Способ получения гидроксилапатита

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение Белорусского государственного университета Научно-исследовательский институт физико-химических проблем(72) Авторы Шабловский Владимир Ольгертович Тучковская Алла Васильевна Рухля Владимир Анатольевич Пап Ольга Георгиевна Ивашина Ольга Владимировна(73) Патентообладатель Учреждение Белорусского государственного университета Научно-исследовательский институт физико-химических проблем(57) Способ получения гидроксилапатита, включающий нейтрализацию водной суспензии гидроксида кальция фосфорной кислотой при молярном соотношениик , равном 1,667, отличающийся тем, что используют концентрированную суспензию гидроксида кальция с массовым соотношением твердой и жидкой фаз 1(3-5), которую предварительно подвергают механохимической активации, при этом активацию и нейтрализацию суспензии гидроксида кальция проводят при 70-80 С и интенсивном перемешивании со скоростью не менее 1000 об/мин. Изобретение относится к технологии получения гидроксилапатита и может быть использовано в области получения химических реактивов, сорбентов для органической и неорганической химии и антикоррозионных пигментов в лакокрасочных материалах. Гидроксилапатит (10(4)62 - ГАП) является одним из немногих биологически совместимых минеральных веществ, привлекающих постоянный интерес к его синтезу и свойствам. Разработаны различные методы синтеза ГАП с различной формой и размером кристаллов. Получаемые кристаллы ГАП используются в медицине, в частности в хирургии кости, в стоматологии, как носитель для лекарственных препаратов и, например, как сорбент в органической и неорганической химии и в газожидкостной хроматографии. Однако возможности синтеза новых форм все еще не исчерпаны. Вышеупомянутые области использования получаемого ГАП определяют основные требования и свойства, которыми должен обладать произведенный ГАП. Те требования и свойства особенно касаются его химической и фазовой чистоты, то есть гидроксилапатит не должен содержать других фосфатов кальция. Кроме того, ГАП должен быть микрокристаллическим, т.е. его частицы должны иметь небольшой размер и высокоразвитую поверхность. 14407 1 2011.06.30 Небольшие количества примесей в растворе могут изменять скорость роста и морфологию кристаллов. На свойства кристаллов ГАП оказывает влияние и изоморфное замещение ионов 2, 43-, ОН- в структуре гидроксилапатита на другие ионы, присутствующие в растворе. Поэтому наиболее чистым методом получения гидроксилапатита следует считать реакцию нейтрализации 102634 10(4)62182. В настоящее время в литературе, в том числе и патентной, существует множество способов получения гидроксилапатита по реакции взаимодействия гидроксида кальция и фосфорной кислоты, включающих в себя три основных метода синтеза фосфатов кальция осаждением из растворов (мокрый метод), твердофазный синтез (сухой метод) и гидротермальный синтез в автоклавах 1-3. На практике преобладает синтез фосфатов кальция из водных растворов. Для данного способа характерно множество изменяющихся факторов, которые не всегда дают хорошую возможность достичь хорошей воспроизводимости,сохранить стехиометрическое соотношение / в процессе синтеза, т.е. получить порошок с заданными химическими и физическими свойствами. Кроме того, в результате мокрых синтезов зачастую образуется аморфный продукт, не дающий рефлексов, характерных для тонкокристаллического гидроксилапатита, а достаточная степень кристалличности такого промежуточного продукта достигается при отжиге свыше 1000 С. Твердофазный синтез гидроксилапатита является более длительным и энергоемким. Кроме того, этим методом трудно достичь гомогенности конечного продукта. В 4 описан способ получения гидроксилапатита, включающий смешивание гидроксида кальция и фосфорной кислоты, отстаивание, фильтрование и сушку получаемого продукта, при этом смешивают раствор гидроксида кальция и раствор фосфорной кислоты при их мольном соотношении, равном 1,33-2,50. Окончательную кристаллизацию образующегося аморфного продукта и удаление примесей кислых фосфатов кальция, а также карбонатных примесей в виде карбоната кальция и карбонатзамещенного гидроксилапатита, образующихся при комнатной температуре, предлагается осуществлять прокаливанием первичного продукта реакции при 1000-1300 С. Недостатком данного способа является не только необходимость высокотемпературного отжига, но также использование для синтеза больших объемов сильно разбавленных (вследствие низкой растворимости 2) растворов гидроксида кальция. То есть массы использованных в синтезе растворов (включая промывные воды) более чем в 500 раз превышают массу конечного продукта, делая данный способ получения гидроксилапатита малопривлекательным с точки зрения крупнотоннажного производства. Механизм и технологический процесс синтеза микрокристаллического гидроксилапатита, включающий в себя циклическое насыщение реакционной смеси реагентами представлен в 5. Метод включает в себя стадии смешивания и гомогенизации суспензии,содержащей гидроокись кальция (готовят смешиванием оксида кальция с водой в отношении 1/35-100) с определенным количеством фосфорной кислоты внутри первого реактора для создания регулируемого щелочного значения(10-12) получающейся смеси,подачу смеси во второй реактор для фазового преобразования смеси с последующим поступлением реакционной смеси в третий реактор, где ее разбавляют в 400-500 раз исходной суспензией. Образующуюся смесь, содержащую гидроксид кальция и гидроксилапатит, вновь возвращают в первый аппарат. Таким образом, посредством каждой из этих стадий, циклически выполяемых в непрерывных периодических условиях в пределах, по крайней мере, трех циклов, получают наноразмерные кристаллы чистого гидроксилапатита в качестве твердой фазы. Очевидным недостатком данного способа является сложность и громоздкость аппаратурного оформления получения гидроксилапатита. 2 14407 1 2011.06.30 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ производства ГАП, описанный в 6, заключающийся в смешивании концентрированной суспензии гидроокиси кальция с фосфорной кислотой в сочетании с размолом, который гарантирует механохимическую активацию реагентов. В этом методе применяются мельницы и дробилки различных типов, использующие для размола стеклянные или алюминиевые шары. Однако неудобством этого метода, наряду с необходимостью использования специального оборудования для размола, является то, что окончательная кристаллизация требует прокаливания при температуре 1200-1300 С и, в конечном итоге, получается крупнокристаллический продукт. Кроме того, вышеописанный метод не позволяет производить высокочистый ГАП. Конечный продукт наряду с гидроксилапатитом содержит значительное количество других фосфатов кальция. Задачей изобретения является упрощение производства мелкокристаллического гидроксилапатита (использование малых объемов концентрированных реагентов, простое аппаратурное оформление, не требующее высокотехнологичного оборудования, устранение стадий высокотемпературного отжига и последующего размола спеченного продукта) при сохранении высокого выхода конечного продукта и высокой степени его чистоты. Задача изобретения решается тем, что в предлагаемом способе получения гидроксилапатита, включающем нейтрализацию водной суспензии гидроксида кальция фосфорной кислотой при молярном соотношениик , равном 1,667, используют концентрированную суспензию гидроксида кальция с массовым соотношением твердой и жидкой фаз 1(3-5), которую предварительно подвергают механохимической активации, при этом активацию и нейтрализацию суспензии гидроксида кальция проводят при 70-80 С и интенсивном перемешивании со скоростью не менее 1000 об/мин. В качестве исходного сырья могут быть использованы не только гидроксид или оксид кальция реактивной чистоты, но и строительная известь. Механохимическая активация реакционной смеси в сочетании с умеренным нагреванием более чем на порядок увеличивает скорость рекристаллизации аморфного промежуточного продукта в мелкокристаллический гидроксилапатит, что позволяет сократить время синтеза и устраняет необходимость высококотемпературного отжига. Уменьшение или увеличение соотношения /(Р) кальция фосфорная кислота приводит к снижению выхода конечного продукта и накоплению в нем оксида кальция, не вступившего в реакцию, или кислых фосфатов кальция. Уменьшение скорости перемешивания реакционной среды (менее 1000 об/мин.) и температуры синтеза также приводит к неполному протеканию реакции между гидроксидом кальция и ортофосфорной кислотой, а также к снижению степени кристалличности конечного продукта и образованию аморфной фазы. Совокупность указанных условий механохимическая активация исходной суспензии при указанном оптимальном соотношении жидкой и твердой фаз, соотношение реагирующих веществ, а также проведение синтеза при высокоскоростном перемешивании и нагревании реакционной смеси - обеспечивает получение мелкокристаллического гидроксилапатита без высокотемпературного обжига и последующего размола, с выходом конечного продукта до 96-97 . Полученный при таких условиях гидроксилапатит имеет чистоту 97,5-98,5 . Примеси других фосфатов, согласно данным рентгенофазового анализа, практически отсутствуют. Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Пример 1. Активируют суспензию 280 г оксида кальция в воде (массовое соотношение твердой и жидкой фаз - 15) в течение 1 ч при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 1000 об/мин. Для ее нейтрализации используют (в пересчете на 100 -ную) 294 г фосфорной кислоты (/1/1,7). Реакцию и последующую кристаллизацию гидроксилапатита 3 14407 1 2011.06.30 проводят при тех же условиях (при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 1000 об/мин). Готовый продукт переносят на фильтр, промывают и сушат. Выход гидроксилапатита составляет 92 . Промывные воды содержат 1,7 не вступившего в реакцию гидроксида кальция. Пример 2. Активируют суспензию 370 г гидроксида кальция в воде (массовое соотношение твердой и жидкой фаз - 13) в течение 0,5 ч при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 1200 об/мин. Для ее нейтрализации используют (в пересчете на 100 -ную) 294 г фосфорной кислоты (/(Р)1/1,667). Реакцию и последующую кристаллизацию гидроксилапатита проводят при тех же условиях (при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 1200 об/мин). Готовый продукт переносят на фильтр, промывают и сушат. Выход гидроксилапатита составляет 98 . Промывные воды содержат 1,5 не вступившего в реакцию гидроксида кальция. Пример 3. Активируют суспензию 370 г гидроксида кальция в воде (массовое соотношение твердой и жидкой фаз - 110) в течение 0,5 ч при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 400 об/мин. Для ее нейтрализации используют (в пересчете на 100 -ную) 294 г фосфорной кислоты (/1/1,667). Реакцию и последующую кристаллизацию гидроксилапатита проводят при тех же условиях (при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 400 об/мин). Готовый продукт переносят на фильтр, промывают и сушат. Выход гидроксилапатита составляет 64 . Пример 4. Активируют суспензию 370 г гидроксида кальция в воде (массовое соотношение твердой и жидкой фаз - 13) в течение 0,5 ч при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 1000 об/мин. Для ее нейтрализации используют (в пересчете на 100 -ную) 294 г фосфорной кислоты (/1/1,6). Реакцию и последующую кристаллизацию гидроксилапатита проводят при тех же условиях (при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 1000 об/мин). Готовый продукт переносят на фильтр, промывают и сушат. Выход гидроксилапатита составляет 87 . Промывные воды содержат 6,5 не вступившего в реакцию гидроксида кальция. Пример 5. Активируют суспензию 370 г строительной извести в воде (массовое соотношение твердой и жидкой фаз - 14) в течение 45 мин при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 1200 об/мин. Для ее нейтрализации используют (в пересчете на 100 -ную) 294 г фосфорной кислоты. Реакцию и последующую кристаллизацию гидроксилапатита проводят при тех же условиях (при нагревании до 70-80 С со скоростью перемешивания 1200 об/мин). Готовый продукт переносят на фильтр, промывают и сушат. Выход гидроксилапатита составляет 94 . Промывные воды содержат 2,5 не вступившего в реакцию гидроксида кальция. В ходе синтеза и отработки технологии получения гидроксилапатита проведеная оценка его дисперсности показала, что при использовании в качестве исходного сырья активированного оксида или гидроксида кальция, а также строительной извести получены кристаллы игольчатой формы со степенью дисперсности до 10 мкм, причем 80-90 составляют частицы с размерами до 5 мкм, из них около 30- частицы с размерами до 3 мкм. Следует особо отметить, что при использовании традиционных мокрых способов осаждения из растворов, такие продукты получены только из очень разбавленных растворов. Фосфаты с такой высокой степенью дисперсности, можно непосредственно вводить в лакокрасочные композиции, исключив при этом бисерный помол. Предлагаемый способ прост и надежен, не требует значительных энергетических затрат и высокотехнологичного оборудования, характеризуется высоким практическим выходом и хорошей воспроизводимостью. 4 14407 1 2011.06.30 Источники информации 1. Щегров Л.Н. Фосфаты двухвалентных металлов. - Киев Наукова думка, 1987. - 216 . 2. Каназва Т. Неорганические фосфатные материалы. - Киев Наукова думка, 1998. - 298 с. 3. Баринов С.М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. - М. Наука. 2005. - 204 . 4.2104924 1, МПК 01 25/32, 1998. 5.7169372 1, МПК 01 25/32, 2007. 6.62132713 , МПК 01 25/32,01 25/00, 1987. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5