Исследование физико-химических свойств композиционных материалов на основе гидроксиапатита при допировании его индивидуальными веществами и их комбинациями
К.И. Сабанин2, В.М. Скачков1, Е.А. Богданова3, Н.А. Сабирзянов1
1 ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук»
2 ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
3 АО «Гиредмет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.875
Оригинальная статья
Аннотация: В работе изучено влияние армирующих добавок оксидов титана и циркония, как в индивидуальном порядке, так и при их совместном воздействии, на физико-химические свойства дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита, полученного осаждением из раствора, при последующей термообработке в широком интервале температур: 25-1200°С. Исследуемые композиционные материалы были получены посредством механохимического синтеза при одновременном смешении и измельчении материалов. Синтезированные образцы аттестованы методами рентгенофазового, дифференциального термического и дисперсионного анализа. Показано влияние качественного и количественного состава композиционного материала на протекание процессов спекания, прочностные характеристики и морфологию исследуемых образцов. Экспериментально установлено, что введение армирующих добавок, как в индивидуальном виде, так и в случае их комбинации, позволяет термически стабилизировать материал вплоть до температур ~1200°С, сохранив постоянный фазовый состав, предотвратив разложение гидроксиапатита на трикальций фосфат.
Показано, что присутствие диоксида циркония в составе образца позволяет значительно повысить предел прочности материала на сжатие. Но вместе с тем установлено, что совместное присутствие оксидов титана и циркония в керамическом материале приводит к снижению микротвердости композита, что в случае данных добавок делает более перспективным использование двойных композитов в качестве материалов медицинского назначения.
Ключевые слова: гидроксиапатит, нестехиометрический оксид титана, диоксид циркония, композиционные биоматериалы, микротвердость
- Сабанин Кирилл Игоревич – магистрант 1 курса обучения кафедры экспериментальной физики, ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
- Скачков Владимир Михайлович – к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук»
- Богданова Екатерина Анатольевна – к.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории материалов и технологий четвертого энергетического перехода, АО «Гиредмет»
- Сабирзянов Наиль Аделевич – д.т.н., главный научный сотрудник, заведующий лабораторией химии гетерогенных процессов, ФГБУН «Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук»
Ссылка для цитирования:
Сабанин, К.И. Исследование физико-химических свойств композиционных материалов на основе гидроксиапатита при допировании его индивидуальными веществами и их комбинациями / К.И. Сабанин, В.М. Скачков, Е.А. Богданова, Н.А. Сабирзянов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 875-886. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.875. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Verma, S. Evaluating the mechanical properties of novel HAp reinforced polyaryletherketone biocomposites via molecular dynamics simulation / S. Verma, N. Sharma // Materials Chemistry and Physics. – 2023. – V. 307. – Art. № 128106. – 9 p. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2023.128106.
2. Баринов, С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / С.М. Баринов, В.С. Комлев. – М.: Наука, 2006. – 204 с.
3. Suresh, S. Mechanical properties and in vitro cytocompatibility of dense and porous Ti–6Al–4V ELI manufactured by selective laser melting technology for biomedical applications / S. Suresh, C-N. Sun, S. Tekumalla et al. // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2021. – V. 123. – Art. № 104712. – 12 p. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2021.104712.
4. Cai, D. A novel biomedical titanium alloy with high antibacterial property and low elastic modulus / D. Cai, X. Zhao, L. Yang et al. // Journal of Materials Science & Technology. – 2021. – V. 81. – P. 13-25. DOI: 10.1016/j.jmst.2021.01.015.
5. Shekhawat, D. Bioceramic composites for orthopaedic applications: A comprehensive review of mechanical, biological, and microstructural properties / D. Shekhawat, A. Singh, M.K. Banerjee et al. // Ceramics International. – 2021. – V. 47. – I. 3. – P. 3013-3030. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.09.214.
6. 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.
7. Mobasherpour, I. Effect of the addition ZrO2-Al2O3 on nanocrystalline hydroxyapatite bending strength and fracture toughness / I. Mobasherpour, M. Solati Hashjin, 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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.