместимость, что позволит применять его в качестве покрытий на импланты и получать высокотемпературную биокерамику. Исследования материалов совместно с учеными из Казанского Федерального Университета и Казанского университета биохимии и биофизики КазНЦ РАН позволили описать свойства молекулы и построить модель вхождения алюминия в решетку ГА. Результаты опубликованы в журналах Journal of Materials Research and Technology и The Journal of Physical Chemistry B.
Температурная зависимость фазовых превращений гидроксиапатит — трехкальциевый фосфат от содержания алюминия (количество алюминия возрастает от зеленой зоны (0 моль.% к красной — 20 моль.%).
Гидроксиапатит (ГА) является основным минеральным компонентом естественной костной ткани. В ИМЕТ РАН с 1990-х годов занимаются исследованием его свойств и химическим синтезом. Для получения имплантатов для костной ткани ГА синтезируют в виде порошка и подвергают термической обработке — спеканию при высоких температурах. При этом, начиная с температуры 1100°С гидроксиапатит начинает термически разлагаться с удалением из его структуры ОН–групп, что приводит к фазовому распаду и появлению нежелательных продуктов разложения в имплантате.
Учеными ИМЕТ РАН была проведена работа по изучению влияния различных катионов на термическую стабильность ГА. Повышение термической стабильности ГА позволит применять его для нанесения покрытий на имплантаты из Al2O3 или Ti6Al14V, получать высокотемпературную плотную и пористую керамику. В первой работе было установлено, что введение алюминия в количествах до 1 моль % способно обеспечить сохранение чистого ГА при 1200 °С, а также обеспечить преимущественное формирование ГА (до 88 масс. %) при 1400 °С. Дальнейшее повышение концентрации алюминия в ГА, напротив, дестабилизирует кристаллическую решетку и приводит к падению термической стабильности, вплоть до полного перехода из ГА в трехкальциевый фосфат уже при 900 °С в случае замещения 20 моль. % Al. Для выявления данного эффекта был проведен широкий спектр исследований материалов совместно с учеными из МГУ им. М.В. Ломоносова и Белгородского государственного национального исследовательского университета, было изучено влияние алюминия на параметры кристаллической решетки, интенсивность колебаний функциональных групп в молекулах, установлены потери массы при нагреве. Полученные исследования стали основой построения диаграммы термической стабильности ГА, которая может помочь инженерам и технологам в определении температурных режимов спекания или нанесения покрытий с целью сохранения однофазного состояния вещества.
Во второй работе были проведены исследования влияния алюминия на электронный парагнитный резонанс и электрон-ядерный парамагнитный резонанс и построена модель вхождения катионов алюминия в решетку ГА на основе теории функциональной плотности совместно с учеными из Казанского Федерального Университета и Казанского университета биохимиии и биофизики КазНЦ РАН. Учеными из ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России была проведена аттестация спеченных материалов in vitro, показавших улучшение биологических характеристик алюминий-содержащих материалов, по сравнению с чистым ГА. Таким образом, был проведен широкий спектр исследований о влиянии алюминия на кристаллическую структуру, термическое и биологическое поведение ГА.
«Хотя сведения о влиянии алюминия в виде соединений на организм человека на сегодняшний день противоречивы, его продолжают применять в качестве основы для инъекций, носителя лекарственных средств, допирующего катиона при создании имплантатов. Последние сведения показали, что введение малых доз алюминия в решетку ГА в виде катиона, а не в металлическом состоянии, способствовали улучшению биосовместимости и росту матриксных свойств поверхности имплантата», — объясняет первый автор работы Маргарита Гольдберг, кандидат технических наук, научный сотрудник Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук.
