Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В рамках первого года выполнения проекта были получены результаты по следующим направлениям работы: (1) выбора новых резорбируемых керамических составов, (2) технологии получения остеокондуктивных матриксов, (3) оптимизации макропористой архитектуры. (1) . Исследованы процессы фазообразования и синтезированы порошки смешанных фосфатов Са(3-х)М2х(РО4)2 (М=Na, K). Проведено уточнение полученных нами ранее данных по фазовым равновесиям в системе Ca3(PO4)2 – СаNaPO4 и впервые построена фазовая диаграмма Ca3(PO4)2 – СаКPO4. На основании изучения фазовых равновесий в системах Ca3(PO4)2 - CaMPO4 (M= Na,K), механических характеристик, растворимости в модельных средах, а также предварительных биологических испытаний in vitro были выбраны составы твердых растворов Са(3-x)М2x(PO4)2 с х=0.5-0.7, позволяющие сохранить при быстром охлаждении максимальное количество растворимой высокотемпературной фазы альфа-ренанита. (2) Методами 3D-печати впервые получены образцы макропористой керамики на основе α-, и β-ТКФ и двойных фосфатов кальция и щелочных металлов с архитектурой Кельвина, обеспечивающей остеокондуктивность. Было использовано два основных варианта трехмерной печати: 1) шликерное литье в пластиковую форму, изготовленную термоэкструзионной печатью, и 2) стереолитография. Показано, что стереолитография кальцийфосфатных суспензий позволяет получить керамические имплантаты с заданным размером макропор (от 50 мкм), общей пористостью 70-80% и прочностью до 10 МПа (для двойных фосфатов калия-кальция). В рамках данного этапа проекта изготовлены керамические имплантаты-прототипы со структурой Кельвины в виде цилиндров диаметром до 3 мм и высотой до 6 мм для медико-биологических испытаний на модели малого лабораторного животного. (3) Результаты топологической оптимизации архитектуры Кельвина указывают на необходимость улучшения сочленения балок каркаса около четырехугольной грани усеченного октаэдра.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В рамках второго года выполнения проекта получены результаты по следующим направлениям работы: (1) Исследования составов для изготовления макропористой остеокондуктивной керамики, (2) исследование суспензий смешанных фосфатов для шликерного литья и стереолитографической печати, (3) исследование процессов изготовления макропористых керамик методами стереолитографии фосфатных суспензий и шликерного литья на основе архитектуры Кельвина и альтернативной биоморфной архитектуры типа «гироид», (4) исследование спекания керамики. (1) Методами рентгенографии и просвечивающей электронной микроскопии будут получены структурные данные о низкотемпературной модификации β-СаКРО4. В рамках данного этапа проекта была введена новая линия исследования, связанная с изучением системы CaNaPO4 - CaKPO4. Впервые была построена фазовая диаграмма CaNaPO4 - CaKPO4. Промежуточное соединение на диаграме представляет собой глазеритоподобную фазу переменного состава CaKxNa1-xPO4 с достаточно широкой областью гомогенности. Характер изменения симметрии в процессе фазового перехода в промежуточной фазе отвечает превращению тригональный → моноклинный и приводит к сегнетоэластическому поведению низкотемпературной фазы. Показано, что основным механизмом торможения трещины является резкое увеличение радиуса кривизны ее острия при достижении поры («затупление» трещины). Меньшие размеры трещин в керамиках с промежуточной фазой CaK1-xNaxPO4 и заметные прочностные свойства позволили предположить сегнетоэластическое упрочнении такой керамики. Рентгенометрические данные кристаллических фаз в исследуемых системах впервые позволили сделать термодинамическую оценку растворимости исследуемых соединений и ранжировать их в соответствии с кинетикой растворения реальных керамических образцов. (2) Исследование реологии суспензий указывает на их псевдопластическое поведение и позволяет выбрать оптимальные параметры (степень загрузки, температура, рН) для качественного воспроизведения макропористой архитектуры в конечной керамике. (3) Показано, что сохранение формы и сплошности отливки возможно как за счет использования разработанных в рамках этапа реакционно-твердеющих шликеров, так и за счет рационального выбора программы термообработки. Произведено конечно-элементное моделирование нагружения и протекания жидкости через макропористые тела с исследуемой архитектурой. Шликерным литьем в полимерные формы, изготовленные методом стереолитографии, а также стереолитографией керамических суспензий в фотомономере получены керамические имплантаты с архитектурой Кельвина и «гироид». Отмечено, что при сопоставимых временных затратах метод стереолитографии керамических суспензий позволяет получать макропористую керамику лучшего качества. (4) Исследования процессов уплотнения при спекании модельной плотной керамики позволили заключить, что основная усадка происходит до температур 1200-1300°С и времен до 5 ч. Показано, что на рост зерна вследствие рекристаллизации накладывается изменения размеров зерен, связанные с фазовыми превращениями при охлаждении/нагревании керамики. Быстрая в сравнении с уплотнением рекристаллизация приводит к отделению границ зерен от пор. Это препятствует дальнейшему уплотнению керамики при больших временах и более высоких температурах. Микроструктура керамических каркасов, полученных спеканием моделей, отпечатанных методом стереолитографии, практически не отличается от плотных керамик аналогичного состава, сформованных одноосным прессованием, что позволяет достичь приемлемых прочностных характеристик макропористых имплантатов. По результатам выполнения этапов проекта в системе «Истина» создана Интернет-страница: http://istina.msu.ru/projects/6505319/

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В рамках третьего года выполнения проекта получены результаты по следующим направлениям работы: (1) исследование составов системы CaNaPO4 - CaKPO4 и керамик на ее основе, (2 моделирование нагружения и протекания жидкости через пористые тела с регулярной пористой архитектурой, (3) спекание и микроструктура керамики, (4) медико-биологические исследования остеокондуктивных имплантатов. (1) По данным высокотемпературной рентгенографии низкотемпературная фаза β-CaKxNa1-xPO4 (фаза С) является упорядоченным твердым раствором α-СаМРО4. Переход от А (родственного нагельшмидтиту {Са4}[СаNa2□(PO4)4 со сверхструктурой 2х3,) к фазе С связан с замещением Са на К и заполнением структурных вакансий {Са4}[КNa2К(PO4)4. Высказана гипотеза о том, что в тройной системе Са3(РО4)2 - CaKPO4 - CaNaPO4 следует ожидать помимо изоморфного поля твердых растворах на основе α-СаМРО4, поле упорядоченных растворов нагельшмидтита. Результаты исследования природы переходов α↔β методами измерения диэлектрической проницаемости и проводимости в широком частотном диапазоне указывают на то, что в ряду CaNaPO4 , CaNa0.4K0.6PO4 и CaKPO4 реализуются переходы 1-го рода сегнето-электрического/упругого характера с наложением явлений, характерных для перехода в суперионное состояние (высокая подвижность катионов), причем с увеличением содержания натрия возрастает вклад сегнетоэлектрической составляющей и ионной подвижности, что и обеспечивает в CaNaPO4 быстрый переход α↔β с очень большим объемным эффектом. Зависимость прочности керамики в ряду составов CaNaPO4 - CaKPO4 не обнаруживает заметного увеличения в районе области гомогенности фазы с (CaKxNa1-xPO4), однако прочность увеличивается при движении в сторону СаКРО4, что в первом приближение объясняется меньшим растрескиванием соответствующей керамики в силу малого объемного эффекта перехода α↔β. Более медленная, чем у ТКФ и фазы А кинетика растворения керамики на основе фазы С связана, по-видимому, с микроструктурными особенностями калий-натриевых образцов, демонстрирующих большую плотность. В целом, в результате выполнения проекта создано два типа новых резорбируемых (согласно теоретическим оценкам растворимости и кинетическим экспериментам) составов на основе нагельшмидтитных твердых растворов: типа фазы А (В) – Са3-хNa2x(PO4) x~0.5 (Са3-хK2x(PO4 x~0.5) с быстрой кинетикой резорбции и типа промежуточной фазы С – СaNaxK1-xPO4 x~0.5-0.6 с близкой к постоянной скорости растворения (резорбции). (2) Показано, что наиболее проницаемые варианты) реализуются в случае структур Кельвина и гироида. Для исследований in vivo решено было использовать структуру Кельвина с пористостью 70%, размерами пор 750 мкм и направлением потока (врастания кости) вдоль [111]. Достигаемое для таких имплантатов расчетное значение проницаемости в 987 дарси (для протекания воды) соответствует проницаемости трабекулярной (губчатой) костной ткани (порядка 1000 дарси). Показано, что наиболее жесткой является модель с алмазной архитектурой, а наиболее мягкой – Кельвина или гироида (в зависимости от направления). Для выбранного варианта имплантата с архитектурой Кельвина жесткость составляет примерно 1/10 от модуля упругости материала, что означает уменьшение модуля упругости керамического макропористого имплантата до величин 10 ГПа и менее, что сопоставимо с жесткостью кортикальной кости. (3) Для подавления рекристаллизационных явлений при спекании керамики на основе двойных и тройных фосфатов апробированы режимы 2-х ступенчатого спекания. Предложено два таких режима: (1) с Т1 =1150°С, τ1 =15 мин, хараткеризующийся относительно равномерной усадкой, а также режим (2) с Т1 =1200°С, τ1 =15 мин с сильной начальной усадкой. Сопоставление микроструктуры моделей, полученных методами трехмерной печати, и керамики, сформованной одноосным односторонним прессованием показывает, что различие связано только с большим количеством внутризеренных микропор размерами 1 мкм и менее. Данные компьютерной томографии высокого разрешения указывают, что микропоры имеют размеры менее 15 мкм, а их доля составляет 8-12%. (4) Исследование цитосовместимости и матриксных свойств остеокондуктивных каркасов было проведено на клеточной модели фибробластов человека. Для медико-биологических исследований in vivo были выбраны составы β-ТКФ, α-ТКФ, Ca2.5Na(PO4)2 (максимальное содержание упорядоченного нагельшмидтитного твердого раствора), Ca2.4Na1.2(PO4)2, Ca2.4K1.2(PO4)2 (как возможный компромисс между высокой растворимостью и отсутствием цитотоксичности). На основе указанных составов были изготовлены имплантаты со структурой Кельвина в виде цилиндров с диаметром 2.8-3 мм и длиной 3-5.5 мм для имплантации в кортикальной кость с направлением [111] вдоль оси кости. Исследуемые материалы поддерживают адгезию и распластывание фибробластных клеток, не токсичны для клеток, активно поддерживают колонизацию поверхности в динамике культивирования. Импрегнация макропористой керамики клетками с целью создания конструкций тканевой инженерии (КТИ) было выделено в отдельную задачу. Были апробированы разные варианты наслоения клеток и выбран оптимальный, обеспечивающий заселение пористого пространства клетками и их пролиферацию. Демонстрация остеокондуктивных свойств при имплантации керамики с архитектурой Кельвины была проведена. на примере имплантации имплантата со структурой Кельвина при перфорация стенки трубчатой кости голени/бедра крысы с выходом в костномозговой канал. Остеоинтеграция имплантата прослежена на сроках до 12 недель. Изготовленные керамические имплантаты в процессе остеоинтеграции демонстрируют свои основные свойства: (а) резорбируемость, (б) остеокондуктивность. Формирование кости de novo начинается к 3 неделям. По результатам выполнения этапов проекта в системе «Истина» создана Интернет-страница: http://istina.msu.ru/projects/6505319/