Подготовка и свойства композитов B72, модифицированных гидроксиапатитом, для склеивания частично окаменевших костных артефактов

Спасение хрупких костей прошлого

Археологические раскопки нередко выявляют не крепкие черепа или бивни, а кости и слоновую кость, столь хрупкие, что рассыпаются при прикосновении. Консерваторы полагаются на клеи, чтобы удержать такие фрагменты вместе, однако многие привычные изделия стареют, трескаются или трудно удаляются, если в будущем появится более подходящий метод. В этом исследовании описан новый тип адгезива, созданный специально для деликатных, частично окаменевших костных реликвий, с целью сделать их более прочными, безопасными и обратимыми для будущих поколений исследователей и посетителей музеев.

Почему старые кости трудно сохранить

Частично окаменевшие кости и рога пролежали под землёй веками или тысячелетиями. Со временем их когда‑то сплочённая структура превращается в сложную смесь органики и минералов с порами, микротрещинами и слабыми местами. При раскопках и последующем воздействии изменений влажности, температуры и обращения такие объекты могут слоиться, рассыпаться или ломаться на многие фрагменты. Стандартные синтетические клеи, хотя и прочны, часто оказываются слишком жёсткими по сравнению с самой костью. Это несоответствие концентрирует напряжения в местах склеивания и может вызывать хрупкое разрушение. Многие полимеры также желтеют, становятся ломкими под действием света и влажности и трудно удаляются без повреждения артефакта.

Заимствуя у самой кости

Исследователи поставили цель разработать более «костеподобный» клей, объединив проверенную реставрационную смолу B72 с гидроксиапатитом — минералом, являющимся основной составляющей натуральной кости. Чтобы эти довольно разные материалы лучше смешивались и сцеплялись, они добавили силановый связующий агент — небольшую молекулу, способную связываться как с минеральными частицами, так и с органической смолой — а также небольшое количество пластификатора для снижения хрупкости. Меняя доли гидроксиапатита и связующего агента, авторы создали несколько вариантов композита и затем исследовали их внутреннюю структуру, реологию, поведение при отверждении, прочность соединения и устойчивость к внешним воздействиям.

Как ведёт себя новый клей

Микроскопические изображения показали, что чистая B72 образует гладкий непрерывный слой, тогда как добавление гидроксиапатита вносит в смолу мелкие поры и частицы. При слишком большом содержании минерала структура становится чрезмерно рыхлой и пористой, но при наличии оптимальной дозы связующего агента частицы равномерно распределяются, и адгезивный слой уплотняется и выравнивается. Измерения вязкости и смачиваемости выявили важный компромисс: большее содержание минерала делает смесь гуще и ухудшает её способность проникать в микротрещины, тогда как его недостаток лишает материала дополнительной прочности. Команда также оценивала скорость отверждения разных рецептур, проницаемость паров воды по сравнению с костью и способность растворяться в обычных растворителях. Все варианты оставались растворимыми в течение нескольких часов, что является важной характеристикой для повторной обработки артефактов в будущем.

Прочность, старение и тепло

Механические испытания на искусственно состарённой бивневой кости мамонта — используемой в качестве заменителя реальных реликвий — показали, что добавление гидроксиапатита увеличивает сдвиговую прочность склеенных стыков примерно на 50 процентов по сравнению с чистой B72. Однако самая насыщенная минеральная смесь плохо растекалась и формировала более пористый твердый слой, что может снижать надёжность в долгосрочной перспективе. Ускоренные испытания старения, включая циклы намокания‑сушки, воздействие солей и ультрафиолета, также выявили баланс: умеренное содержание минерала улучшало сопротивляемость потере массы, изменению цвета и утрате прочности, тогда как чрезмерное количество могло ввести слабые места. Тепловые испытания показали, что минеральные частицы помогают адгезиву выдерживать более высокие температуры до разложения, что указывает на лучшую общую стабильность.

От лабораторного стола до раскопок

Учитывая все факторы — удобство применения, прочность, долговечность в окружающей среде, совместимость с пористой структурой кости и обратимость обработки — авторы выделили одну рецептуру как наилучший компромисс: клей, содержащий 20 процентов гидроксиапатита и 5 процентов связующего агента по массе. Эта смесь была достаточно вязкой, чтобы удерживать детали, но при этом проникала в тонкие трещины, скрепляла прочнее, чем чистая B72, старела более благоприятно при воздействии влаги, соли и света и всё ещё могла быть удалена стандартными растворителями. При реальной реставрации сломанных костных останков с китайского археологического памятника композит позволил аккуратно состыковать фрагменты и обеспечил стабильные, визуально незаметные соединения. Для неспециалиста вывод таков: подражая минеральному составу кости и тонко настраивая взаимодействие с проверенной смолой, консерваторы теперь могут склеивать хрупкие реликвии так, чтобы это было прочнее, более совместимо с материалом и бережнее по отношению к будущему, чем при использовании традиционных клеев.

Цитирование: Chen, D., Zhang, C., Zhang, L. et al. Preparation and properties of hydroxyapatite modified B72 composites for adhesion of partially-fossilized bone cultural relics. npj Herit. Sci. 14, 168 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02437-3

Ключевые слова: консервация костей, археологические клеи, гидроксиапатит, реставрация культурного наследия, Paraloid B72