Новые перспективы в разработке тканеинженерных конструкций: биорезорбируемая остеокондуктивная керамика на основе фосфатов магния

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-29-00396

НазваниеНовые перспективы в разработке тканеинженерных конструкций: биорезорбируемая остеокондуктивная керамика на основе фосфатов магния

Руководитель Климашина Елена Сергеевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова керамика, фосфаты магния, резорбируемость, остеокондуктивность, аддитивные технологии, стереолитография, 3D печать, растворный синтез, фазовый переход, фазовая диаграмма, механические испытания, прочность, трещиностойкость, проницаемость, инженерия костной ткани

Код ГРНТИ31.17.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В данном проекте акцент в создании новых материалов для реконструкции костной ткани перенесен с кальцийфосфатных материалов на керамику из фосфатов магния. 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. Научная новизна обусловлена перспективами и слабой проработанностью магнийфосфатной керамики в качестве остеопластического материала, проблематика данной заявки может быть определена как создание нового поколения резорбируемой керамики в качестве основы тканеинженерных конструкций для регенеративной медицины костной ткани на основе магнийсодержащих фосфатов. Материаловедческий аспект связан с дизайном химического и фазового состава керамических имплантатов. Требование резорбируемости предполагает перейти к более растворимым по сравнению с фосфатами кальция керамическим материалам на основе фосфата магния. Требование прочности имплантата, с точки зрения механики, предполагает, что магнийфосфатная керамика будет обладать повышенной механической прочностью при сжатии как за счет более совершенной микроструктуры (вследствие более полного спекания при более низких температурах), так и за счет более высокой теоертическрй прочности по сравнению с традиционной СаР-керамикой. Инженерный аспект связан с реализацией остеокондуктивных свойств, которые определяются наличием связной системы макропор (размером не менее 100 мкм). Для изготовления спроектированного материала с подобной архитектурой с пространственным разрешением не хуже 50 мкм требуется применение специальных приемов аддитивных технологий, в частности, стереолитографической 3D печати. Актуальность поставленной задачи обусловлена актуальностью проблемы реконструкции костной ткани, как одного из вида высокотехнологической медицинской помощи, как в РФ, так и за рубежом. Заявленный к разработке материал открывает новое, поколение материалов для костной пластики, которые можно охарактеризовать как высокорезорбируемые тканеинженерные конструкции с повышенным остеоиндуктивным потенциалом, которые несут в себе риск минимальной патологической кальцификации тканей. Работа в этом направлении необходима для опережающего развития российских фундаментальных исследований в данной области. Следует также отметить, что решение материаловедческих и инженерных аспектов задачи лежат в русле перспективных направлений развития науки и техники в РФ – разработка новых материалов и цифровых технологий их производства, а также применение персонализированного подхода в медицине. Сформулированная задача может быть легко обобщена на любые композиционные материалы с фосфатами магния и другими биологически значимыми металлами; это открывает новые возможности для постановки фундаментальных работ по стимулированию гистогенеза за счет серьезного варьирования химического и фазового состава имплантата. Таким образом, фосфаты магния представляют значительный фундаментальный интерес для разработки резорбируемых высокопористых керамических материалов для инженерии костной ткани. Для реализации их инновационного потенциала нужно тщательно разрабатывать и/или подбирать методику синтеза порошков MgP, всесторонне исследовать физико-химические свойства как порошкового, так и керамического материала, механические свойства, биосовместимость in vitro и in vivo биокерамики, макропористых керамических каркасов MgP. Заявляемый в рамках данного проекта новый вид высокопористой, разлагаемой биокерамики на основе фосфатов магния, которая в дальнейшем будет не только восстанавливать поврежденную кость, но и оказывать глубокое воздействие на ремоделирование или терапию кости, будет получен с помощью 3D печати впервые.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Согласно планам работ на первый год выполнения проекта был предложен новый химический подход для разработки остеоиндуктивных фосфатов магния в качестве костезамещающего материала. Синтезированы порошки фосфатов магния как классическими методами синтеза, твердофазным и растворным, так и новыми разработанными методами пиролиза аэрозолей, золь-гель методом, синтезом из неводных растворителей (этиленгликоля, спирта), которые, после соответствующих физико-химических исследований, были проанализированы на предмет создания высокопористых керамических материалов методами 3D печати. Были определены условия получения фосфатов магния из растворов, где продукты реакции зависят от поддерживаемого pH (pH=9, 7.5-9) и ионного состава (Mg2+, Na+, NH4+) при фиксированных концентрациях, времени проведения и температуре синтеза. Гарантированно получить однофазный ортофосфат магния возможно в результате растворного синтеза из фосфорной кислоты и оксида магния. Так как растворный метод приводит к инконгруэнтному осаждению порошков фосфатов магния, были разработаны другие методы синтеза фосфатов магния, например, золь-гель метод, в результате которого были получены высокоактивные порошковые прекурсоры для создания керамических материалов. Однако получаемые порошки могут содержать остаточный углерод, который начинает удаляться только, начиная с температуры 1000 оС. Метод пиролиза аэрозоля может быть использован для получения мелкодисперсных высокоактивных порошковых прекурсоров заданного состава, которые могут быть использованы для получения мелкокристаллической керамики с высокими прочностными характеристиками. Была проведена апробация методов синтеза из неводных растворителей, таких как 95% этанол C2H5OH и 99,9% этиленгликоль C2H6O2. Так как в неводных растворителях присутствует 0,01-5% воды, а также прекурсоры могут содержать кристаллизационную воду, то данные синтезы нельзя считать полностью безводными. Из-за сложностей контроля параметров синтеза контролировать фазовый состав не представляется возможным. В результате образуются неоднофазовые продукты реакции, после обжига преимущественно состоящие из ортофосфата магния и пирофосфата магния в разном соотношении. Наиболее упоминаемым способом получения ортофосфата магния является твердофазный синтез из оксида и пирофосфата магния. Преимущество этого метода состоит в отсутствии побочных твердофазных продуктов реакции и простоте его осуществления. Чтобы получить однофазный стехиометрический продукт, был осуществлен многостадийный синтез прекурсоров путем высокотерпературного обжига струвита и основного карбоната. Все отработанные методики синтеза порошков фосфатов магния, позволяют получать порошки с гранулометрией, пригодной для дальнейшего наполнения фотосуспензий для изготовления высокопористых керамических материалов методами 3D-печати, среди которых перспективными выглядят твердофазный метод, метод пиролиза аэрозоля и золь-гель метод в силу возможности большего контроля продуктов реакции и отсутствия кристаллизационной воды в структуре, при которой нужна дополнительная термообработка. Литературные данные по фазовым равновесиям в системе Mg3(PO4)2-Mg2P2O7 сильно расходятся. В связи с этим была проведена работа по уточнению квазибинарного разреза фазовой диаграммы данной системы по совокупности данных ДТА и дилатометрического анализа, были выбраны режимы термообработки. Для получения плотных керамических материалов из порошковых составов были отработаны различные режимы спекания, подобрана спекающая добавка, исследована их плотность, фазовый состав продуктов спекания. Показано, что для достижения оптимального результата в некоторых случаях необходимо провести предварительную термообработку порошков, в ходе которой удаляются все газообразные продукты, однако в случае высокотемпературных режимов и длительных временах выдержки различия не существенны. Например, оптимальным вариантом спекания эвтектического состава является использование температуры 1200оС с небольшими временами выдержки (3 часа), при этом плотность возрастает до 95%. Был осуществлен подбор спекающей добавки: при спекании пирофосфата магния при температуре 1100оС в течение 3 часов введение метафосфата (10%) не приводит к уплотнению керамики (плотность ~65%), что может быть связано с конвертацией метафосфата в пирофосфат магния за счет пирогидролиза фосфорной кислоты, а введение ортофосфата (10%) позволяет получить образцы с плотностью около 88%. Обобщение полученных данных даёт основание утверждать, что эвтектический состав - наиболее перспективный для изготовления керамики с высокой плотностью. Механические испытания образцов спеченной керамики из порошков, полученных посредством золь-гель метода, демонстрируют гораздо более высокий предел прочности в 23±3МПа по сравнению с классическим твердофазным методом - 5±1 МПа. Наиболее высокие значения плотности во всех случаях достигаются для материалов, полученных спеканием порошкового прекурсора, синтезированного методом пиролиза аэрозоля. Был проведен подбор архитектуры остеокондуктивных прототипов имплантатов путем варьирования пористости каркаса со значениями 60, 70 и 80%, исследовано три типа структур, ориентированных вдоль направления (100): простейшая решетчатая структура с цилиндрическими каналами, структура Кельвина и односторонний гироид, исследована их проницаемость. Наибольшую проницаемость показывает структура решетчатого типа с прямыми каналами. Структура гироида показывает чуть меньшие значения проницаемости за счет более извилистых пор (спиралевидных). Структура Кельвина продемонстрировала наименьшие значения. Проводили механические испытания при сжатии напечатанных моделей с различной архитектурой порового пространства. Гироид показывает наименьшие прочностные характеристики, решетчатая структура показывает значительно больший предел прочности при пористости 60 и 70%, который, падает до аналогичных значений при 80%. Для структуры Кельвина характерны наивысшие прочностные характеристики при пористости 60%. На основании полученных данных, стоит отметить, что подбор архитектуры прототипа имплантата следует осуществлять для каждого случая индивидуально (персонализировано) с учётом особенностей и характеристик. Полученные фосфаты магния пригодны для создания высокопористых керамических структур для костных имплантатов методом стереолитографической 3D печати. Определены температура и время изготовления (900 ºC, 12 часов) и проведена пробная печать однофазной магнийфосфатной пористой керамики со структурой Кельвина. Ссылка на информационный ресурс в сети Интернет (url-адреса), посвященный проекту: https://istina.msu.ru/projects/631903030/.

Публикации

1. Пупанова А.К., Климашина Е.С. Синтез и исследование материалов на основе фосфатов магния для создания высокопористых керамических костных имплантатов методами 3D печати Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов- 2024», секция «Химия», издательство Издательство "Перо" (Москва), тезисы. Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2024» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, Е.И. Зимакова. [Электронный ресурс] – М.: МОО СИПНН Н.Д. Кондратьева, 2024., Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов- 2024», секция «Химия», издательство Издательство "Перо" (Москва), тезисы, с. 432, 2024. https://lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2024/data/section_42_32418.htm (год публикации - 2024)

2. Климашина Е.С. Современный синтез и физико-химическое исследование фосфатов магния для создания материалов для биомедицинских применений сборник тезисов XIII Всероссийской конференции с международным участием "Химия твёрдого тела и функциональные материалы - 2024". 16-20 сентября 2024 года. – СПб.: Типография «НОВБЫТХИМ», Сборник тезисов XIII Всероссийской конференции с международным участием "Химия твердого тела и функциональные материалы - 2024". 16-20 сентября 2024 года, место издания СПб.: Типография «НОВБЫТХИМ», 2024. –545 с.: ил, тезисы, с. 306-306, 2024. (год публикации - 2024)

3. Преображенский И.И. , Климашина Е.С. , Филиппов Я.Ю., Евдокимов П.В., Путляев В.И. Prospects for Using Biomaterials Based on Magnesium Phosphates for Bone Tissue Repair Inorganic Materials, Pleiades Publishing, Ltd. (Road Town), Vol. 60, No. 12, pp. 1391–1404. (год публикации - 2024)
10.1134/S0020168524701620

4. Преображенский И.И., Климашина Е.С., Мурашко А.М., Путляев В.И. Физико-химические свойства биокерамики на основе фосфатов магния Сборник тезисов XIII Всероссийской конференции с международным участием "Химия твёрдого тела и функциональные материалы - 2024". 16-20 сентября 2024 года. – СПб.: Типография «НОВБЫТХИМ», 2024. –546 с.: ил. ISBN ., XIII Всероссийская конференция с международным участием «Химия твёрдого тела и функциональные материалы 2024», место издания НОВБЫТХИМ СПб, тезисы, с. 366-366, 2024. (год публикации - 2024)

5. Климашина Е.С., Пупанова А.К., Рассолова Ю.Р., Бирюков А.С., Преображенский И.И., Мурашко А.М., Филиппов Я.Ю., Путляев В.И. 3D-печать керамических материалов из фосфатов магния, синтезированных современными методами, со специальными биомедицинскими свойствами сборник XXIII международная научно-техническая конференция «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов», тезисы докладов, место издания Обнинск,, сборник XXIII международная научно-техническая конференция «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов», место издания Обнинск, тезисы, с. 123-124, 2024. (год публикации - 2024)

6. Пупанова А.К., Климашина Е.С., Мурашко А.М., Филиппов Я.Ю., Евдокимов П.В., Путляев В.И. Solution Synthesis of Powder Materials Based on Magnesium Phosphates for Stereolithographic 3D Printing Russian Journal of Inorganic Chemistry, Pleiades Publishing, Ltd., том 70, № 10, с. 1284-1294 (год публикации - 2025)
10.1134/S0036023625603241

7. Преображенский И. И. , Климашина Е.С. , Филиппов Я.Ю., Евдокимов П. В., Путляев В.И. Perspectives for the use of biomaterials based on magnesium phosphates for bone tissue regeneration / ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ БИОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ФОСФАТОВ МАГНИЯ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ Inorganic Materials, переводная версия журнала «Неорганические материалы», Pleiades Publishing, Ltd. (Road Town)/ФГБУ "Издательство "Наука" (Москва) , Статья включена в номер 13 2024 г журнала “Inorganic Materials” (переводная версия журнала «Неорганические материалы») (год публикации - 2024)

8. Преображенский И.И., Филиппов Я.Ю., Климашина Е.С., Путляев В.И. Резорбция в модельной среде биокерамических материалов на основе фосфатов магния Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2024» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, Е.И. Зимакова. [Электронный ресурс], издательство Москва.М.: МОО СИПНН Н.Д. Кондратьева, Москва, Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2024» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, Е.И. Зимакова. [Электронный ресурс] – Секция 42. «Химия», подсекция 12«Химическая технология и новые материалы», с. 82. ISBN 978-5-901-64042-5, издательство Москва. (год публикации - 2024)

9. Рассолова Ю.Р., Мурашко А.М., Филиппов Я.Ю., Климашина Е.С. Биорезорбируемая керамика на основе фосфатов магния, полученных методом пиролиза аэрозоля ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 5. — М.: ООО «Буки Веди», 2024. – 372 c. – ISBN 978-5-00202-669-2 (т. 5), ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 5., симпозиум "Стекло и керамика"— М.: ООО «Буки Веди», 2024. – 372 c. – ISBN 978-5-00202-669-2 (т. 5), стр. 349, 2024 (год публикации - 2024)

10. Климашина Е.С., Рассолова Ю.Р., Бирюков А.С., Преображенский И.И., Евдокимов П.В.,Путляев В.И. Новые материалы на основе фосфатов магния, изготовленные методом 3D-печати, для биомедицинских применений ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 1. Секция 2 «Химия и технология материалов», — М.: ООО «Буки Веди», 2024. – 628 c. – ISBN 978-5-00202-665-4 (т. 1), стр. 630, 2024. , ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 1. Секция 2 «Химия и технология материалов», — М.: ООО «Буки Веди», 2024. – 628 c. – ISBN 978-5-00202-665-4 (т. 1), стр. 630, 2024. (год публикации - 2024)

11. Пупанова А.К. Физико-химические основы синтеза фосфатов магния для создания высокопористых керамических биомедицинских материалов XXI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (с международным участием), сборник трудов конференции, 15 - 18 октября 2024 г., ИМЕТ РАН, Москва 2024. , XXI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (с международным участием), сборник трудов конференции, 15 - 18 октября 2024 г., ИМЕТ РАН, Москва 2024. Сборник материалов доступен на сайте www.m.imetran.ru (год публикации - 2024)

12. Климашина Е.С., Пупанова А.К., Егорова В.А., Мурашко А.М., Филиппов Я.Ю., Евдокимов П.В., Путляев В.И. Материалы на основе фосфатов магния с улучшенными механическими характеристиками для замены костной ткани Физика и технология перспективных материалов – 2025: сборник трудов Международной конференции (г. Уфа, 6–10 октября 2025 г. ), [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. Уфа: Уфимский университет, с. 176-178 (год публикации - 2025)

13. Пупанова А.К., Климашина Е.С., Мурашко А.М., Филиппов Я. Ю., Евдокимов П.В., Путляев В.И. Растворный синтез из различных прекурсоров порошковых материалов на основе фосфатов магния для стереолитографической 3D-печати Журнал неорганической химии, том 70, № 10, с. 1284–1294 (год публикации - 2025)
10.7868/S3034560X25100063

14. Преображенский И.И., Дейнеко Д.В., Мурашко А.М., Климашина Е.С., Филиппов Я.Ю., Евдокимов П.В., Путляев В.И. Ceramic materials based on magnesium orthophosphate for biomedical applications Mendeleev Communications, том 35, выпуск 5, страницы 614–616 (год публикации - 2025)
10.71267/mencom.7716

15. Рассолова Ю.Р., Мурашко А.М., Филиппов Я.Ю., Климашина Е.С., Путляев В.И. Биорезорбируемые остеокондуктивные керамические материалы на основе системы Mg3(PO4)2–Mg2P2O7 для регенерации костной ткани XXIV Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии: 150 лет неорганической химии в Московском университете», Красновидово, 14-16 ноября 2025, , с 76 (год публикации - 2025)

16. Рассолова Ю.Р., Мурашко А.М., Филиппов Я.Ю., Климашина Е.С., Путляев В.И. Биорезорбируемая макропористая керамика на основе фосфатов магния для медицинского применения Международная конференция «Биоматериалы: от исследований к практике» (BioMATs 2025), Москва, 22-25 сентября 2025, ИМЕТ РАН, Москва, Международная конференция «Биоматериалы: от исследований к практике» (BioMATs 2025), с 157-158 (год публикации - 2025)

17. Исаева В.Е., Рассолова Ю.Р., Филиппов Я.Ю., Мурашко А.М., Климашина Е.С., Путляев В.И. Биокерамика на основе фосфатов магния, полученных золь-гель методом, для костно-тканевой инженерии 67-я Всероссийская научная конференция МФТИ, Москва, Физматкнига, с. 132 (год публикации - 2025)

18. Мурашко A.M., Егорова В.А., Пупанова А.К., Климашина Е.С., Филиппов Я.Ю., Евдокимов П.В., Путляев В.И. Биокерамика с улучшенными механическими характеристиками на основе ортофосфата магния: влияние параметров синтеза на фазовый состав и функциональные свойства Неорганические материалы / Inorganic Materials, ФГБУ "Издательство "Наука" (Москва) / Pleiades Publishing, Ltd. (Road Town) (год публикации - 2026)

19. Рассолова Ю.Р., Мурашко А.М., Исаева В.Е., Филиппов Я.Ю., Климашина Е.С., Путляев В.И. Биорезорбируемые остеокондуктивные керамические материалы на основе системы Mg3(PO4)2–Mg2P2O7 для регенерации костной ткани Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2025», секция «Химия», подсекция "Химическая технология и новые материалы", М.: Издательство «Перо», 70 МБ. [Электронное издание], с. 953 (год публикации - 2025)

20. Рассолова Ю.Р. , Мурашко А.М. , Исаева В.Е. , Климашина Е.С. , Филиппов Я.Ю. , Путляев В.И. Остеокондуктивная керамика на основе системы Mg3(PO4)2–Mg2P2O7 для остеопластики XV Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии: Тезисы докладов конференции, ООО "МЕСОЛ", Москва, с. 55 (год публикации - 2025)

21. Шуленков А.А., Голубчиков Д.О., Путляев В.И. Создание композитной биокерамики на основе системы Mg3(PO4)2-Mg(PO3)2 для биомедицинских применений XXIV Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии», Красновидово, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, с. 98-99 (год публикации - 2025)

22. Пупанова А.К., Климашина Е.С., Мурашко А.М., Филиппов Я.Ю. Новые неорганические материалы на основе фосфатов магния для создания керамических костных имплантатов XV Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии: Тезисы до- кладов конференции, ООО "МЕСОЛ", Москва, с. 127 (год публикации - 2025)

23. Пупанова А.К., Климашина Е.С. Синтез и комплексный анализ сложных составов на основе фосфатов магния для замены костной ткани Сборник трудов конференции. ХXII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов», ИМЕТ РАН, Москва, с. 185 (год публикации - 2025)

24. Егорова В.А., Климашина Е.С., Пупанова А.К., Мурашко А.М., Филиппов Я.Ю. Варьирование параметров твердофазного синтеза ортофосфата магния для оптимизации фазового состава, микроморфологии, поведения в растворе для получения плотной и пористой биокерамики Молодежная научная конференция "Функциональные материалы: создание, изучение, применение". 1. Материалы для биомедицины и методы их исследования., с. 22. (год публикации - 2025)

25. Климашина Е.С., Пупанова А.К., Егорова В.А., Мурашко А.М., Филиппов Я.Ю., Евдокимов П.В., Путляев В.И. Ортофосфат магния для биомедицинских применений: особенности растворного и твердофазного синтезов, механические свойства и 3D печать Международная конференция «Биоматериалы: от исследований к практике» (BioMATs 2025), сборник материаловМосква, с. 138-140 (год публикации - 2025)

26. Рассолова Ю.Р., Филиппов Я.Ю., Мурашко А.М., Давыдова Г.А., Селезнева И.И., Климашина Е.С., Путляев В.И. Bioresorbable ceramics based on the Mg3(PO4)2–Mg2P2O7 system for bone tissue regeneration Ceramics International, UK (год публикации - 2026)

27. Преображенский И.И. Способность к резорбции в модельной среде биокерамики на основе фосфатов магния XXI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (с международным участием), сборник трудов конференции, 15 - 18 октября 2024 г., ИМЕТ РАН, Москва , XXI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (с международным участием), сборник трудов конференции, 15 - 18 октября 2024 г., ИМЕТ РАН, Москва 2024. Сборник материалов доступен на сайте www.m.imetran.ru. (год публикации - 2024)

28. Егорова В.А., Климашина Е.С. Особенности твердофазного синтеза ортофосфата магния для биомедицинских применений Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2025», секция "Химия", подсекция "Неорганическая химия I: студенты", М.: Издательство «Перо», с. 438 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Все запланированные в отчётном году работы были выполнены в полном объеме, созданы новые материалы на основе фосфатов магния с помощью 3D печати для персонализированной реконструкции костной ткани, получены новые научные результаты. Показано, что для золь-гель синтеза фосфатов магния ключевыми параметрами, определяющими микроморфологию состава, и, следовательно, качество конечной керамики, являются значение pH (pH=4.5 для получения прекурсора с наименьшим размером агломератов), а также строгое соблюдение соотношений этиленгликоль/лимонная кислота (2:1) и катион магния/лимонная кислота (1:1). Опробованы два подхода синтеза полифосфатов магния: твердофазный и гель-полимерный синтез с определением оптимального режима предварительной термообработки. Установлено, что для гарантированного получения однофазного Mg3(PO4)2 твердофазным методом критически важен состав прекурсора: необходимо использовать струвит, синтезированный с двухкратным избытком магния (Mg/P = 2). По совокупности данных дилатометрических измерений, значений геометрической плотности и анализа микроструктуры материалов установлены специфичные для каждого метода синтеза фосфатов магния режимы спекания. Показано, что в общем случае повышение температуры термообработки до 1200-1300 oC с одновременным уменьшением времени выдержки приводит к увеличению плотности керамики до 85-97%, но провоцирует неконтролируемый рост кристаллитов и растрескивание материала, что потенциально негативно скажется на механических характеристиках. Эвтектический состав демонстрирует наилучшую спекаемость и позволяет получать мелкозернистую керамику с плотностью до 93-97% при 1100-1200 oC, в то время как для пирофосфата и в особенности полифосфата магния эффективное уплотнение кинетически затруднено, требуя либо более высоких температур, либо тщательного подбора времени выдержки. Установлено, что среди всех методов синтеза золь-гель метод позволяет получить наиболее плотные керамические материалы. Проведено исследование основных параметров стереолитографической печати в зависимости от состава фоточувствительных суспензий на основе фосфатов магния. Установлено, что для 3D-печати макропористой керамики предпочтительны гидрофобные суспензии, поскольку керамика, полученная из гидрофильных смесей, расслаивается в процессе термообработки. Разработаны многостадийные режимы термообработки композитов фосфат магния/полимер, позволяющие равномерно удалять полимерную составляющую материала, а также проводить последующее спекание выбранных составов. Показано, что керамика на основе эвтектического состава демонстрирует наибольшую плотность и наилучшие механические характеристики (прочность при сжатии, модуль Юнга, микротвердость) независимо от метода синтеза прекурсора. Методы химической гомогенизации, особенно золь-гель синтез, позволяют получать наиболее плотные и прочные керамические материалы модельной геометрии (прочность при сжатии до 175 МПа). Для ортофосфата магния оптимизированная методика с двухступенчатым обжигом и использованием технологического связующего обеспечила получение плотной (89%) керамики с высоким пределом прочности до 140 МПа. Изготовленные макропористые керамические материалы со структурой двухстороннего гироида и Кельвина достигают прочности при сжатии до 5-6 МПа и модуля Юнга 0.7-0.8 ГПа, что соответствует требованиям для костных имплантатов. При этом вне зависимости от фазового состава и пористости такой керамики структура Кельвина обладает большей прочностью по сравнению со структурой гироида. При сравнении методов получения порошковых прекурсоров для керамики золь-гель метод обеспечивает более высокую прочность при сжатии (до 175 МПа), однако требует высокотемпературного (>1000 °C) удаления органики, что приводит к потере активности прекурсора и росту частиц, хотя образующийся аморфный углерод может препятствовать росту зерна и влиять на оптические свойства при 3D-печати. В то же время метод пиролиза аэрозоля позволяет получать мелкодисперсный порошок для суспензий и спекать керамику при более низких температурах, обеспечивая более плотные и прочные материалы по сравнению с твердофазным методом, но требует предварительной термообработки для удаления примесей и, возможно, из-за полой структуры частиц и меньшей начальной плотности, дает несколько более низкую прочность, чем золь-гель синтез. Расчет проницаемости макропористых структур (Кельвин, односторонний и двухсторонний гироиды, решетка) с пористостью 60-80% с размером пор 1.5 мм в направлениях [100], [110] и [111] проводился по закону Дарси. В направлении [100] наибольшую проницаемость (930±40 Д при 80% пористости) показала решётчатая структура с прямыми каналами, но при изменении ориентации ее проницаемость резко падает. Гироидные структуры демонстрируют высокую и изотропную проницаемость (700–800 Д), слабо зависящую от ориентации, причём двусторонний гироид эффективнее. Структура Кельвина имеет несколько более низкую, но также стабильную проницаемость независимо от направления потока. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что структуры одностороннего и двустороннего гироида являются более перспективными по сравнению с решетчатой и структурой Кельвина, так как демонстрируют достаточно высокий коэффициент проницаемости вне зависимости от их ориентации относительно потока жидкости. Установлено, что керамика на основе ортофосфата магния демонстрирует высокую скорость резорбции (67% за 1 сутки) в слабокислой среде. Для создания материалов с управляемой, более низкой скоростью растворения (до 35% за 1 сутки) перспективно формирование бифазных композитов Mg3(PO4)2/Mg2P2O7. В процессе растворения керамических материалов Mg3(PO4)2 в водной среде формируется приемлемый для медицинского применения pH на уровне 8.3. Кроме того, исследования подтвердили высокую биоактивность магнийфосфатной керамики как модельной так и сложной геометрии. По результатам исследований in vitro показано, что, несмотря на превышение допустимого уровня pH на начальном этапе растворения ортофосфата магния и эвтектического состава, в дальнейшем pH среды стабилизируется и достигает значений в диапазоне 7.4 – 8.5, допустимых для биологического применения. Все полученные керамические материалы биосовместимы, а также поддерживают адгезию и пролиферацию клеток на поверхности, что позволяет рекомендовать их для биомедицинского применения. Ссылка на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: https://istina.msu.ru/projects/631903030/

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанные модельные материалы на основе фосфатов магния - новое поколение материалов для костной пластики, опережающее ведущие фундаментальные и прикладные исследования в данной области. Решение материаловедческих и инженерных аспектов задачи лежат в русле перспективных направлений развития науки и техники в РФ – разработка новых материалов и цифровых технологий их производства (в частности, аддитивных технологий), а созданный материал может быть использован для персонализированной реконструкции костной ткани при оказании высокотехнологичной медицинской помощи.