Способ получения порошка нанокристаллического гидроксиапатита

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГИДРОКСИАПАТИТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Уласевич Светлана Александровна Кулак Анатолий Иосифович Крутько Валентина Константиновна Мусская Ольга Николаевна Лесникович Лариса Александровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения нанокристаллического гидроксиапатита, включающий взаимодействие водных растворов соли кальция и гидрофосфата аммония с образованием суспензии,отделение осадка и последующую сушку, отличающийся тем, что полученную суспензию выдерживают в течение 1-14 суток, осадок промывают раствором ортофосфорной кислоты с 3,6-4,2 в течение 6-16 суток при объемном соотношении суспензии гидроксиапатита и раствора ортофосфорной кислоты 1(1-1,7), затем промывают дистиллированной водой при объемном соотношении суспензии гидроксиапатита и воды 1(1-1,7) и обезвоживают органическим растворителем. Изобретение относится к способу получения порошка нанокристаллического гидроксиапатита (ГА), используемого для получения биокерамики и композиционных материалов в стоматологии, травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии, а также для нанесения биоактивных покрытий на металлические имплантаты. Известен способ получения порошка нанокристаллического ГА взаимодействием суспензии гидроксида кальция и фосфорной кислоты, взятых при стехиометрическом соотношении 1. В первом реакторе в гомогенную суспензию гидроксида кальция добавляют фосфорную кислоту таким образом, чтобы регулировать щелочное значениев результирующей смеси. Затем данную смесь для ее фазовой трансформации в ГА помещают во второй реактор, где смесь выдерживают при 8-9 в течение 10-20 с, далее смесь загружают в третий реактор и добавляют в реактор суспензию гидроксида кальция с последу 16625 1 2012.12.30 ющей загрузкой образовавшейся смеси снова в первый реактор. Все три стадии повторяются циклично, непрерывно, с определенной периодичностью во времени в конце процесса получается нанокристаллический ГА. Недостатком метода является многостадийность процесса, что значительно усложняет технологию получения ГА, в связи с чем возникает необходимость дополнительных энергетических затрат. Кроме того, для осуществления процесса необходимо специальное оборудование, состоящее из трех реакторов и позволяющее проводить цикличный процесс непрерывно. Полученный продукт может содержать различные примеси, среди которых непрореагировавший гидроксид кальция обладает раздражающим действием и может вызывать воспалительные процессы в костной ране, что не соответствует требованиям гемолитического теста 2. Известен способ получения нанокристаллического ГА осаждением из водных растворов хлорида кальция и фосфата натрия в присутствии гидроксида натрия 3. Для получения ГА к раствору хлорида кальция добавляют раствор 34 /и перемешивают в течение 24 ч. После окончания реакции побочный продукт (хлорид натрия) удаляется периодическим промыванием дистиллированной водой с отделением осадка центрифугированием. Полученная паста высушивается на воздухе. Недостатком данного метода является снижение величиныв процессе синтеза ГА,что приводит к образованию большого количества сопутствующей примеси трикальцийфосфата (ТКФ). Для поддержания определенной величиныв реактор необходимо постоянно вводить гидроксид натрия на протяжении всего времени реакции, что осложняет процесс и увеличивает энергетические затраты. Известен способ получения наноразмерного ГА путем осаждения его в растворе желатина 4. К раствору нитрата кальция добавляется раствор аммиака и раствор желатина, а затем по каплям добавляется гидрофосфат аммония в течение 10 мин при температуре 10 С. Далее смесь перемешивается в течение 2 ч и оставляется на сутки для старения. Значениесреды поддерживается выше 10,5. Через сутки выпавший осадок отфильтровывается и сушится при 120 С. Затем порошок просеивается через сито 60 мкм, дезагрегируется помолом в этаноле, прокаливается при 900 С в течение 1 ч. Недостатком данного метода является необходимость сушки и прокаливания полученного ГА при высоких температурах, что делает процесс не только более энергозатратным,но и способствует снижению биологической активности полученного нанокристаллического ГА 5. Кроме того, термическое разложение желатина, химически связанного с ГА,происходит при 514 С, что может приводить к образованию карбонатзамещенного гидроксиапатита (КГА) 4, который в свою очередь при более высоких температурах прогрева может разлагаться до ТКФ, вследствие чего конечный продукт может быть загрязнен примесями ТКФ и КГА. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения нанокристаллического ГА путем взаимодействия водных растворов сахарата кальция и гидрофосфата аммония, затем образовавшуюся суспензию нагревают до 60 С, отфильтровывают и высушивают в тонком слое. Раствор сахарата готовят взаимодействием прокаленного при 1000 С оксида кальция и раствора сахарозы 6 (прототип). Недостатком данного способа получения ГА является двухстадийность процесса, где вначале прокаленныйреагирует с раствором сахарозы, а затем сахарат кальция взаи 2 16625 1 2012.12.30 модействует с раствором гидрофосфата аммония, что значительно усложняет технологию получения ГА, и продукт может быть загрязнен примесью гидроксида кальция. Кроме того, в данном способе отсутствует стадия промывания, в то время как в предыдущих исследованиях 2 была доказана значимость стадии промывания полученного в щелочной среде ГА. Также при получении ГА выделяется газообразный аммиак, что значительно усложняет процесс и требует специального оборудования для удаления аммиака. Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке способа получения нанокристаллического ГА с регулируемым фазовым составом в одну стадию. Еще одной задачей настоящего изобретения является оптимизация способа получения нанокристаллического ГА и сокращение времени процесса, уменьшение расхода дистиллированной воды при промывке и, как следствие, уменьшение себестоимости ГА. В соответствии с изобретением описывается способ получения порошка нанокристаллического гидроксиапатита, включающий взаимодействие водных растворов соли кальция и соли фосфорной кислоты при величине 12, выдерживание полученной суспензии под маточным раствором в течение 1-14 сут., промывание полученного продукта раствором ортофосфорной кислоты с 3,6-4,2 в течение 6-16 сут. при объемном соотношении суспензия гидроксиапатитараствор - 1(1-1,7) с последующим промыванием продукта дистиллированной водой при объемном соотношении суспензия гидроксиапатитавода 1(1-1,7), его обезвоживание, обработку органическим растворителем в объемном соотношении 1(1,9-2,1) и сушку на воздухе при 60 С. В предпочтительном варианте реализации изобретения в качестве соли кальция используют хлорид кальция, а в качестве соли фосфорной кислоты используют гидрофосфат аммония при соотношении 23 , равном 1,67. 4 Экспериментально установлено, что использование на первой стадии раствора ортофосфорной кислоты в течение 6-16 сут. позволяет увеличить скорость седиментации полученного ГА (в среднем от 0,004-0,070 см/мин до 0,4-0,8 см/мин) и способствует более быстрому снижению величинысуспензии ГА, чем при промывании ГА дистиллированной водой (примерно в 2-3,5 раза). Однако промывание суспензии ГА до величины 7,0 раствором ортофосфорной кислоты приводит к образованию большого количества ТКФ (свыше 18 ), что не соответствует требованиям ТУ 100049731.090-2006. Поэтому целесообразно использовать комбинированную промывку, где на первой стадии в течение 6-16 сут. промывка осуществляется раствором ортофосфорной кислоты, а на второй стадии - дистиллированной водой. Использование раствора ортофосфорной кислоты на первой стадии обеспечивает более высокую скорость седиментации (0,4-0,8 см/мин) суспензии ГА и снижение величинысуспензии ГА в течение более короткого времени,чем при промывании дистиллированной водой. В частности, при промывке раствором ортофосфорной кислоты с 3,6-3,8 суспензия ГА, рассчитанная на получение 10 г ГА, достигает 9,0-9,2 на 3-6 сут., при промывке раствором ортофосфорной кислоты с 4,04,2 такая же суспензия ГА достигает той же величинына 6-9 сут., в то время как при промывании дистиллированной водой суспензия ГА достигает такой же величинына 11-13 сут. На второй стадии промывания дистиллированной водой ГА сохраняет большую скорость седиментации (0,4-0,8 см/мин), а снижение величинысуспензии ГА в 1,3-2 3 16625 1 2012.12.30 раза быстрее, чем при промывании только дистиллированной водой. Промывка дистиллированной водой на второй стадии необходима, чтобы получить однофазный ГА или двухфазный ГА с регулируемым количеством -ТКФ. Экспериментально показано, что в зависимости от способа промывания раствором ортофосфорной кислоты возможно получение двух различных форм продукта однофазного ГА и двухфазного ГА, содержащего заданное количество -ТКФ (до 11 ). При промывании суспензии ГА в течение 6-14 сут. раствором ортофосфорной кислоты с 3,6-3,8 до достижения величины 7,4-8,5 с последующим промыванием дистиллированной водой получается ГА с регулируемым количеством примеси -ТКФ (до 11 ). При этом промывка протекает в 2-3 раза быстрее, чем при промывании ГА дистиллированной водой, а экономия расхода дистиллированной воды достигает 41-54 . Промывание суспензии ГА в течение 6-8 сут. раствором ортофосфорной кислоты с4,0-4,2 до достижения величины 9,0-9,5 с последующим промыванием дистиллированной водой протекает в 1,5-2 раза быстрее, чем при промывании ГА дистиллированной водой, и при этом получается однофазный ГА, а экономия расхода дистиллированной воды достигает 38-41 . При этом был выявлен эффект, что при использовании на однократную промывку раствора ортофосфорной кислоты либо дистиллированной воды при объемном соотношении суспензия ГАраствор ортофосфорной кислоты (вода), соответственно, 1(1-1,7) происходит сокращение времени промывки в 1,5-3 раза и экономия расхода воды на 20-54 . Промывание суспензии ГА при объемном соотношении суспензия ГАраствор ортофосфорной кислоты меньшим, чем 11 становится достаточно длительным и протекает в 1,5-3 раза дольше, чем при промывании дистиллированной водой. При промывании суспензии ГА при объемном соотношении суспензия ГАраствор ортофосфорной кислоты большим чем 11,7 процесс также сильно растягивается во времени (в 1,3-3 раза дольше,чем при промывании дистиллированной водой) либо продукт получается со значительным количеством -ТКФ (от 16 и выше). Комбинированная промывка с раствором ортофосфорной кислоты с 3,6 нецелесообразна, так как при такой промывке получается ГА с большим количеством -ТКФ(выше 16 ). Комбинированная промывка с раствором ортофосфорной кислоты с 4,4 также нецелесообразна, так как при этом не происходит экономии времени промывания ГА и расхода дистиллированной воды при получении ГА, а в некоторых случаях наблюдается перерасход дистиллированной воды на 18 . По данным рентгенофазового анализа (табл. 1) и ИК-спектроскопии (табл. 2) полученный порошок представлял собой однофазный ГА либо двухфазный ГА с регулируемым количеством -ТКФ (до 11 ). Рентгенограммы эталонного образца ГА 7, неорганической составляющей костной ткани и синтезированного по данному изобретению порошка ГА практически идентичны (табл. 1), что подтверждается и данными ИК-спектроскопии. Методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии с послойной самоорганизацией частиц на поверхности кремниевых подложек показано, что полученный ГА представляет собой сферические агломераты размером от 400 нм до 2 мкм, состоящие из наночастиц диаметром от 16 до 30 нм. Согласно критериям 8, такой порошок нанокристаллического ГА является биосовместимым и биоактивным. 16625 1 2012.12.30 Таблица 1 Данные рентгенофазового анализа межплоскостные расстояния (, ) и интенсивности линий (/0) эталонного ГА, биологической кости и синтезированного по данному изобретению ГА после термообработки при 800 С в течение 5 ч Эталон ГА 16625 1 2012.12.30 Таблица 2 Данные ИК-спектроскопии длины волн и отнесение полос поглощения синтезированного по данному изобретению ГА и эталонного образца ГА Длины волн синтезированного ГА,обработанного при температуре 60 С, 24 ч 800 С, 3 ч Длины волн эталона ГА Пример 1. Для получения ГА использовали два раствора 14,54 г 222 растворяли в 900 мл дистиллированной воды, раствором аммиака доводилидо 12 и разбавляли до 1,2 л дистиллированной водой (раствор 1) 7,89 г (4)24 растворяли в 750 мл дистиллированной воды и также доводилидо 12, а затем разбавляли дистиллированной водой до 1 л (раствор 2). К раствору 1 постепенно при постоянном перемешивании добавляли раствор 2. В реакционной смеси соотношение / соответствовало стехиометрическому 1,67. После выдерживания образовавшегося осадка в течение 14 сут. под маточным раствором полученную суспензию ГА объемом 1,5 л отделяли от маточного раствора и на первой стадии в течение 6 сут. промывали раствором ортофосфорной кислоты с 4,1, а затем на второй стадии - дистиллированной водой до достижения суспензией ГА величины 7,0. На однократную декантацию 1,5 л суспензии ГА на обеих стадиях промывки расходовалось 2,5 л раствора 34 либо дистиллированной воды, что соответствует объемному соотношению суспензия ГАраствор 34 либо суспензия ГАвода соответственно 11,67. Суспензия ГА достигала величины 7,0 на 20 сут. при использовании 35 л дистиллированной воды. Затем суспензию ГА обезвоживали на фильтре, смешивали с органическим растворителем, например этиловым спиртом, в объемном соотношении 12,0 и выдерживали в течение 22 ч при 20 С, после чего высушивали на воздухе при 60 С. Согласно данным РФА, полученный продукт содержал 100 ГА. Выход продукта составил 10 г. Пример 2. Готовили и смешивали растворы 222 и (4)24, как описано в примере 1. После выдерживания образовавшегося осадка в течение 14 сут. под маточным раствором 16625 1 2012.12.30 суспензию ГА (1,5 л) отделяли от маточного раствора и промывали раствором ортофосфорной кислоты с 4,0 до достижения суспензией ГА величины 7,0. Стадию промывания дистиллированной водой полностью исключили. На однократную декантацию 1,5 л суспензии ГА расходовалось 1,5 л дистиллированной воды, что соответствует объемному соотношению суспензия ГАраствор соответственно 11. Суспензия ГА достигала величины 7,0 на 33 сут. с использованием 35 л раствора ортофосфорной кислоты. Затем суспензию ГА обезвоживали на фильтре, смешивали с органическим растворителем,например этиловым спиртом, в объемном соотношении 11,9 и выдерживали в течение 22 ч при 20 С, после чего высушивали на воздухе при 60 С. Согласно данным РФА, полученный продукт содержал 18-ТКФ. Выход продукта составил 8,9 г. Пример 3. Готовили и смешивали растворы 222 и (4)24, как описано в примере 1. После выдерживания образовавшегося осадка в течение 14 сут. под маточным раствором суспензию ГА (1,5 л) отделяли от маточного раствора и промывали дистиллированной водой без подкисления до достижения суспензии ГА величины 7,0. На однократную промывку 1,5 л суспензии ГА расходовалось 1,5 л дистиллированной воды, что соответствует объемному соотношению суспензия ГАвода соответственно 11. Суспензия ГА достигала величины 7,0 на 52 сут. с использованием 56 л дистиллированной воды. Затем суспензию ГА обезвоживали на фильтре, смешивали с органическим растворителем,например этиловым спиртом, в объемном соотношении 12,1 и выдерживали в течение 22 ч при 20 С, после чего высушивали на воздухе при 60 С. Согласно данным РФА полученный продукт содержал 9-ТКФ. Выход продукта - 10 г. Последующие варианты комбинированной промывки суспензии ГА представлены в табл. 3. Таким образом, как следует из табл. 3, совокупность и последовательность вышеуказанных операций позволяет в одну стадию получить нанокристаллический ГА. При этом в зависимости от способа комбинированной промывки получается порошок нанокристаллического однофазного ГА либо двухфазного ГА с регулируемым количеством -ТКФ,который соответствует требованиям ТУ 100049731.090-2006, а экономия дистиллированной воды при комбинированной промывке по сравнению с промыванием дистиллированной водой достигает 20-53 , время промывки при этом сокращается в 1,5-3 раза. Таблица 3 Влияние условий промывания первой и второй стадий на состав получаемого продукта,время промывания осадка ГА и расход дистиллированной воды Первая стадия промывания осадка ГА раствором ортофосфорной кислоты Вторая стадия промывания осадка ГА дистиллированной водой Время Объемное Время Экономия расхода воды Общее СодерРасход расход восоотношение раст- промысоотношениепромыпо отношению к промыва- время про- жание раствора ды суспензия вора вания,суспензия воды вания,нию дистиллированной мывания ГА,34, л на обеих ГАраствор 34 сут. ГАвода сут. водой,ГА, сут. мас.стадиях, л 1.7169372, 2007 (аналог). 2. ЛЕСНИКОВИЧ Л.А. и др. Синтез и свойства основного ортофосфата кальция // Вести НАН Беларуси. - 1999. - 1. - С. 15-19. 3.7247288, 2003 (аналог). 4. ФОМИН А.С. и др. Наноразмерный гидроксиапатит, синтезированный осаждением в растворе желатина // Доклады Академии наук. - 2006. - Т. 411. -3. - С. - 348-351 (аналог). 5.13684 1, 2010. 6.2362730 2, 2007 (прототип). 7. ЖАРСКИЙ И.М. и др. Свойства и методы идентификации веществ в неорганической технологии / Мн. Фонд фундаментальных исследований. - 1996. - С. 372. 8. ЦУБЕР В.К. Влияние размера частиц на реакционную способность и биохимическую активность гидроксиапатита // Вести НАН Беларуси. - 2004. -1. - С. 37-40. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.