Исследователи Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) и Уральского отделения РАН в сотрудничестве со специалистами из Грацского технического университета (Австрия) изучили, как добавление примесей действует на свойства многокомпонентных наноматериалов, в частности гидроксиапатита — основы для костных имплантатов.
Оказалось, что в зависимости от количества добавок меняется влияние температуры отжига: она определяет интенсивность окисления и дефектообразование. Исследование поддержано РФФИ (проект № 20-03-00675), результаты опубликованы в журнале Ceramics International.
Одной из задач современной ортопедии и травматологии является разработка нанокомпозитов (многокомпонентных материалов), с помощью которых можно создавать аналоги костной ткани. В частности, такие материалы используются для улучшения биоактивных свойств имплантатов и при изготовлении протезов мелких костей. Чтобы увеличить эффективность терапии, применяют биогенный гидроксиапатит — аналог минерального межклеточного вещества костной ткани.
Гидроксиапатит обладает рядом важных свойств: содержит химические элементы в тех же формах, в которых они находятся в организме человека, не обладает мутагенным действием, не вызывает побочных эффектов, не отторгается организмом. Однако часто гидроксиапатит требует упрочнения, например, за счет его сочетания с другими материалами. Одной из наиболее эффективных добавок считается титан и его оксиды — этот элемент также способен усиливать бактерицидные свойства нанокомпозитов. Имея информацию обо всех тонкостях взаимодействия матрицы и добавок, можно не только направленно влиять на конечные свойства получаемых материалов, но и предотвращать нежелательные эффекты.
На сегодня еще нет данных, которые позволили ли бы описать взаимодействие матрицы с армирующими добавками при различных температурах. Поэтому важно изучить термохимические и физико-химические явления, которые происходят при термообработке нанокомпозитов, содержащих разное количество оксида титана.
Ученые УрФУ, УрО РАН и Грацского технического университета изучили взаимодействие мягкой матрицы и армирующих добавок при воздействии температуры. В эксперименте использовался гидроксиапатит с добавками нестехиометрического монооксида титана в соотношении 10% и 20% от общей массы вещества. Монооксид титана интересен тем, что может содержать до 25% атомных вакансий как в титановой, так и в кислородной подрешетке.
Вакансии в таком большом количестве существенно влияют на процесс формирования наноматериалов при термообработке. Порошковые образцы сначала спрессовали, после чего таблетки отожгли в специальных кварцевых ампулах. Для определения свойств полученного двухфазного материала его постепенно нагрели до температуры 1000°С, после чего с помощью термического и рентгенофазового анализа сравнили с образцами гидроксиапатита без добавок.
«Когда температура отжига повышалась, наночастицы монооксида титана окислялись и отнимали атомы кислорода у наночастиц гидроксиапатита в местах их соприкосновения. Температуры начала разложения гидроксиапатита и окисления оксида титана зависят от исходного количества и состава армирующего компонента. Взаимодействие гидроксиапатита и оксидов титана значительно изменяет термическое поведение нанокомпозитов, по сравнению с чистым гидроксиапатитом. Исследование показало, что при разработке новых наноматериалов взаимодействие матрицы и добавки должно быть всесторонне изучено. Оно влияет на дефектообразование, кристаллическую структуру и фазовый состав, а изменение свойств добавок позволяет варьировать свойства конечного материала», — рассказывает ведущий научный сотрудник УрФУ Светлана Ремпель.
УрФУ — один из ведущих вузов России со столетней историей. Расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных летних студенческих игр 2023 года. В Год науки и технологий примет участие в конкурсе по программе «Приоритет–2030». Вуз выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ).