НАУКОВІ ЗАСАДИ СТВОРЕННЯ ФЕРОМАГНІТНИХ, ОКСИДНИХ ТА НІТРИДНИХ ПОРОШКІВ МЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ З КЕРОВАНИМ РІВНЕМ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА БІОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність вирішення важливої проблеми порошкової металургії – розробки концепції створення феромагнітних, оксидних та нітридних порошків медичного призначення з керованим рівнем фізико-хімічних та біологічних властивостей шляхом визначення їх стабільності в неорганічних та біологічних середовищах організму. В якості об’єктів дослідження у роботі розглянуто порошкові матеріали на основі металів, тугоплавких оксидів та нітридів, вуглецю й композитів різного хімічного складу, сформульовано мету та завдання дослідження, відображено наукову новизну та практичну цінність роботи, наведено дані щодо апробації та публікацій за темою дисертації.

У першому розділі  роботи розглянуто сучасний стан та проблеми створення нових порошкових матеріалів медичного призначення, які можуть безпечно контактувати з біологічними середовищами живого організму й таким чином функціонувати всередині нього тривалий час.

Констатовано, що в останні десятиріччя сформувався новий науковий напрям – порошкові нанобіотехнології та медичне матеріалознавство, які включають розробку і отримання нанодисперсних біоматеріалів методами порошкової металургії. На підставі проведеного аналізу літературних першоджерел показано, що сучасні порошкові біоматеріали повинні мати певний комплекс фізико-хімічних та медико-біологічних властивостей, а саме: високі  дисперсність та питому поверхню, придатну для організму морфологію частинок,  корозійну стійкість, біосумісність, відсутність небажаних домішок, а компактні зразки на їх основі повинні володіти також достатньою механічною міцністю, шорсткістю, опором сповільненому втомному руйнуванню під дією змінних напруг, зносостійкістю, плинністю, проникністю до газів і рідин.

Розглянуто також нові методи отримання біоматеріалів,  в тому числі, порошкових, методи їх модифікації та переробки у спеціалізовані вироби біомедичного призначення та їх експериментально-клінічне дослідження. Успіхи сучасної ортопедії та реконструктивно-відновлювальної хірургії значною мірою залежать від новітніх розробок порошкової металургії та матеріалознавства в галузі створення матеріалів-замінників кістки на основі металів, керамік різного складу і композитів.

Метали, завдяки високій механічній міцності, є перспективним матеріалом для ортопедії, що пов’язано, насамперед, з тим, що вони мають необхідний модуль Юнга, наближений до природної кістки, легко піддаються механічній обробці та мають достатню жорсткість. В ортопедичній практиці хірургії великих кісткових дефектів можуть виникати високі напруги; тому матеріал, що імплантується, повинен витримувати ці напруги, не піддаючись залишковій деформації або руйнуванню. Встановлено, що актуальним залишається питання розробки і отримання нанорозмірних порошків заліза та магнетиту із комплексом фізико-хімічних властивостей, необхідних для функціонування в живому організмі, що включає використання методів порошкової металургії для отримання нанодисперсних матеріалів медичного призначення.

Основними характеристиками керамічних оксидних та нітридних матеріалів медичного призначення є біосумісність, висока твердість, термо- і корозійна стійкість.  Однак, водночас,  недоліками, що обмежують їх застосування в ортопедії та стоматології, є надлишкова твердість, крихкість і ламкість, які можуть викликати зношування як імплантату, так і самих кісток при терті.

Створення композиційних матеріалів та покриттів на основі багатокомпонентних систем, що складаються з кількох фаз на основі металевої, вуглецевої або керамічної матриці, армованої наповнювачами, є перспективною галуззю матеріалознавства, в якій на базі поєднання розроблених порошкових матеріалів можливо більш ефективно та швидко надавати їм принципово нових властивостей.

У другому розділі запропоновано комплексний підхід  до дослідження фізико-хімічних та біологічних властивостей порошкових матеріалів у неорганічних та біологічних середовищах живого організму.

В основу лабораторного експерименту із взаємодії порошкових матеріалів, отриманих різними методами порошкової металургії,  з неорганічними та біологічними середовищами організму  покладено комплексне дослідження морфології, структури  та розміру частинок порошків, їх питомої поверхні, хімічного та фазового складу, вмісту домішок залежно від методів їх одержання, а також магнітних характеристик та корозійної стійкості у зазначених середовищах. Викладено корисні при дослідженнях порошкових об’єктів та відповідних середовищ характеристики кожного із запропонованих сучасних фізико-хімічних методів (рентгенофазовий та рентгеноструктурний аналізи, електронна мікроскопія, інфрачервона та Оже-електронна спектроскопії, вимірювання питомої поверхні, магнітних характеристик, хімічний аналіз, вивчення процесів міжфазної взаємодії методом змочування), а також особливості підготовки об’єктів дослідження за умов використання кожного з методів.

Дано характеристику неорганічних та біологічних середовищ, що були використані для дослідження фізико-хімічної  стабільності в них порошкових матеріалів, розроблених у дисертаційній роботі.

В якості біологічних середовищ в роботі використано:

- плазму крові людини, що  складається на 90-91% з води та 9-10% сухого залишку, що містить до  ~7 % білків (4-4,5% альбуміна, 2,8-3,1% глобуліна та 0,1-0,4% фібріногена) та  ~0,9 % – неорганічних солей; решту складають небілкові органічні сполуки (глюкоза, ліпіди, жироподібні речовини тощо);

            - модельний розчин шлункового соку, виготовлений із шлункового соку людини, консервованого 0,03–0,04 % саліциловою кислотою, в якому адсорбентами осаджено в’язкі речовини (виробник – ТОВ «Біофарма»). Модельний розчин містить усі складові шлункового соку в необхідних концентраціях: соляну кислоту - 160 ммоль/л (0,3–0,5 %); бікарбонати НСО₃⁻ - 45 ммоль/л; ферменти - пепсин і пепсиноген.

            В якості неорганічних середовищ використано дистильовану воду і фізіологічні розчини різного сольового складу: 0,9 % NaCl; розчин Рінгера (г/л): NaCl – 8,6; KCl – 0,3; CaCl₂–0,33; розчин Рінгера–Локка (г/л): натрію хлориду – 9,0; натрію гідрокарбонату, кальцію хлориду та калію хлориду – по 0,2; глюкози – 1; розчин Рінгера–Тіроде (г/л): NaCl – 7,89; KCl – 0,3; CaCl₂ – 0,28; MgCl₂ – 0,2; NaH₂PO₄ – 0,63; глюкози – 1,98. В окремих дослідах в якості неорганічних середовищ застосовано розчин NaOH (рН – 7,4), що відповідає рН плазми крові, та розчин НCl (рН – 2,0), що відповідає рН шлункового соку.

У третьому розділі дисертаційної роботи досліджено порошкові матеріали на основі заліза шляхом комплексного вивчення їхніх фізико-хімічних та біологічних властивостей, а також магнітних характеристик і запропоновано оптимальні умови їх одержання для використання у медичній практиці.

Нанодисперсні порошки на основі заліза одержано в роботі методом розкладання/відновлення оксалатних солей заліза у вуглецьвмісному та водневому середовищах за різних температурних інтервалів. Процес розкладання та відновлення  заліза з оксалатних солей проведено в шахтних печах Марса у діапазоні температур 450–830 °С із постійним контролем умов синтезу на всіх стадіях отримання феромагнітніх наноматеріалів: починаючи з вихідних стадій осадження нанорозмірніх оксалатів заліза і до процесу відновлення заліза з них та подальшої стабілізації поверхні отриманих порошків щодо окиснення