Разработан оригинальный способ золь-гель (темплатного) синтеза пористых порошков волластонита (CaSiO3) и диоксида циркония (ZrO2) с применением органо-неорганического (полимерный силоксан-акрилатный латекс) и неорганических темплатов (углеродные волокна, углеродные нанотрубки, дисперсный графит). Оптимизированы условия последовательной термодеструкции темплатов для формирования кристаллической фазы материалов нанопористого объема, с минимальным структурным дефектом пор – размер и форма пор соответствует используемым темплатам, в случае полимерного латекса средний размер пор составляет 150-200 нм.

Разработаны способы функционализации пористых дисперсных материалов на основе CaSiO3 и ZrO2 с биосовместимыми кальций-фосфатными фазами (ГАП и ТКФ), а также наночастицами благородным металлов (Au или Ag) для достижения остеоинтеграционных свойств и антибактериальных и противовоспалительных эффектов. Пористый объем материалов варьируется дополнительным введением порообразующих темплатов с последующим их удалением.

Впервые отработан и предложен способ искрового плазменного спекания (ИПС) воластонита и диоксида циркония керамических форм, путем консолидации трех типов исходных порошков, полученных в рамках проекта по разработанному золь-гель (темплатному) синтезу: (а) исходных пористых порошков; (б) аморфного силикатного и оксидного ксерогелей в смеси с полимерным темплатом – промежуточных продуктов «мокрого» синтеза пористых порошков; (в) композитного материала в виде силикатного или оксид-циркониевого ксерогеля, функционализированных биоактивными добавками (ГАП) или наночастицами Au. Оригинальность способа определяется формированием прочного (прочность на сжатие для CaSiO3 120 МПа, для композита - CaSiO3-ГАП 393 МПа) пористого керамического каркаса (нано- и микро- размернымие поры) за счет ИПС консолидации композитного материала, содержащего полимерный темплат (порообразователем), с достижением величины Sуд. 8.56 м2/г.
Разработан и предложен способ контроля пористой структуры керамик на основе CaSiO3 и ZrO2, а также их композитных CaSiO3-ГАП форм, получаемых по технологии ИПС, за счет введения спекающей смеси (порошка) порообразующими темплатами (дисперсный графит, углеродные нанотрубки, углеродные волокна). Отработан метод допирования углеродными темплатами спекающей смеси на стадии твердофазного взаимодействия механического перемешивания. Успешно получены и охарактеризованы образцы керамик с различными структурными и механическими характеристиками, которые определяются типом и количеством вводимого темплата.

Разработан оригинальный способ реакционного-искрового плазменного спекания (Р-ИПС) синтеза композитной керамики на основе ZrO2, содержащего гидроксиапатит. Впервые исследована особенность формирования кальций-фосфатных фаз (ГАП) в количестве 15 и 50 масс.% по реакции “in situ” твердофазного взаимодействия реакционной смеси (CaO и CaHPO4) в объеме спекаемого ZrO2 в условиях ИПС 900-1300 С.

Проведена оценка токсичности образцов пористого керамического CaSiO3 «in vivo», полученных при различных условиях ИПС. По результатам общего анализа крови выявлено токсикологическое воздействие на организм подопытных мышей-самок линии ICR (CD-1), обусловленное активным увеличением абсолютного содержания гранулоцитов и развитием тяжелой анемии, лейкоцитоза и тромбоцитопении, при механическом разрушении имплантированных образцов керамики, с вероятным содержанием остаточной углеродной примеси (продукты деструкции латексного темплата). Показано, что исследуемые образцы керамики с более высокой механической прочностью на сжатие 120 МПа, высокой температурой ИПС обработки (900 С) и длительным циклом (5 часов) термодеструкции латексного темплата, не разрушаются при имплантации и не токсичны для организма.

Реализована оценка биосовместимости «in vivo» образцов разработанной пористой CaSiO3 керамики при контакте с мягкими тканями, а также исследована эффективность проникновения кровяных тел и различных клеток (отвечающих за образование внеклеточных матриксов и остеогенез) в объем исследуемых образцов, имплантированных в лабораторных животных (кролики породы «Новозеландский белый»). Согласно гистологическому анализу соединительных капсул, образованных вокруг имплантированных образцов пористой CaSiO3 керамики, было установлено, что изучаемые образцы керамики обладают биосовместимыми свойствами, нетоксичны, так как не вызывают выраженной воспалительной реакции окружающих тканей и метастатических поражений в местах вживления имплантатов. В соединительных тканях капсул отмечено наличие структурированных слоев фибробластов, плазмоцитов, спирально ориентированных базофильных эластичных волокон и определено наличие новообразованных кровеносных сосудов. В околокапсулярном пространстве под фиброзноволокнистой тканью наблюдалось скопление пролиферирующих клеток, представленное фибробластами различной степени зрелости и немногочисленными плазмоцитами, макрофагами и нейтрофилами.

В фиброзно-жировой ткани окружающей соединительнотканную капсулу отмечались макрофагально-гистиоцитарные гранулемы с единичными эпителиоидными клетками, нейтрофилами и гигантоклеточной реакцией. Также, в гранулёмах обнаруживались единичные мелкие глыбки базофильного вещества и эктазированные (расширенные) сосуды. Для образца керамики CaSiO3 допированного наночастицами Au в соединительной капсуле определено наличие клеток, способных к синтезу органических компонентов межклеточного вещества кости (матрикса) – коллагена 1 типа, присутствуют единичные лакуны с зонами минерализации, внутри лакун определены остеоциты. Таким образом, на экспериментальной модели эктомического остеогенеза установлено, что изучаемые образцы керамики обладают биосовместимыми свойствами, нетоксичны, так как не вызывают выраженной воспалительной реакции окружающих тканей.

Проведены микробиологические исследования, основанные на оценке эффективности поверхностного формирования бактериальных пленок Pseudomonas aeruginosa на образцах керамики ZrO2-ГАП, разработанной в рамках проекта с применением технологии Р-ИПС. Показано, что максимальное покрытие поверхности керамик биопленкой составило 88.46% для образца ZrO2 с 50 масс.% ГАП, по сравнению с образцом ZrO2 с 15 масс.% ГАП 28.33%. Последний, с точки зрения оценки риска формирования инфекционного процесса, на данном этапе является наиболее оптимальным в случаем применения в биомедицинских целях.

В рамках этапа успешно завершено комплексное исследование физико-химических характеристик, а также биосовместимых и биоактивных свойств остеопластического дисперсного биокомпозита основе волластонита в составе с 20 масс.% ГАП (CaSiO3(воллатонит)/ГАП), полученного по разработанной оригинальной методике золь-гель (темплатного) синтеза на первом этапе проекта. Представлены оптимальные условия синтеза порошка биокомпозита бипористой структуры (до 200 нм и от 1000 нм и более). Проведены исследования “in vitro” и подтверждена низкая степень цитотоксичности биокомпозитов различной пористости по отношению к основным клеточным культурам врожденного иммунитета (нейтрофилам и макрофагам). Реализованы “in vivo” исследования регенерации искусственно созданного дефекта в области нижней челюсти у лабораторного животного (кролик-самка). Гистологически доказана высокая активность интеграции имплантата в костную ткань челюсти, прорастание соединительной ткани, формирование сосудов без воспалительных процессов и некроза окружающих костных тканей. Описана динамика интеграции имплантата по данным МСКТ и определено отсутствие его токсического воздействия на организм по данным клинического и биохимического анализа крови. По результатам исследования однозначно показана перспективность данного биокомпозита, как дисперсного имплантата чрезвычайно востребованного для регенерации костных дефектов в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.

Проведена оценка биосовместимых свойств разработанных на первом этапе дисперсных имплантатов на основе волластонита (CaSiO3), в том числе допированных 15, 30 и 50 масс.% ГАП и 0.05 масс.% наночастицами Au в условиях “in vitro”. В результате изучена функциональная активность (метаболизм и продукция цитокинов) клеток врожденного иммунитета нейтрофилов, макрофагов при контакте с исследуемыми образцами. Отмечена низкая цитоксичность и высокая стимулирующая функциональная активность и метаболизм клеток, особенно в присутствии образцов волластонита в составе с ГАП.

Успешно реализованы “in vivo” исследования биосовместимости новых образцов керамических матриксов на основе ZrO2-ГАП, впервые полученных по разработанному на первом этапе способу Р-ИПС. Проведена трепанация черепа подопытного животного (кролика-самца) с установкой имплантата в виде образца матрикса в область костного дефекта черепа. Проведена 6 месячная оценка жизнеспособности организма подопытного животного на имплантационный процесс, включая клиническое и биохимическое исследование крови (доказано отсутствие токсичности материала), изучение динамики интеграции матрикса в костный орган по данным МСКТ. По истечению данного жизненного цикла продолжаются гистологические исследования по выявлению остеиндуктивных, остеокондуктивных и возможных воспалительных процессов, метаболических поражений, спаечных и рубцовых образований в области контакта имплантат-кость. Изучается морфология костной и мягких тканей на границе их контакта с применением микроскопии.

Разработан и предложен оригинальный способ получения пористой (пористость 8.3–19.7%) и конструкционно прочной (σсж 111–362 МПа) биокомпозитной CaSiO3-ГАП керамики с теоретической плотностью (80–91.7%), основанный на комбинировании мокрого и твердофазного методов неорганического синтеза: золь-гель (темплатный) для получения исходного сырья в виде аморфного ксонотлита (Ca6Si6O17•2OH) и его последующее реакционное искровое плазменное спекание (Р-ИПС). Достигнуто формирование биоактивной составляющей 20 масс.% ГАП в объеме керамики за счет инициирования твердофазных реакций превращения аморфного ксонотлита и “in situ” взаимодействия реакционной смеси (CaO и CaHPO4) в условиях искрового плазменного разогрева. Предложен способ развития пористой структуры (размер пор от 100 нм и более, включая иерархическое распределение) биокомпозитной керамики за счет введения в синтез порообразующих темплатов (полимерный латекс, углеродное волокно). Изучены и описаны динамика консолидации, фазовые превращения и устойчивость, структурные изменения формируемых керамик от условий ИПС, с применением комплекса современных методов ТГА, РФА, РЭМ, ЭДС, БЭТ, порометрия и др.

Проведен микробиологический тест и определены морфологические особенности формирования бактериальной пленки Pseudomonas aeruginosa на поверхности керамики в зависимости от содержания ГАП (0, 20 и 50 масс.%). Показано, что с точки зрения риска возникновения инфекционного процесса композитная керамика, содержащая в составе ГАП, является более привлекательной в биомедицинском применении, так как вызывает защитную реакцию у бактерий и препятствует образованию сплошного слоя бактериальной пленки.

Впервые отработаны и предложены оригинальные способы золь-гель (темплатного) синтеза пористых дисперсных оксидов Al2O3 и TiO2, с использованием в качестве порообразующего темплата полимерного латекса. Оптимизированы условия синтеза, которые обеспечивают формирование пористых бездефектных оксидных каркасов с общим распределением пор 50-500 нм (средним распределением около 150-200 нм). Предложены режимы термодеструции темплата для достижения удельной площади поверхности для Al2O3 (20.2 м2•г-1) и для TiO2 (32.8 м2•г-1 и 18.1 м2•г-1), а также регулирования фазового состава оксидов. Способ обеспечивает получение композитных форм данных оксидов в составе с ГАП, который равномерно распределен по всему объему материала. Содержание ГАП в количестве более 20 масс.% значительно снижает общую удельную поверхность композита в виду заполнения свободного пористого объема. Допирование оксидов наночастицами золота (5-50 нм) успешно достигается по разработанному на первом этапе проекта оригинальному способу через функционализацию полимерного темплата и последующего его введения в синтез. Порошки ориентированы для ИПС консолидации в структурированную керамику бионазначения, которая также была разработана в рамках данного этапа.

Впервые проведена ИПС консолидация пористого дисперсного оксида Al2O3, в том числе его композитных форм с 20 и 50 масс.% ГАП, и успешно получены образцы структурированной керамики на основе на его основе. Дополнительно отработан способ формирования пористой структуры керамики за счет введения поробразователя (углеродного волокна) в количестве 10-40 масс.%. Изучен и описан механизм консолидации по данным динамики уплотнения (скорость, стадии и величины усадки порошка) в интервале 900-1300 °С, а также в зависимости от количества ГАП и порообразователя. По результатам комплексного исследования физ.-мех. характеристик установлено, что динамика их изменения в интервале температуры 900-1300 С свидетельствует о тенденции к повышению отн. плотности (макс. 97.5%), механической прочности (макс. 498 МПа), микротвердости (макс. HV364). Оптимальным составом разработанного пористого керамического биокомпозита Al2O3-ГАП, следует считать добавку 20 масс.% ГАП и 10 масс.% углеродного темплата, консолидируемого ИПС при 1300 С, что позволяет достичь требуемого состава при сохранности высоких физико-механических характеристик. Образец материала ориентирован на дальнейшие исследования биосовместимости в условиях “in vivo”.

Впервые реализован способ реакционного-ИПС (Р-ИПС) для получения композитной биокерамики состава Al2O3-ГАП и TiO2-ГАП. Успешно достигнуто инициирование реакций “in situ” взаимодействия реакционной смеси (CaO+CaHPO4) в объеме спекаемых оксидов с образованием биоаквтиной фазы ГАП в различных количествах 20 и 30 масс.%. Отработан способ допирования реакционной смеси различными порообразователями (углеродное волокно, дисперсный графит) и успешно получены образцы пористых керамик указанного состава. По результатам исследования выявлено, что введение углеродного порообразователя не влияет на динамику консолидации, но изменяет величину усадки спекаемой смеси, так как выступает в роли наполнителя, который занимает определенный объем в образце. Определена температура устойчивости образующегося по реакции “in situ” гидроксиапатита в реакционной смеси, который свыше 1000 °С подвергается деструкции с образованием трикальций фосфата (ТКФ). Определено, что температура и количество порообразователя играют ключевую роль в достижении высокой плотности и конструкционной прочности конечных образцов. В качестве оптимальных образцов для последующих биоиспытаний выбраны оксиды с добавкой 20 и 30 масс.% ГАП, относительной плотности 50.9-51.3 % и мех. прочности 128-169 МПа, синтезированные на основе пористых порошков золь-гель синтеза, и спеченные с добавкой 20 масс.% углеродного порообразователя, размером пор в пределах (100 нм и 5-50 мкм).