Влияние способа синтеза на прочностные характеристики керамики на основе фторапатита
Е.А. Богданова2, В.М. Скачков1
1 ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»
2 АО «Гиредмет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.563
Оригинальная статья
Аннотация: В статье обсуждается возможность получения упрочненной биокерамики на основе фторапатита. Композиционные материалы получали двумя способами. В первом случае путем механохимичекого синтеза наноструктурированного гидроксиапатита, полученного осаждением из раствора, с расчетным количеством допирующих компонентов (фторид кальция, нестехиометрический оксид титана либо диоксид циркония) и последующей высокотемпературной обработкой. Во втором случае механохимическое армирование осуществляли при непосредственном введении упрочняющего компонента (несмтехиометрический оксид титана либо диоксид циркония) в ультрадисперсный фторапатит, полученный осаждением из раствора. Синтезированные образцы аттестованы с использованием современных физико-химических методов анализа. Показано влияние качественного и количественного состава композита на протекание процессов спекания и прочностные характеристики исследуемых образцов. Экспериментально установлено, что отвечающие требуемым функциональным характеристикам материалы удается получить при упрочнении фторапатита диоксидом циркония в количестве 5 масс.%, а также за счет совместного армирования гидроксиапатита фторидом кальция и оксидом титана в равных количествах (15 масс.%). Композиционные материалы указанного состава термически стабильны, обладают постоянным фазовым составом, плотной равномерной структурой с высокой степенью кристалличности, с развитой пористостью и являются перспективным материалом для дальнейших исследований с целью внедрения в медицинскую практику.
Ключевые слова: фторапатит, гидроксиапатит, биокерамика, упрочнение, оксид титана, диоксид циркония, фторид кальция, композиционные материалы, микротвердость
- Богданова Екатерина Анатольевна – к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории электрохимических устройств для водородной энергетики, АО «Гиредмет»
- Скачков Владимир Михайлович – к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН»
Ссылка для цитирования:
Богданова, Е.А. Влияние способа синтеза на прочностные характеристики керамики на основе фторапатита / Е.А. Богданова, В.М. Скачков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 563-576. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.563. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Mondal, S. Hydroxyapatite: A journey from biomaterials to advanced functional materials / S. Mondal, S. Park, J. Choi et al. // Advances in Colloid and Interface Science. – 2023. – V. 321. – Art. № 103013. – 27 p. DOI: 10.1016/j.cis.2023.103013.
2. Баринов, С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / С.М. Баринов, В.С. Комлев. – М.: Наука, 2006. – 204 с.
3. Gholamzadeh, M. The effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of plasma- sprayed functionally graded hydroxyapatite/titanium coatings / M. Gholamzadeh, F. Karimi, N. Gholamzadeh et al. // Surface and Coatings Technology. – 2025. – V. 513. – Art. № 132495. – 13 p. DOI:10.1016/j.surfcoat.2025.132495.
4. Singh, A. Influence of post coating heat treatment on microstructural, mechanical and electrochemical corrosion behaviour of vacuum plasma sprayed reinforced hydroxyapatite coatings / A. Singh, G. Singh, V. Chawla // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2018. – V. 85. – P. 20-36. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2018.05.030.
5. Kim, H-W. Effect of CaF2 on densification and properties of hydroxyapatite–zirconia composites for biomedical applications / H-W. Kim, Y-J. Noh, Y-H. Koh et al. // Biomaterials. – 2002. – V. 23. – I. 20. – P. 4113-4121. DOI: 10.1016/s0142-9612(02)00150-3.
6. Guidara, A. The effects of MgO, ZrO2 and TiO2 as additives on microstructure and mechanical properties of Al2O3–FAP composite / A. Guidara, K. Chaari, S. Fakhfakh, J. Bouaziz // Materials Chemistry and Physics. – 2017. – V. 202. – P. 358-368. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2017.09.039.
7. Htun, Z.L. Characterization of CaO-ZrO2 reinforced hap biocomposite for strength and toughness improvement / Z.L. Htun, N. Ahmad, A.A. Thant, A.-F.M. Noor // Procedia Chemistry. – 2016. – V. 19. – Р. 510-516. DOI: 10.1016/j.proche.2016.03.046.
8. Mobasherpour, I. Effect of the addition ZrO2-Al2O3 on nanocrystalline hydroxyapatite bending strength and fracture toughness / I. Mobasherpour, M. Hashjin Solati, S.S. Razavi Toosi, R. Darvishi Kamachali // Ceramics International. – 2009. – V. 35. – I. 4. – Р. 1569-1574. DOI: 10.1016/j.ceramint.2008.08.017.
9. Петракова, Н.В. Уплотнение нанопорошков гидроксиапатита с применением гидростатического прессования / Н.В. Петракова, С.М. Баринов, Е.В. Евстратов и др. // Материаловедение. – 2016. – № 11. – С. 35-41.
10. Бакунова, H.B. Влияние термообработки на спекание и прочность керамики из нанопорошков гидроксиапатита / H.B. Бакунова, С.М. Баринов, В.М. Иевлев и др. // Материаловедение. – 2010. – № 12. – С. 11-15.
11. Сафронова, Т.В. Керамические материалы на основе гидроксиапатита, полученные из растворов различной концентрации / Т.В. Сафронова, М.А. Шехирев, В.И. Путляев, Ю.Д. Третьяков // Неорганические материалы. – 2007. – Т. 43. – № 8. – С. 1005-1014.
12. Пат. 2406693 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии гидроксиапатита / Сабирзянов Н.А., Богданова Е.А., Хонина Т.Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. – № 2008140563/15; заявл. 13.10.08; опубл. 20.12.10, Бюл. № 35. – 5 с.
13. Пат. 2652193 Российская Федерация, МПК C01B25/32. Способ получения суспензии апатита / Богданова Е.А., Сабирзянов Н.А., Скачков В.М.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела УрО РАН. – № 2017113484; заявл. 19.04.17; опубл. 25.04.18, Бюл. № 12. – 5 с.
14. Панкратов, А.С. Проблемы биоинтеграции микро- и нанокристаллического гидроксиапатита и подходы к их решению / А.С. Панкратов, И.С. Фадеева, В.В. Минайчев и др. // Гены и клетки. – 2018. – Т. 13. – № 3. – С. 46-51. DOI: 10.23868/201811032.
15. Bogdanova, E.A. Formation of nanodimensional structures in precipitated hydroxyapatite by fluorine substitution / E.A. Bogdanova, V.М. Skachkov, I.S. Medyankina et al. // SN Applied Sciences. – 2020. – V. 2. – I. 9. – Art. № 1565. – 7 p. DOI: 10.1007/s42452-020-03388-5.
16. Chen, Y. Thermal and chemical stability of fluorohydroxyapatite ceramics with different fluorine contents / Y. Chen, X. Miao // Biomaterials. – 2005. – V. 26. – I. 11. – P. 1205-1210. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2004.04.027.
17. Zang, M. Characterization, mechanical properties, corrosion behavior and bone-like apatite formation ability of fluorine substituted hydroxyapatite coating / M. Zang, L. Li, X. Sun et al. // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2024. – V. 151. – Art. № 106364. – 8 p. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2023.106364.
18. Богданова, Е.А. Влияние высоких температур на микроструктуру и свойства фторсодержащих материалов на основе гидроксиапатита / Е.А. Богданова, В.М. Скачков, О.В. Скачкова, Н.А. Сабирзянов // Неорганические материалы. – 2020. – Т. 56. – № 2. – С. 181-186. DOI: 10.31857/S0002337X20020037.
19. Singh, A. Influence of post coating heat treatment on microstructural, mechanical and electrochemical corrosion behaviour of vacuum plasma sprayed reinforced hydroxyapatite coatings / A. Singh, G. Singh, V. Chawla // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2018 – V. 85. – P. 20-36. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2018.05.030.
20. Niranjan, C.A. Effect of Al2O3 and ZrO2 nanoparticles on microstructure and mechanical properties of Mg-AZ91 hybrid nanocomposites / C.A. Niranjan, K. Siddhartha, S. Srinivas et al. // Materials Today Communications. – 2024 – V. 41. – Art. № 110988. – 10 p. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2024.110988.
21. Rempel, S.V. Impact of titanium monoxide stoichiometry and heat treatment on the properties of TiOy/HAp nanocomposite / S.V. Rempel, D.A. Eselevich, E.Yu. Gerasimov, A.A. Valeeva // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – V. 800. –P. 412-418. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.06.057.
22. Rempel, S.V. The effect of substoichiometric nanocrystalline titanium monoxide (TiOy) additions on the strength properties of hydroxyapatite (HAp) / S.V. Rempel, Е.А. Bogdanova, А.А. Valeeva et al. // Inorganic Materials. – 2016. – V. 52. – I. 5. – P. 476-482. DOI: 10.1134/S0020168516050137.
23. Rempel, S.V. Vacuum-made nanocomposite of low-temperature hydroxyapatite (HAp) and hard nonstoichiometric titanium monoxide (TiOy) with enhanced mechanical properties / S.V. Rempel, А.А. Valeeva, Е.А. Bogdanova et al. // Mendeleev Communications. – 2016. – V. 26. – I. 6. – P. 543-545. DOI: 10.1016/j.mencom.2016.11.029.
24. Placido, F. Titanium dioxide coatings for medical devices / F. Placido, A. McLean, A.A. Ogwu, W. Ademosu // In: Surgical Tools and Medical Devices; ed. by M.J. Jackson, W. Ahmed. – Cham: Springer, 2016. – pp. 81-91. DOI: 10.1007/978-3-319-33489-9_3.
25. Farzin, A. Comparative evaluation of biocompatibility of dense nanostructured and microstructured Hydroxyapatite/Titania composites / A. Farzin, M. Ahmadian, M.H. Fathi // Materials Science and Engineering: C. – 2013. – V. 33. – I. 4. – P. 2251-2257. DOI: 10.1016/j.msec.2013.01.053.
26. Khalajabadi, S.Z. In vitro biodegradation, electrochemical corrosion evaluations and mechanical properties of an Mg/HA/TiO2 nanocomposite for biomedical applications / S.Z. Khalajabadi, N. Ahmad, S. Izman et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – V. 696. – P. 768-781. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.11.106
27. He, Y. Microstructure evolution, electrochemical properties and in-vitro properties of Ti-Nb-Zr based biocomposite by hydroxyapatite bioceramic / Y. He, Y. Zhang, Y. Jiang et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – V. 764. – P. 987-1002, DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.06.132.
28. Богданова, Е.А Влияние армирующих добавок на процессы спекания и упрочнения наноразмерного гидроксиапатита / Е.А. Богданова, И.М. Гиниятуллин, Д.И. Переверзев, В.М. Разгуляева // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 548-554. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.548.
29. Powder Diffraction File JCPDS-ICDD PDF-2 (Set 1-47). (Release, 2016). – Режим доступа: www.url: https://www.icdd.com/pdf-2/. – 15.04.2025.