Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

STUDY OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON HYDROXYAPATITE V.M. Skachkov, E.A. Bogdanova, N.A. Sabirzyanov Institute o f Solid State Chemistry o f the Ural Branch o f the RAS, Yekaterinburg, Russia Abstract The aim of this work is to obtain high-strength composite materials based on the hydroxyapatite. It focuses on the investigation of interrelationship among composition, production method, microstructure and mechanical properties of the material. Keywords: biomaterials, hydroxyapatite, mechanical characteristics, microhardness. Разработка материалов, предназначенных для реконструкции косных тканей, является одной из актуальных проблем науки о материалах. Оптимальная биологическая совместимость имплантируемого материала обеспечивается его сходством по своим физико-химическим и структурно-морфологическим характеристикам с замещаемыми им структурами [1]. Такими материалами, активно применяемыми в настоящее время для заполнения костных дефектов и восстановления костной ткани, являются материалы на основе ортофосфатов кальция, в частности гидроксиапатита (ГАП). Однако их использование в качестве материала для имплантатов, несущих механические нагрузки, часто невозможно из-за недостаточности прочностных характеристик и трещиностойкости [ 2 ]. Высокопрочное состояние может быть достигнуто за счет перехода к наноструктурным материалам, где большая доля и особое состояние границ зерен и их малый размер способствуют высокой твердости, прочности и устойчивости к воздействию высоких температур [3-5]. В связи с этим для получения композиционных материалов был использован наноразмерный ГАП, полученный осаждением из растворов [ 6 ]. Прочностные характеристики могут быть также повышены посредством армирования ГАП дисперсными частицами неорганических соединений. Как правило, дисперсно-упрочненные материалы изготавливают по керамической технологии, включающей операцию высокотемпературной термической обработки для спекания порошков. Температура спекания ГАП составляет 1150-1250°С, однако ГАП, полученный осаждением из растворов, частично разлагается с образованием Са 3 (Р 0 4 ) 2 - трикальцийфосфата (ТКФ) уже при 800°С [2, 7, 8 ]. Присутствие ТКФ в ГАП увеличивает его склонность к биодеградации и способствует медленному росту трещин. Введение инородных материалов в керамику ГАП может также способствовать разложению ГАП с образованием ТКФ и, кроме того, может привести к уменьшению биосовместимости композита [2], что указывает на необходимость исследования особенностей химического взаимодействия ГАП с армирующей добавкой при термической обработке, ее влияние на структуру и свойства материала. В направлении получения материалов с улучшенными механическими свойствами и биоактивностью авторами были проведены работы по получению высокопрочных композиционных материалов на основе ГАП, обладающих комплексом физико-химических свойств, способных обеспечить надежное и продолжительное функционирование биоматериала в организме. Целью данной работы было исследование возможности получения материала с оптимальными эксплуатационными характеристиками за счет механосинтеза кристаллического ГАП с армирующей добавкой (CaF 2 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 ) и оценка влияния упрочняющего компонента на состав, микроструктуру и механические свойства материала в широком интервале температур 25-1000°С. Порошки ГАП и упрочняющего компонента (10 и 20% для каждого состава) были активированы механохимическим методом с использованием планетарной шаровой мельницы. Наряду с чистым ГАП, использовали его смесь с этиловым спиртом. Осуществлены основные этапы получения керамики: подготовка порошка; формование заготовок - таблеток (сухое прессование, прессование со спиртом); температурная обработка. Для формования таблеток использовали ручной гидравлический пресс и цилиндрическую стальную пресс-форму. Таблетки диаметром 10 мм и массой 0.44-1.0 г прессовали без выдержки с максимальным давлением в пресс-форме 20 МПа. Образцы отжигали на воздухе в муфельной печи Nabertherm L 9/11 при скорости нагрева 10°/мин. Усадку образцов при спекании оценивали по изменению геометрических параметров с помощью микрометра МК 0-25 мм. Измерение микротвердости образцов по методу Виккерса производили на микротвердомере ПМТ-3М с нагрузкой 0.98 Н (100 г) и временем нагружения 10 с. В результате исследований установлено, что в целом микротвердость поверхности образцов была однородной. Зависимость твердости от температуры для чистого ГАП имеет минимум при 400°С, вероятно, связанный с изменением степени порядка в кристаллах из-за потери решеточной воды и некоторого количества карбонат-ионов. С ростом температуры микротвердость монотонно возрастает за счет повышения степени кристалличности и плотности материала. Добавление спирта при формовании таблеток ГАП отрицательно сказывается на его прочностных характеристиках. Термическая обработка (200-1000°С), несмотря на значительную усадку образца, не приводит к уплотнению материала, а величина микротвердости незначительно превышает начальное значение (рис. ). 469