РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ МАСС НА ОСНОВЕ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

УДК 666.6

  • Шиманская Анна Николаевна – кандидат технических наук, ассистент кафедры технологии стекла и керамики. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: shimanskaya@belstu.by

  • Попов Ростислав Юрьевич – кандидат технических наук, доцент кафедры технологии стекла и керамики. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: rospopov@mail.ru

  • Пантелеенко Федор Иванович – доктор технических наук, профессор кафедры порошковой металлургии, сварки и технологии материалов, член-корреспондент НАН Беларуси, заслуженный деятель науки Республики Беларусь. Белорусский национальный технический университет (220013, г. Минск, ул. Я. Коласа, 24, корп. 7, Республика Беларусь). E-mail: panteleenkofi@mail.ru

  • Подсосонная Александра Дмитриевна – магистрант кафедры технологии стекла и керамики. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: pod.sosna@inbox.ru

  • Байгазин Дмитрий Александрович – студент. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: baigazin.dima@mail.ru

  • Поспелов Андрей Владимирович – младший научный сотрудник Центра физико-химических методов исследования. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: Andrei29088@mail.ru

DOI: https://doi.org/10.52065/2520-2669-2021-247-2-187-198

Ключевые слова: жидкофазный синтез, гидроксиапатит, 3D-печать, динамическая вязкость, структура.

Для цитирования: Шиманская А. Н., Попов Р. Ю., Пантелеенко Ф. И., Подсосонная А. Д., Байгазин Д. А., Поспелов А. В. Разработка составов масс на основе фосфатов кальция для 3D-печати керамических изделий // Труды БГТУ. Сер. 2, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология. 2021. № 2 (247). С. 187–198.DOI: https://doi.org/10.52065/2520-2669-2021-247-2-187-198.

Аннотация

Создание персонализированных конструкций для тканевой инженерии костной ткани на основе фосфатов кальция методами трехмерной печати является одним из перспективных направлений развития аддитивных технологий. В настоящей работе проведено комплексное изучение влияния параметров жидкофазного синтеза гидроксиапатита (рН реакционной среды, температура, продолжительность выдержки осадка в маточном растворе, обработка маточного раствора с осадком электромагнитным излучением СВЧ-диапазона) на фазовый и гранулометрический состав полученного порошка, особенности его структуры* . В результате этого выбраны оптимальные условия синтеза гидроксиапатита: рН 10, температура 60°C, обработка маточного раствора электромагнитным излучением СВЧ-диапазона мощностью 700 Вт в течение 30 мин. Для формования изделий разработана конструкция 3D-принтера, собрана экспериментальная установка. Определены технологические свойства керамических масс, пригодных для 3D-печати: динамическая вязкость – 20 000–60 000 мПа·с; рН 7–8; влажность – 54–60 мас. %, а при использовании связующих добавок – 70 мас. %. С помощью дифференциальной сканирующей калориметрии определены температурно-временные параметры обжига изделий, полученных на основе синтезированного гидроксиапатита. Выявлена взаимосвязь между составом керамических масс, технологическими параметрами получения, особенностями структуры и физико-химическими свойствами кальцийфосфатных материалов.

Скачать

Список литературы

  1. Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука, 2005. 204 с.
  2. Балакин А. В., Смелов В. Г., Чемпинский Л. А. Применение аддитивных технологий для создания деталей камеры сгорания // Вестник СГАУ. 2012. № 3 (34). С. 47–52.
  3. Amirthalingam N., Deivarajan T., Paramasivam M. Mechano chemical synthesis of hydroxyapatite using dolomite // Materials Letters. 2019. Vol. 254. P. 379–382. DOI: 10.1016/j.matlet.2019.07.118.
  4. Precipitated calcium phosphatesilicates and their dehydration in air at room temperature / V. A. Sinyaev [et al.] // Russian Journal of Applied Chemistry. 2009. Vol. 82, no 5. P. 789–793. DOI: 10.1134/S1070427209050073.
  5. Facile synthesis and characterization of hydroxyapatite particles for high value nanocomposites and biomaterials / F. Miculescu [et al.] // Vacuum. 2017. Vol. 146. P. 614–622. DOI: 10.1016/j.vacuum.2017.06.008.
  6. Bogdanova E. A., Sabirzyanov N. A. Synthesis and study of nanosized biomaterials based on hydroxyapatite // Nanosystems: physics, chemistry, mathematics. 2014. No. 5 (4). P. 590–596.
  7. Longinova N. M., Kozyreva N. A., Lipochkin S. V. Physocochemical properties of hydroxylapatite produced by precipitation // Glass and Ceramics. 2000. Vol. 57, issue 5–6. P. 172–173. DOI: 10.1007/BF02681268.
  8. Study of synthetic hydroxyapatite by the method of high-resolution transmission electron microscopy: morphology and growth direction / E. I. Suvorova [et al.] // Crystallography Reports. 2000. Vol. 45, issue 5. P. 857–861. DOI: 10.1134/1.1312936.
  9. О выборе архитектуры остеокондуктивных биокерамических имплантатов / А. А. Тихонов [и др.] //
    Материаловедение. 2018. № 8. С. 43–48. DOI: 10.31044/1684-579X-2018-0-8-43-48.
  10. Thermal decomposition of hydroxyapatite in air atmosphere / Ch.-J. Liao [et al.] // Ceramic International. 1999. Vol. 20. P. 1807–1813. DOI: 10.1016/s0142-9612(99)00076-9.
  11. Керамические материалы на основе гидроксиапатита, синтезированного из растворов различной концентрации исходных реагентов / Т. В. Сафронова [и др.] // Неорганические материалы. 2007. № 8. C. 1005–1014.
  12. Vlasov A. S., Ludanova A. S. Effect of the parameters of synthesis on the properties of hydroxyapatite // Glass and Ceramics. 1994. Vol. 51, issue 7–8. P. 261–262. DOI: 10.1007/BF00680662.
  13. Куляшова К. С., Шаркеев Ю. П. Получение синтетического гидроксиапатита для формирования биопокрытий на имплантатах медицинского назначения // Химия в интересах устойчивого развития. 2011. № 19. С. 447–453.
  14. Получение нанокристаллического гидроксиапатита методом химического осаждения с использованием биогенного источника кальция / Д. Л. Голощапов [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. 2011. Т. 13, № 4. С. 427–441.
  15. Jyotsna P., Vijayakumar P. Synthesis and characterization of hydroxyapatite nanoparticles and their cytotoxic effect on a fish vertebra derived cell line // Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. 2020. Vol. 25. DOI: 10.1016/j.bcab.2020.101612.
  16. Dorozhkin S. V. A novel environmentally friendly process for the fabrication of calcium phosphate bioceramics // Inorganic Materials. 2008. Vol. 44, issue 2. P. 207–210. DOI: 10.1134/S0020168508020234.
  17. Komlevel V. S., Barinov S. M. Porous hydroxyapatite ceramics of bimodal poresize distribution // J. of M. Scientists. 2002. Vol. 13. P. 295–299. DOI: 10.1023/a:1014015002331.
  18. Керамика на основе порошка фосфата кальция, синтезированного из сахарата кальция и гидрофосфата аммония / Т. В. Сафронова [и др.] // Материаловедение. 2016. № 3. С. 43–48.
  19. Двухфазная керамика в системе СаО–Р2О5 на основе порошка, синтезированного из ацетата кальция и гидрофосфата аммония / Т. В. Сафронова [и др.] // Стекло и керамика. 2013. № 2. С. 44–31.
  20. Синтез порошка фосфата кальция из лактата кальция и гидрофосфата аммония для получения биокерамики / Т. В. Сафронова [и др.] // Неорганические материалы. 2017. Т. 53, № 8. С. 859–868.
  21. Synthesis and physicochemical characterization of carboxymethylcellulose-containing calcium hydroxylapatite / Zh. A. Ezhova [et al.] // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2006. Vol. 51, issue 2. P. 332–336. DOI: 10.1134/S0036023606020239.
  22. Facile syntheses of three-dimensional porous hydroxyapatite using carboxymethylcellulose as a template / G. Qian [et al.] // Results in Physics. 2017. No. 7. P. 1623–1627. DOI: 10.1016/j.rinp.2017.04.033.
  23. Chena R., Shen J. The synthesis of hydroxyapatite crystals with various morphologies via the solvothermal method using double surfactants // Materials Letters. 2020. Vol. 259. DOI: 10.1016/j.matlet.2019.126881.
  24. Получение наноструктур гидроксиапатита, обладающих высокой удельной поверхностью / Е. Ю. Каракатенко [и др.] // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Т. 31, № 13. С. 34–36.
  25. Фадеева Е. Ю., Леткин Е. А., Королёва М. Ю. Синтез наночастиц гидроксиапатита, стабилизированных Brij 30 // Успехи в химии и химической технологии. 2016. Т. 30, № 12. С. 46–48.
  26. Получение порошка гидроксиапатита в ходе жидкофазного синтеза / Т. И. Гузеева [и др.] // Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 315, № 3. С. 47–50.
  27. Hench L. L. Bioceramics // Journal of the American Ceramic Society. 1998. Vol. 81, issue 7. P. 1705–1728. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1998.tb02540.x.
  28. Yeong K. C. B., Wang J., Ng S. C. Mechanochemical synthesis of nanocrystalhydroxyapatite from CaO and CaHPO4 // Biomaterials. 2001. Vol. 22, no. 20. P. 2705–2712. DOI: 10.1016/s0142-9612(00)00257-x.
  29. Ultrasonic synthesis of hydroxyapatite in non-cavitation and cavitation modes / A. L. Nikolaev [et al.] // Ultrasonics – Sonochemistry. 2018. Vol. 44. P. 390–397. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.02.047.
  30. Chen J. Regulatory synthesis and characterization of hydroxyapatite nanocrystals by a microwaveassisted hydrothermal method // Ceramics International. 2020. Vol. 46, issue 2. P. 2185–2193. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.09.203.
  31. Физико-химические характеристики ископаемых костных остатков млекопитающих и проблема оценки их относительного возраста. В 2 ч. Часть 2: ИК- и радиоспектроскопия, микроскопия / С. Л. Вотяков [и др.]. Екатеринбург: Гощицкий, 2009. 82 с.
  32. Солоненко А. П. Синтез смесей гидроксиапатита и аморфного силиката кальция // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 10 (54). C. 35–40.
  33. Применение колебательной спектроскопии для экспресс-анализа композитных материалов на основе акриловых гидрогелей и гидроксиапатита / И. Е. Болдескул [и др.] // Методы и объекты химического анализа. 2009. Т. 4, № 1. С. 92–96.
  34. Characterization and annealing performance of calcium phosphate nanoparticles synthesized co-precipitation method / M. A. Ahmed [et al.] // Ceramics International. 2014. Vol. 40, issue 8. P. 12807–12820. DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.04.135.
Поступила 30.04.2021