ИСТИНА

В настоящее время остро стоит проблема поиска новых составов для разработки и производства материалов для замены костной ткани. Однако тип и качество существующих на сегодняшний день материалов имплантатов и технология их изготовления неудовлетворительны. Причем наиболее проблемной областью являются инженерные и материаловедческие проблемы создания имплантатов определенного химического и фазового состава, с определенной морфологической архитектурой и приемлемыми механическими характеристики. Важнейшими характеристиками разрабатываемых материалов для замены костной ткани являются: 1) биосовместимость, то есть с химической точки зрения, подобие имплантата костной ткани или такой фазовый состав, чтобы не вызывал негативного ответа организма, а, в идеале, способствовал быстрой и эффективной замене нативной костной ткани; 2) способность к резорбции, которая коррелирует с растворимостью материалов в слабокислых и нейтральных средах; 3) остеокондуктивность (или остеопроводимость) – способность материала обеспечивать проходимость биологических жидкостей, прорастание в имплантат кровеносных сосудов (васкуляризация), адгезию и связывание остеогенных клеток, эти характеристики коррелирует с физической проницаемостью пористого тела; 4) достаточная механическая прочность материала (не менее 2 МПа, считая нижний предел прочности для губчатой кости 2-12 МПа) на начальном этапе, пока не произойдет армирование имплантата прорастанием и/или заменой на нативную костную ткань. На сегодняшний день фосфаты кальция (CaP) являются наиболее часто используемыми для создания биокерамики материалами. Однако их низкая растворимость и медленная деградация при имплантации in vivo являются их основными недостатками, что заставляет искать более перспективные химические соединения для создания биокерамики с улучшенными свойствами. Обнадёживающим выглядит семейство фосфатов магния (MgP), которое можно использовать для создания рассасывающейся биокерамики для инженерии костной ткани. Фосфаты магния потенциально будут обладать более высокой способностью к растворению in vitro и in vivo со скоростью, сопоставимой с образованием новой костной ткани в организме. Помимо этого магний является важным элементом в организме человека, так как играет важную роль в костном метаболизме, стабилизации ДНК и развитии скелета. Кроме того, керамика на основе фосфатов магния будет обладать повышенной прочностью за счет меньшего радиуса иона магния и, потому, более плотной и прочной кристаллической решетки. Однако, несмотря на все перечисленные потенциальные преимущества и перспективы, керамические материалы на основе фосфатов магния – мало разработанная область, как в фундаментальных, так и в прикладных аспектах. Проектирование оптимальной морфологической архитектуры такой керамики с регулярными, связанными между собой макропорами и ее точное воспроизведение в керамике заданного состава представляют собой серьезный научно-технологический вызов. Ответ на него может быть дан только в рамках современных методов быстрого прототипирования и новых подходов к разработке тканеинженерных конструкций заданного химического состава. В связи с перспективами и слабой проработанностью магнийфосфатной керамики в качестве остеопластического материала, целью данной работы является создание нового поколения высокопрочной биорезорбируемой керамики в качестве основы тканеинженерных конструкций для регенеративной медицины костной ткани на основе магнийсодержащих фосфатов. Поэтому необходимо практически с нуля разрабатывать и/или подбирать методику синтеза порошковых прекурсоров MgP, всесторонне исследовать физико-химические свойства как порошкового, так и керамического материала, механические свойства, биосовместимость in vitro (и in vivo) биокерамики, тканеинженерных конструкций на ее основе. Следует особо отметить, что в отличие от фосфатов кальция, в случае фосфатов магния многие фундаментальные вопросы, связанные с синтезом порошков и формированием керамики не до конца прояснены, и это является причиной их меньшей доли в научных публикациях. Изготовление материала с оптимальной архитектуры для реконструкции твердых тканей неразрывно связано с применением аддитивных технологий (АТ). За последнее десятилетие интерес и вложения в эту область только возросли, в частности, в ближайшем будущем для создания медицинских материалов специальной архитектуры применение АТ (и ее компонентов: САПР, 3D-печати) практически безальтернативно. А вместо допирования магнием биоматериалов на основе фосфатов кальция в настоящее время наблюдается тенденция к использованию самих фосфатов магния и магнийсодержащих биоматериалов. Поэтому задачами данной работы были: 1) подбор оптимальных условий растворного и твердофазного синтеза фосфатов магния из различных прекурсоров; физико-химическое изучение свойств порошков фосфатов магния, в частности, ортофосфата магния, Mg3(PO4)2; изучение влияния различных количественных соотношений Mg/P в системе MgO-P2O5 на физико-химические свойства и фазовый состав материалов; получение ортофосфатных плотных образцов, полученных методом спекания и пористых керамических образцов, полученных растворным методом; исследование микроструктуры, плотности и механических характеристик керамических материалов, в зависимости от состава и условий термообработки образцов. Методы исследования: РФА, РЭМ, РСМА, ТГА/ДТА, ИК-спектроскопия, гранулометрия со статическим лазерным рассеянием света, pH-метрия растворов, механические испытания. На первый взгляд, самым простым методом получения дисперсных порошков фосфатов магния для последующего их спекания является осаждение из растворов, однако по сравнению с системой CaO-P2O5-Н2О бинарная система MgO-P2O5-Н2О изучена существенно меньше с физико-химической и биомедицинской точки зрения. Следует обратить внимание на сложные фазовые взаимосвязи между гидратированными фазами различных фосфатов магния, поэтому классическое осаждение из раствора искомого соединения проблематично из-за склонности фосфатов магния образовывать многочисленные кристаллогидраты, а также метастабильности средних солей фосфатов магния в водной среде [1]. При подборе и разработке синтеза ортофосфата магния (а также других MgP) из раствора очень важно подобрать подходящие прекурсоры, контролировать ионный состав раствора, постоянно поддерживать заданный pH при выбранной температуре синтеза, так как, согласно данным РФА и моделированию ионных равновесий, область существования по pH ортофосфата магния достаточно узка, а присутствие в смеси катионов натрия и аммония дает возможность образования смешаннокатионных фосфатов магния. Сложность растворного синтеза фосфатов магния обусловлена ещё и тем, что получить однофазный материал затруднительно из-за большого количества гидратных форм, повышенной растворимости получаемых фосфатов, а, следовательно, преимущественному осаждению аморфной фазы (как известно, магний стабилизирует образование аморфной фазы) и, как уже было отмечено, областью существования отдельных фаз при определенных pH. При воспроизведении твердофазной методики, широко описываемой в литературе [2], получить однофазный ортофосфат магния удается не всегда из-за наличия примесной фазы пирофосфата магния. Гарантированно получить однофазный ортофосфат магния возможно в результате твердофазного синтеза, где соотношение в исходном прекурсоре, NH4MgPO4, Mg/P = 2. Полученные твердофазным способом порошки Mg3(PO4)2 пригодны для создания плотных керамических образцов со средним размером зерна ~1 мкм и однородным распределением пор в объеме (рис. 1 а), с относительной плотностью ρотн = 80,5% и механическими характеристиками: ˂σmax˃=31±4 МПа, Е=1,7±0,3 ГПа, а при использовании 10% масс. временного технологического связующего, поливинилового спирта, и многоступенчатого обжига удается заметно улучшить механические характеристики: ˂σmax˃=140,75±7 МПа, Е=9,1±0,3 ГПа, ρотн=89,1%, что в обоих случаях сопоставимо с человеческой костной тканью. Разработана методика получения макропористых материалов со структурой Кельвина на основе порошков ортофосфата магния с заданной 70% пористостью посредством стереолитографической 3D печати. Выбран режим термообработки, обеспечивающий равномерное удаление полимерного связующего, для спекания керамического материала с заданной архитектурой, позволяющий использовать его в регенеративной медицине. Новые материалы на основе фосфатов магния, плотная и макропористая керамика с заданной морфологической архитектурой, с улучшенными перечисленными выше свойствами были получены впервые. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29- 00396, https://rscf.ru/project/24-29-00396/. Литература 1. I.I. Preobrazhenskiy, E.S. Klimashina, Y.Y. Filippov, et al. // Inorg. Mater. 2024. V. 60. № 12. P. 1391. https://doi.org/10.1134/S002016852470162. 2. I.I. Preobrazhenskiy, D.V. Deyneko, A.M. Murashko, et al. // Mendeleev Commun. 2025. V. 35. №. 5. P. 614. https://doi.org/10.71267/mencom.7716.