Способ получения нанодисперсного гидроксиапатита для медицины
Владельцы патента RU 2402483:
Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (RU)
Изобретение относится к способу получения нанодисперсного гидроксиапатита осаждением из растворов солей кальция и фосфатов щелочных металлов и/или аммония в присутствии биополимера, например желатина или крахмала, концентрацией 0,1-1 мас.%. Образующийся осадок фосфата кальция, имеющий соотношение Са/Р 1,67, для формирования частиц нанодисперсного гидроксиапатита подвергают старению в течение 24 часов при комнатной температуре, а затем прокаливают при 600-700°С в течение 0,5-4 часов. Способ позволяет получать порошки нанодисперсного гидроксиапатита, пригодного для производства медицинских материалов, который имеет размер частиц 5-50 нм. 2 табл.
Изобретение относится к способу получения нанодисперсного гидроксиапатита, который может быть использован для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, производства зубных пломб, зубных паст, сорбентов и пр.
Известны способы получения гидроксиапатита путем смешивания растворов H3PO4 и Са(ОН)2 в двухступенчатом реакторе [1. Патент США 4324773. Процесс получения гидроксиапатита. С01В 25/32, опубл. 13.04.1982]. Недостатком данного способа является необходимость постоянного и жесткого контроля скорости потоков реагентов, эффективности перемешивания и величины рН в реакционной массе. Незначительное отклонение от заданных параметров ведет к получению фосфатов кальция, не отвечающих химической формуле гидроксиапатита.
Известно, что при высоких концентрациях исходных веществ (30% Са(ОН)2 и 80% H3PO4) и высоких скоростях их подачи в реактор (31,3 кг/час Са(ОН)2 и 70,8 кг/час H3PO4) вероятность отклонения от технологических параметров, указанных в патенте [2. Патент США 4324772. Процесс получения гидроксиапатита. С01В 25/32, опубл. 13.04.1982 г.], весьма велика.
Наиболее близким по технической сущности и результату к предлагаемому способу является получение гидроксиапатита [3. Патент Российской Федерации 2149827. Способ получения мелкодисперсного гидроксиапатита высокой чистоты, опубл. 27.05.2000]. Мелкодисперсный ГА получают путем взаимодействия суспензии гидроксида кальция и раствора фосфорной кислоты, причем суспензию гидроксида кальция готовят при воздействии ультразвука частотой 9-15 кГц и температуре 40-60°С. Последующее добавление раствора фосфорной кислоты с концентрацией 6-9% производят со скоростью 70-120 мл/мин. Формирование суспензии гидроксиапатита с концентрацией основного вещества 320-350 г/л и размером частиц 1-5 мкм происходит в отстойнике в течение 20-24 часов. Преимуществами данного способа являются высокий выход ГА, возможность получения высокочистого гидроксиапатита без примесей других соединений кальция и фосфора, контролируемого с помощью рентгеновской дифракции. К недостаткам данного способа следует отнести больший размер частиц ГА по сравнению с предлагаемым в настоящем изобретении.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа получения нанодисперсного гидроксиапатита.
Технологическим результатом изобретения является получение гидроксиапатита с размером частиц 5-50 нм.
Технический результат достигается тем, что в способе получения нанодисперсного гидроксиапатита для медицины осаждением из растворов солей кальция и фосфатов щелочных металлов и/или аммония согласно изобретению в процессе осаждения гидроксиапатита к реакционной смеси исходных компонентов добавляют биополимер в виде водных коллоидных растворов желатина или крахмала концентрации 0,1-1 мас.%, образовавшийся осадок фосфата кальция с соотношением Са/Р 1,67 подвергают старению в течение 24 часов при комнатной температуре, прокаливают при температуре 600-700°С в течение 0,5-4 часов с образованием частиц гидроксиапатита размером 5-50 нм.
Сущность изобретения заключается в том, что при добавлении биополимеров к реакционной смеси исходных компонентов за счет образования пространственной сетки биополимера и специфического взаимодействия между ионами кальция и анионными группировками биополимера увеличивается число центров кристаллизации и, таким образом, размер образующихся частиц фосфата кальция снижается. Кроме того, при термообработке происходит выгорание биополимера, что позволяет сохранить достигнутые размеры частиц ГА.
Уменьшение количества вводимых биополимеров приводит к получению порошков более низкой дисперсности; увеличение количества биополимеров свыше 1 мас.% (для желатина) или 0,2 мас.% (для крахмала) приводит к неоднородности фазового состава и к уменьшению дисперсности образующегося продукта. (Табл.1а, б.)
| Таблица 1а | ||
| Зависимость размера частиц и фазового состава получаемого продукта от концентрации желатина в растворе | ||
| Концентрация желатина, мас.% | Размер частиц, нм | Фазовый состав |
| 0,05 | 50-70 | ГА |
| 0,1 | 40-50 | ГА |
| 0,2 | 20-30 | ГА |
| 0,5 | 5-20 | ГА |
| 1 | 15-25 | ГА |
| 1,5 | 50-70 | ГА+ТКФ |
| Таблица 1б | ||
| Зависимость размера частиц и фазового состава получаемого продукта от концентрации крахмала в растворе | ||
| Концентрация крахмала, мас.% | Размер частиц, нм | Фазовый состав |
| 0,01 | 60-80 | ГА |
| 0,02 | 40-50 | ГА |
| 0,04 | 35-45 | ГА |
| 0,05 | 20-30 | ГА |
| 0,07 | 15-25 | ГА |
| 0,1 | 10-20 | ГА |
| 0,15 | 10-20 | ГА+ТКФ |
Значительное, по сравнению с прототипом, уменьшение размера частиц достигается за счет применения растворов биополимеров оптимальной концентрации.
Ввиду того что природа аниона и катиона в случае солей кальция и фосфата, соответственно, не оказывает влияния на процесс образования и размер зародышей фосфата кальция в присутствии биополимера, в примерах рассмотрены лишь случаи осаждения фосфата кальция из нитрата кальция и двухзамещенного фосфата аммония.
Для использования получаемого продукта в медицине необходимо использовать исходные реактивы квалификации не ниже «хч», а также дистиллированную воду.
Пример 1
Получение гидроксиапатита осуществляется в стеклянном реакторе с пропеллерной мешалкой и капельной воронкой. В реактор помещают раствор нитрата кальция концентрации 0,1 моль/л, добавляют водный раствор желатина и при перемешивании вводят 25%-ный водный раствор аммиака. Затем по каплям при непрерывном перемешивании добавляют раствор фосфата аммония концентрации 0,06 моль/л. Содержание желатина в растворе составляет 0,5 мас.%. Перемешивание продолжают в течение 2 часов. Через 24 часа образовавшийся осадок фильтруют с отсасыванием, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 100-120°С в течение 5-6 часов. Высушенный ксерогель измельчают корундовыми шарами в планетарной мельнице. Измельченный порошок прокаливают при температуре 700°С в течение 1 часа. После прокаливания образуется чистый однофазный продукт - ГА с размером частиц 5-20 нм.
Пример 2
Получение гидроксиапатита осуществляется в стеклянном реакторе с пропеллерной мешалкой и капельной воронкой. В реактор помещают раствор нитрата кальция концентрации 0,1 моль/л, добавляют водный раствор желатина и при перемешивании вводят 25%-ный водный раствор аммиака. Затем по каплям при непрерывном перемешивании добавляют раствор фосфата аммония концентрации 0,06 моль/л. Содержание желатина в растворе составляет 0,05 мас.%. Перемешивание продолжают в течение 2 часов. Через 24 часа образовавшийся осадок фильтруют с отсасыванием, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 100-120°С в течение 5-6 часов. Высушенный ксерогель измельчают корундовыми шарами в планетарной мельнице. Измельченный порошок прокаливают при температуре 700°С в течение 1 часа. После прокаливания образуется чистый однофазный продукт - ГА с размером частиц 50-70 нм.
Пример 3
Получение гидроксиапатита осуществляется в стеклянном реакторе с пропеллерной мешалкой и капельной воронкой. В реактор помещают раствор нитрата кальция концентрации 0,1 моль/л, добавляют водный раствор желатина и при перемешивании вводят 25%-ный водный раствор аммиака. Затем по каплям при непрерывном перемешивании добавляют раствор фосфата аммония концентрации 0,06 моль/л. Содержание желатина в растворе составляет 1,5 мас.%. Перемешивание продолжают в течение 2 часов. Через 24 часа образовавшийся осадок фильтруют с отсасыванием, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 100-120°С в течение 5-6 часов. Высушенный ксерогель измельчают корундовыми шарами в планетарной мельнице. Измельченный порошок прокаливают при температуре 700°С в течение 1 часа. После прокаливания образуется двухфазный продукт - ГА/ТКФ (80/20) с размером частиц 50-70 нм.
Пример 4
Получение гидроксиапатита осуществляется в стеклянном реакторе с пропеллерной мешалкой и капельной воронкой. В реактор помещают раствор нитрата кальция концентрации 0,5 моль/л, добавляют водный раствор крахмала и при перемешивании вводят 25%-ный водный раствор аммиака. Затем по каплям при непрерывном перемешивании добавляют раствор фосфата аммония концентрации 0,3 моль/л. Содержание крахмала в растворе составляет 0,01 мас.%. Перемешивание продолжают в течение 2 часов. Через 24 часа образовавшийся осадок фильтруют с отсасыванием, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 100-120°С в течение 5-6 часов. Высушенный ксерогель измельчают корундовыми шарами в планетарной мельнице. Измельченный порошок прокаливают при температуре 600°С в течение 2 часов. После прокаливания образуется чистый однофазный продукт - ГА с размером частиц 60-80 нм.
Пример 5
Получение гидроксиапатита осуществляется в стеклянном реакторе с пропеллерной мешалкой и капельной воронкой. В реактор помещают раствор нитрата кальция концентрации 0,5 моль/л, добавляют водный раствор крахмала и при перемешивании вводят 25%-ный водный раствор аммиака. Затем по каплям при непрерывном перемешивании добавляют раствор фосфата аммония концентрации 0,3 моль/л. Содержание крахмала в растворе составляет 0,15 мас.%. Перемешивание продолжают в течение 2 часов. Через 24 часа образовавшийся осадок фильтруют с отсасыванием, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 100-120°С в течение 5-6 часов. Высушенный ксерогель измельчают корундовыми шарами в планетарной мельнице. Измельченный порошок прокаливают при температуре 600°С в течение 2 часов. После прокаливания образуется двухфазный продукт - ГА/ТКФ (75/25) с размером частиц 10-20 нм.
Пример 6
Получение гидроксиапатита осуществляется в стеклянном реакторе с пропеллерной мешалкой и капельной воронкой. В реактор помещают раствор нитрата кальция концентрации 0,5 моль/л, добавляют водный раствор крахмала и при перемешивании вводят 25%-ный водный раствор аммиака. Затем по каплям при непрерывном перемешивании добавляют раствор фосфата аммония концентрации 0,3 моль/л. Содержание крахмала в растворе составляет 0,1 мас.%. Перемешивание продолжают в течение 2 часов. Через 24 часа образовавшийся осадок фильтруют с отсасыванием, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 100-120°С в течение 5-6 часов. Высушенный ксерогель измельчают корундовыми шарами в планетарной мельнице. Измельченный порошок прокаливают при температуре 600°С в течение 2 часов. После прокаливания образуется чистый однофазный продукт - ГА с размером частиц 10-20 нм.
Способ получения нанодисперсного гидроксиапатита для медицины осаждением из растворов солей кальция и фосфатов щелочных металлов и/или аммония, отличающийся тем, что в процессе осаждения гидроксиапатита к реакционной смеси исходных компонентов добавляют биополимер в виде водных коллоидных растворов желатина или крахмала концентрации 0,1-1 мас.%, образовавшийся осадок фосфата кальция с соотношением Са/Р 1,67 подвергают старению в течение 24 ч при комнатной температуре, прокаливают при температуре 600-700°С в течение 0,5-4 ч с образованием частиц гидроксиапатита размером 5-50 нм.
