RU2531377C2 - Method for preparing calcium pyrophosphate porous ceramics - Google Patents
Method for preparing calcium pyrophosphate porous ceramics Download PDFInfo
- Publication number
- RU2531377C2 RU2531377C2 RU2012153955/05A RU2012153955A RU2531377C2 RU 2531377 C2 RU2531377 C2 RU 2531377C2 RU 2012153955/05 A RU2012153955/05 A RU 2012153955/05A RU 2012153955 A RU2012153955 A RU 2012153955A RU 2531377 C2 RU2531377 C2 RU 2531377C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- calcium
- powder
- phosphate
- pyrophosphate
- porous
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области медицинского материаловедения, может быть применено при создании материалов для использования в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, а также для использования в качестве носителей лекарственных средств или субстратов для культивирования клеток.The invention relates to the field of medical materials science, can be used to create materials for use in traumatology and orthopedics, maxillofacial surgery and surgical dentistry, as well as for use as carriers of drugs or substrates for cell culture.
Уровень техникиState of the art
Основным принципом при создании биоматериалов для костных имплантатов первого поколения было соблюдение идентичности химического и фазового состава таких материалов костной ткани или ее неорганической составляющей [1]. В качестве основы для создания биоматериалов для костных имплантатов рассматривали гидроксиапатит Са10(РО4)6(ОН)2 (ГАП), поскольку неорганическая составляющая костной ткани представлена в основном карбонат гидроксиапатитом (КГАП). Однако КГАП не единственный фосфат кальция, присутствующий в организме. Биодеградируемые фосфаты кальция, такие как кальций-дефицитный гидроксиапатит (Са-ДГАП) и гидратированный ПФК, используемые для создания костных имплантатов, были обнаружены в суставах или мягких тканях пациентов с артритом или артрозом при нарушении обмена веществ [2]. Образование данных фосфатов обусловлено присутствием ионов кальция, ортофосфат-ионов и пирофосфат-ионов, участвующих в обмене веществ организма. При правильном обмене веществ данные ионы не образуют малорастворимых соединений, являющихся признаком заболеваний.The basic principle in creating biomaterials for first-generation bone implants was to observe the identity of the chemical and phase composition of such bone tissue materials or its inorganic component [1]. Hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (HAP) was considered as the basis for the creation of biomaterials for bone implants, since the inorganic component of bone tissue is represented mainly by hydroxyapatite carbonate (KGAP). However, KGAP is not the only calcium phosphate present in the body. Biodegradable calcium phosphates, such as calcium-deficient hydroxyapatite (Ca-DHAP) and hydrated PFC, used to create bone implants, were found in the joints or soft tissues of patients with arthritis or arthrosis in metabolic disorders [2]. The formation of these phosphates is due to the presence of calcium ions, orthophosphate ions and pyrophosphate ions involved in the metabolism of the body. With proper metabolism, these ions do not form sparingly soluble compounds, which are a sign of disease.
Развитие регенеративного подхода лечения заболеваний костной ткани указывает на целесообразность использования биодеградируемых (биорезорбируемых) фосфатов кальция при разработке материалов для костных имплантатов.The development of a regenerative approach to the treatment of bone tissue diseases indicates the feasibility of using biodegradable (bioresorbable) calcium phosphates in the development of materials for bone implants.
Пирофосфат кальция Ca2P2O7 (ПФК) является биодеградируемой фазой наряду с другими фосфатами кальция, в которых мольное соотношение Са/P менее 1,67, и может быть включен в структуру резорбируемых материалов, предназначенных для использования в регенеративной медицине. Период времени деградации ПФК при испытаниях in vivo (биодеградации или биорезорбирования) составляет около 3 месяцев. Указанные сроки биодеградации - биорезорбирования, а также благоприятные условия интегрирования с костной тканью пациента зависят не только от фазового состава материала, от индивидуальных особенностей обмена веществ отдельного пациента, но и от текстуры материала. Пористость материала с достаточным размером пор необходима для создания благоприятных условий для остеокондутивности, под которой понимают способность материала обеспечивать возможность костным клеткам, жидкостям организма и сосудам проникать вовнутрь имплантированного материала, обеспечивая интеграцию материала имплантата и костной ткани пациента.Calcium pyrophosphate Ca 2 P 2 O 7 (PFC) is a biodegradable phase along with other calcium phosphates in which the Ca / P molar ratio is less than 1.67 and can be included in the structure of resorbable materials intended for use in regenerative medicine. The time period for PFC degradation in in vivo tests (biodegradation or bioresorption) is about 3 months. The indicated periods of biodegradation - bioresorption, as well as favorable conditions for integration with the patient’s bone tissue depend not only on the phase composition of the material, on the individual characteristics of the metabolism of an individual patient, but also on the texture of the material. The porosity of a material with a sufficient pore size is necessary to create favorable conditions for osteocondductivity, which is understood as the ability of the material to allow bone cells, body fluids and vessels to penetrate inside the implanted material, ensuring the integration of the implant material and the patient’s bone tissue.
Известны способы получения пористых материалов с применением метода дублирования полимерной матрицы [3, 4] на основе порошков фосфатов кальция [5, 6]; смеси порошков фосфата кальция и стекол в системе MgO-CaO-SiO2-P2O5-CaF2 или SiO2-Na2O-CaO-P2O5 [7]; на основе порошка стекла в системе MgO-CaO-SiO2-P2O5, фазовый состав которого после обжига был представлен трикальций фосфатом и диопсидом [8]; смеси порошков гидроксиапатита и волластонита [9]. В качестве пористой полимерной матрицы в перечисленных способах применяют пенополиуретан. Недостаток этих способов заключается в неизбежном выделении ядовитых газов при удалении полимерной матрицы в процессе термообработки.Known methods for producing porous materials using the method of duplication of the polymer matrix [3, 4] based on powders of calcium phosphates [5, 6]; mixtures of powders of calcium phosphate and glasses in the system MgO-CaO-SiO 2 -P 2 O 5 -CaF 2 or SiO 2 -Na 2 O-CaO-P 2 O 5 [7]; based on glass powder in the MgO-CaO-SiO 2 -P 2 O 5 system , the phase composition of which after firing was represented by tricalcium phosphate and diopside [8]; mixtures of hydroxyapatite and wollastonite powders [9]. In the above methods, polyurethane foam is used as the porous polymer matrix. The disadvantage of these methods is the inevitable release of toxic gases when removing the polymer matrix during the heat treatment.
Известен способ получения пористых материалов для костных имплантатов на основе природного коралла, который обрабатывают растворимыми соединениями, содержащими фосфат-ион, такими как фосфорная кислота или гидрофосфат аммония. При термообработке коралл (карбонат кальция СаСO3) взаимодействует с Н3PО4 или (NH3)2HPO4, образуя одно- (гидроксиапатит), двух- (гидроксиапатит/трикальцийфосфат или трикальцийфосфат/пирофосфат) или трехфазный (гидроксиапатит/трикальцийфосфат/пирофосфат) материал [10]. Недостатком этого метода является ограниченная доступность такого сырьевого материала, как коралл, а также трудность контролирования процесса формирования микроструктуры.A known method of obtaining porous materials for bone implants based on natural coral, which is treated with soluble compounds containing a phosphate ion, such as phosphoric acid or ammonium hydrogen phosphate. During heat treatment, coral (calcium carbonate CaCO 3 ) interacts with H 3 PO 4 or (NH 3 ) 2 HPO 4 , forming one- (hydroxyapatite), two- (hydroxyapatite / tricalcium phosphate or tricalcium phosphate / pyrophosphate) or three-phase (hydroxyapatite / tricalcium phosphate / pyrophosphate ) material [10]. The disadvantage of this method is the limited availability of such raw materials as coral, as well as the difficulty in controlling the process of microstructure formation.
Известны способы получения пористых материалов, в том числе на основе фосфатов кальция, с использованием в качестве выгорающей матрицы упаковки плотно уложенных сфер из органического материала [4], например мондисперсных сфер полистеринового латекса [11], полиметилметакрилата [12, 13] и др. Материал может быть получен обжигом заготовки, отпрессованной из смеси порошка фосфата кальция и сфер полиметилметакрилата [14, 15] или из смеси порошка стекла в системе SiO2-CaO-K2O и сфер полиэтилена [16]. Недостаток этих способов состоит в необходимости получать сферы из органических материалов, а также соблюдать осторожность при удалении органического компонента на стадии обжига.Known methods for producing porous materials, including those based on calcium phosphates, using densely packed spheres made of organic material [4], for example, monodispersed spheres of polystyrene latex [11], polymethyl methacrylate [12, 13], etc., as a burning matrix. can be obtained by firing a billet pressed from a mixture of calcium phosphate powder and polymethyl methacrylate spheres [14, 15] or from a mixture of glass powder in a SiO 2 –CaO – K 2 O system and polyethylene spheres [16]. The disadvantage of these methods is the need to obtain spheres from organic materials, and also be careful when removing the organic component at the firing stage.
Известны способы получения пористых материалов на основе фосфатов кальция с использованием в качестве порообразующих веществ камфена [17] или воды [18]. Недостатком этих способов является применение при формовании замораживания.Known methods for producing porous materials based on calcium phosphates using as pore-forming substances camphene [17] or water [18]. The disadvantage of these methods is the use in the formation of freezing.
Для получения пористых материалов на основе фосфатов кальция используют формование из вспененного шликера [4, 14, 19, 20, 21]. Недостатком данных способов является необходимость строго контроля реологических свойств шликера.To obtain porous materials based on calcium phosphates, foam molding is used [4, 14, 19, 20, 21]. The disadvantage of these methods is the need for strict control of the rheological properties of the slip.
Традиционной стадией при получении керамических композиционных материалов является подготовка исходной однородной порошковой смеси - шихты, пасты или суспензии в зависимости от предпочтительного способа формования: прессования, пластического формования или литья соответственно [22]. Исходная однородная порошковая смесь - это смесь прекурсоров целевых фаз. После формования, обеспечивающего придание заготовке желаемой формы, изделие обжигают, используя требуемый температурный режим, характеризующийся скоростью нагрева, температурой обжига, временем выдержки при конечной температуре, используемой атмосферой обжига.The traditional stage in the preparation of ceramic composite materials is the preparation of an initial homogeneous powder mixture — a mixture, paste or suspension, depending on the preferred molding method: pressing, plastic molding or molding, respectively [22]. The initial homogeneous powder mixture is a mixture of precursors of the target phases. After molding, providing the desired shape of the workpiece, the product is fired using the required temperature, characterized by the heating rate, firing temperature, holding time at the final temperature used by the firing atmosphere.
Существует метод получения пористых материалов спеканием порошков стекла, содержащих порообразующие добавки, как правило, карбонатов в количестве 1-5%. [23, 24]. Технологии, реализующие газообразование в системах, содержащих расплав используют, главным образом, для получения строительных тепло- и звукоизолирующих материалов [25]. Технологические параметры (состав шихты, режимы термообработки), разработанные для порошков стекол близких по химическому составу к алюмомагнезиальному оконному стеклу не могут быть применены для порошковых систем, предназначенных для получения материалов для костных имплантатов.There is a method for producing porous materials by sintering glass powders containing pore-forming additives, usually carbonates in an amount of 1-5%. [23, 24]. Technologies that implement gas generation in systems containing melt are mainly used to obtain building heat and sound insulating materials [25]. Technological parameters (charge composition, heat treatment modes) developed for glass powders close in chemical composition to aluminum-magnesium window glass cannot be applied to powder systems designed to obtain materials for bone implants.
Существует способ получения пористого материала, включающий плавление шихты в системе SiO2-CaO-Na2O-P2O5, фриттование полученного расплава, измельчение фритты до порошка, прессование порошка стекла с добавлением порообразующего компонента, горячее прессование или двухстадийный режим обжига смеси. В качестве порообразователя использован карбонат кальция, карбонат натрия, гидрокарбонат натрия, дигидрофосфат аммония [26]. Недостатком данного способа является необходимость предварительной варки и измельчения стекла, из которого формируется пористый материал из стекла в процессе обжига или на стадии горячего прессования.There is a method for producing a porous material, including melting the charge in the SiO 2 —CaO — Na 2 OP 2 O 5 system , fritting the obtained melt, grinding the frit to powder, pressing glass powder with the addition of a pore-forming component, hot pressing, or a two-stage mode of firing the mixture. Calcium carbonate, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, ammonium dihydrogen phosphate were used as a blowing agent [26]. The disadvantage of this method is the need for preliminary boiling and grinding of glass, from which a porous material is formed from glass during the firing process or at the stage of hot pressing.
Методом вспенивания, благодаря порообразующей добавке СаСO3, получен материал на основе смеси порошка нейтрального алюмоборосиликатного стекла и порошка гидроксиапатита [27]. В данном способе возможно использование стекол, содержащих оксид натрия и оксид фосфора, повышающих растворимость стеклянной матрицы. Аналогичный материал [28] в качестве наполнителя может содержать наряду с гидроксиапатитом другие более растворимые фосфаты кальция. Недостатком данных способов является необходимость предварительной варки и последующего измельчения стекла, которое к тому же не склонно к биодеградации.By foaming, due to the pore-forming additive CaCO 3 , a material was obtained based on a mixture of a powder of neutral aluminoborosilicate glass and a powder of hydroxyapatite [27]. In this method, it is possible to use glasses containing sodium oxide and phosphorus oxide, which increase the solubility of the glass matrix. A similar material [28] as a filler may contain, along with hydroxyapatite, other more soluble calcium phosphates. The disadvantage of these methods is the need for preliminary cooking and subsequent grinding of glass, which is also not prone to biodegradation.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения пористого материала на основе (синтетического) фосфата кальция, включающий подготовку шихты, формование и обжиг, шихта при этом содержит фосфат кальция и компонент, обеспечивающий формование пористой структуры при термообработке [27]. Недостатком данного способа является необходимость вводить в шихту предварительно сваренное и измельченное стекло, из которого в процессе обжига формируется аморфная фаза, образующая матрицу, в которой раздроблены газовая фаза и кристаллиты фосфата кальция, а также фазовый состав материала (гидроксиапатит и инертное стекло), который представлен фазами, не обладающими способностью резорбироваться, и, следовательно, служить основой для развития регенеративных методов лечения.Closest to the proposed invention is a method of obtaining a porous material based on (synthetic) calcium phosphate, including the preparation of a charge, molding and firing, the mixture contains calcium phosphate and a component that provides the formation of a porous structure during heat treatment [27]. The disadvantage of this method is the need to introduce into the mixture pre-welded and ground glass, from which an amorphous phase is formed during firing, forming a matrix in which the gas phase and calcium phosphate crystallites are fragmented, as well as the phase composition of the material (hydroxyapatite and inert glass), which is phases that do not have the ability to resorb, and, therefore, serve as the basis for the development of regenerative methods of treatment.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа получения пористого резорбируемого материала на основе фосфата кальция (пирофосфата кальция). В предлагаемом способе при подготовке шихты не используют порошок предварительно сваренного, фриттованного и измельченного стекла, формирующего в материале не обладающую способностью к биодеградации аморфную фазу.The objective and technical result of the present invention is to develop a method for producing a porous resorbable material based on calcium phosphate (calcium pyrophosphate). In the proposed method, the preparation of the charge does not use powder of pre-welded, fritted and ground glass, which forms an amorphous phase in the material that does not possess biodegradability.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения пористого керамического материала на основе пирофосфата кальция, включающем подготовку шихты, формование и обжиг, шихта содержит фосфат кальция и компонент, обеспечивающий формирование пористой структуры при термообработке. Согласно изобретению используют фосфат кальция с мольным соотношением Ca/Р в интервале 0,9-1,1, синтезированный соосаждением из растворимых солей кальция и растворимых фосфатов, дающих легкоудаляемые при термообработке сопутствующие продукты реакции, а в качестве добавки, обеспечивающей формирование пористой структуры, используют дигидрофосфат натрия, который при подготовке шихты смешивают с фосфатом кальция при соотношение по массе «фосфат кальция/дигидрофосфат натрия» в интервале 63/37-57/43, а обжиг проводят при температурах в интервале 800-900°C в течение времени, обеспечивающем формирование пористого материала на основании пирофосфата кальция. Для этого делают выдержку при конечной температуре в течение 1-3 часов.The problem is solved in that in the method for producing a porous ceramic material based on calcium pyrophosphate, including preparation of the charge, molding and firing, the mixture contains calcium phosphate and a component that provides the formation of a porous structure during heat treatment. According to the invention, calcium phosphate is used with a Ca / P molar ratio in the range of 0.9-1.1, synthesized by coprecipitation from soluble calcium salts and soluble phosphates, which give accompanying reaction products that are easily removable during heat treatment, and use a porous structure to form an additive sodium dihydrogen phosphate, which, when preparing the mixture, is mixed with calcium phosphate at a ratio by weight of "calcium phosphate / sodium dihydrogen phosphate" in the range of 63 / 37-57 / 43, and firing is carried out at temperatures in the range of 8 00-900 ° C for a time allowing the formation of a porous material based on calcium pyrophosphate. To do this, exposure at a final temperature for 1-3 hours.
Для получения пористого материала используют порошок фосфата кальция с мольным соотношением Са/P в интервале 0,9-1,1, синтезированный соосаждением из растворимых солей кальция и растворимых фосфатов, дающих легкоудаляемые при термообработке сопутствующие продукты реакции.To obtain a porous material, calcium phosphate powder is used with a Ca / P molar ratio in the range of 0.9-1.1, synthesized by coprecipitation from soluble calcium salts and soluble phosphates, which give reaction products that are easily removable during heat treatment.
Для получения фосфата кальция используют реакцию (1):To obtain calcium phosphate use the reaction (1):
где YX=NH4NO3, NH4Cl, NH4CH3COO, т.е.where YX = NH 4 NO 3 , NH 4 Cl, NH 4 CH 3 COO, i.e.
где Y=NH4, а Х=NO3, Cl, СН3СОО.where Y = NH 4 and X = NO 3 , Cl, CH 3 COO.
Полученный осадок фильтруют, сушат, дезагрегируют. Подготовленный таким образом порошок, представляющий собой смесь брушита СаНРO4*2Н2O (мольное соотношение Сa/Р=1) и сопутствующего продукта реакции, может быть использован в качестве фосфата кальция при подготовке шихты для получения пористого керамического материала на основе пирофосфата кальция.The resulting precipitate is filtered, dried, and disaggregated. The powder thus prepared, which is a mixture of brushite CaHPO 4 * 2H 2 O (molar ratio Ca / P = 1) and an accompanying reaction product, can be used as calcium phosphate in the preparation of the mixture to obtain a porous ceramic material based on calcium pyrophosphate.
Альтернативная схема подготовки порошка включает термообработку порошка брушита, содержащего сопутствующий продукт реакции. При проведении термообработки образуется γ-пирофосфат кальция (γ-Са2Р2O7) (мольное соотношение Ca/Р=1). Разложение присутствующих в порошке солей аммония и удаление воды из брушита способствуют дополнительному, термически обусловленному, измельчению неорганического порошка.An alternative powder preparation scheme includes heat treatment of brushite powder containing an accompanying reaction product. During the heat treatment, calcium γ-pyrophosphate (γ-Ca 2 P 2 O 7 ) is formed (molar ratio Ca / P = 1). The decomposition of ammonium salts present in the powder and the removal of water from brushite contribute to the additional, thermally determined grinding of the inorganic powder.
Для химического синтеза порошка фосфата кальция, в котором мольное соотношение Са/P лежит в интервале 0,9-1,1, может быть также использована реакция (2):For the chemical synthesis of calcium phosphate powder, in which the Ca / P molar ratio is in the range of 0.9-1.1, reaction (2) can also be used:
где YX=NH4NO3, NH4Cl, NH4CH3COO, т.е.where YX = NH 4 NO 3 , NH 4 Cl, NH 4 CH 3 COO, i.e.
где Y=NH4, а Х=NO3, C1, СН3СОО, а n=2-4.where Y = NH 4 and X = NO 3 , C1, CH 3 COO, and n = 2-4.
Полученный осадок фильтруют, сушат, дезагрегируют. Подготовленный таким образом порошок, представляющий собой смесь гидратированного пирофосфата кальция Са2Р2O7*nН2O (мольное соотношение Са/Р=1) и сопутствующего продукта реакции, может быть использован для подготовки шихты для получения пористого керамического материала на основе пирофосфата кальция.The resulting precipitate is filtered, dried, and disaggregated. The powder thus prepared, which is a mixture of hydrated calcium pyrophosphate Ca 2 P 2 O 7 * nH 2 O (molar ratio Ca / P = 1) and an accompanying reaction product, can be used to prepare the mixture to obtain a porous ceramic material based on calcium pyrophosphate .
Альтернативная схема подготовки порошка включает термообработку порошка гидратированного пирофосфата кальция, содержащего сопутствующий продукт реакции. При проведении термообработки образуется γ-пирофосфат кальция (γ-Са2Р2O7). Разложение присутствующих в порошке солей аммония и удаление воды из брушита способствуют дополнительному термически обусловленному измельчению неорганического порошка.An alternative powder preparation scheme includes heat treatment of hydrated calcium pyrophosphate powder containing an accompanying reaction product. During the heat treatment, calcium γ-pyrophosphate (γ-Ca 2 P 2 O 7 ) is formed. The decomposition of ammonium salts present in the powder and the removal of water from brushite contribute to additional thermally determined grinding of the inorganic powder.
Уравнения реакции 1 или 2, формула целевого фосфата кальция указывают на определенное значение мольного соотношения Са/Р=1. Тем не менее отраженный в формуле интервал для соотношения Са/Р составляет 0,9-1,1. Уменьшение соотношения Са/Р до значений, меньших 0,9, приведет к уменьшению выхода целевого фосфата кальция, который синтезируют по реакции 1 или 2, а сопутствующий продукт реакции при этом будет обогащен фосфатом или пирофосфатом аммония, который при термообработке будет приводить к отклонению фазового состава от заданного. При повышении соотношения Са/Р выше 1,1 в случае реакции 1, сопутствующий продукт реакции будет обогащен солями кальция, что при термообработке синтезированного продукта будет приводить к обогащению шихты оксидом кальция при использовании нитрата кальция или ацетата кальция, а при использовании хлорида кальция еще и к уменьшению выхода целевого продукта. Оксид кальция при взаимодействии с пирофосфатом кальция при термообработке даст трикальцийфосфат, который при термообработке взаимодействует с солями натрия (компонентом, отвечающим за формирование пористой структуры), давая ренанитоподобные соединения (смешанные фосфата натрия кальция), например, Ca10Na(PO4)7. Ренанитоподобные соединения, будучи помещенными в воду, обуславливают формирование щелочной среды со значением рН в интервале 8-9. Данный уровень pH является не благоприятным для жизнедеятельности клеток организма.
Коммерчески доступные порошки гидратированного дигидрофосфата натрия измельчают в ацетоне в течение 30-60 мин. Затем после сушки порошок гидратированного дигидрофосфата натрия пропускают через сито.Commercially available hydrated sodium dihydrogen phosphate powders are ground in acetone for 30-60 minutes. Then, after drying, the hydrated sodium dihydrogen phosphate powder is passed through a sieve.
К полученному порошку фосфата кальция (брушиту, гидратированному пирофосфату кальция или пирфосфату кальция, который образуется из гидратированных фосфатов кальция после термообработке) добавляют измельченный порошок гидратированного дигидрофосфата натрия при соотношении по массе «фосфат кальция/дигидрофосфат натрия» в интервале 63/37-57/43. Для получения однородной смеси порошки пропускают через сито 4-6 раз. Пропускание через сито менее 4 раз не обеспечивает достаточной гомогенизации порошка, пропускание через сито более 6 раз является избыточным и приводит к необоснованной потере времени.To the obtained powder of calcium phosphate (brushite, hydrated calcium pyrophosphate or calcium pyrophosphate, which is formed from hydrated calcium phosphates after heat treatment), crushed powder of hydrated sodium dihydrogen phosphate is added at a weight ratio of calcium phosphate / sodium dihydrogen phosphate in the range of 63 / 37-57 / 43 . To obtain a homogeneous mixture, the powders are passed through a sieve 4-6 times. Passing through a sieve less than 4 times does not provide sufficient homogenization of the powder, passing through a sieve more than 6 times is excessive and leads to unreasonable loss of time.
При нагревании дигидрофосфата натрия происходит его дегидратация, сопровождающаяся реакцией конденсации. В результате этих превращений в порошковой системе образуется полифосфат натрия, обладающий относительно низкой температурой плавления. Присутствие в порошковой системе полифосфата натрия и пирофосфата кальция формируют тройную оксидную систему Na2O-CaO-P2O5. При этом при уменьшении содержания гидрофосфата натрия менее 37 массовых частей или увеличении более 43 массовых частей состав шихты смешается к областям низкотемпературных эвтектик и материал не сохраняет свою форму.When sodium dihydrogen phosphate is heated, its dehydration occurs, accompanied by a condensation reaction. As a result of these transformations, sodium polyphosphate is formed in the powder system, which has a relatively low melting point. The presence of sodium polyphosphate and calcium pyrophosphate in the powder system form the ternary oxide system Na 2 O-CaO-P 2 O 5 . Moreover, with a decrease in sodium hydrogen phosphate content of less than 37 mass parts or an increase of more than 43 mass parts, the composition of the mixture is mixed to the regions of low-temperature eutectics and the material does not retain its shape.
После подготовки шихты, содержащей синтетический фосфат кальция и измельченный дигидрофосфат натрия, из нее формуют образцы, которые обжигают в интервале 800-900°C, в течение 1-3 часов.After the preparation of a mixture containing synthetic calcium phosphate and ground sodium dihydrogen phosphate, samples are formed from it, which are calcined in the range of 800-900 ° C for 1-3 hours.
При обжиге материала в интервале 800-900°C образуется пористый материал, фазовый состав которого по данным рентгено-фазового анализа (РФА) представлен β-пирофосфатом. Уменьшение температуры обжига ниже 800°C приводит к снижению пористости материала, а увеличение температуры обжига выше 900°C приводит к расплавлению образца, т.е. образец не сохраняет форму. Микроструктура материала свидетельствует о протекании спекания по жидкофазному механизму. По оценке количество расплава, присутствующего в материале, варьируется от 10 до 20% масс. Однако данная аморфная фаза не может быть определена методом РФА.When the material is fired in the range of 800–900 ° C, a porous material is formed whose phase composition, according to the X-ray phase analysis (XRD), is represented by β-pyrophosphate. A decrease in the calcination temperature below 800 ° C leads to a decrease in the porosity of the material, and an increase in the calcination temperature above 900 ° C leads to the melting of the sample, i.e. the sample does not retain shape. The microstructure of the material indicates the occurrence of sintering by the liquid-phase mechanism. According to estimates, the amount of melt present in the material varies from 10 to 20% of the mass. However, this amorphous phase cannot be determined by XRD.
При использовании шихты заявленного состава при нагревании формируется расплав системе Na2O-CaO-P2O5. При этом газообразная фаза также формируется благодаря компоненту шихты - дигидрофосфату натрия. Микроструктура материала свидетельствует о том, что в интервале 800-900°C вязкость расплава и интенсивность газовыделения способствуют формированию пористой структуры.When using the charge of the claimed composition when heated, a melt is formed in the Na 2 O-CaO-P 2 O 5 system . In this case, the gaseous phase is also formed due to the component of the charge - sodium dihydrogen phosphate. The microstructure of the material indicates that in the range of 800–900 ° C, the melt viscosity and the intensity of gas evolution contribute to the formation of a porous structure.
При уменьшении времени выдержки менее 1 часа, материал не обладает достаточной прочностью. При увеличении времени выдержки более 3 часов происходит уменьшение пористости и рост зерен, что ухудшает функциональные свойства материала, к которым относятся прочность и растворимость.With a reduction in exposure time of less than 1 hour, the material does not have sufficient strength. With an increase in exposure time of more than 3 hours, there is a decrease in porosity and grain growth, which affects the functional properties of the material, which include strength and solubility.
Заявленный способ обеспечивает получение материала на основе β-пирофосфата кальция (β-Са2Р2O7) с пористостью 60-70%.The claimed method provides for the preparation of a material based on β-pyrophosphate of calcium (β-Ca 2 P 2 O 7 ) with a porosity of 60-70%.
Описание чертежейDescription of drawings
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены данные РФА для материалов, обожженных при 800°C (A) и 900°C (Б); на фиг.2 - микрофотографии пористого керамического материала, изготовленного из шихты, содержащей 60% мас. фосфата кальция и 40% дигидрофосфата натрия, обожженного при 900°C: размер отрезка сравнения 20 мкм (А), 2 мкм (Б).The invention is illustrated by drawings, where figure 1 presents the XRD data for materials annealed at 800 ° C (A) and 900 ° C (B); figure 2 - micrographs of porous ceramic material made from a mixture containing 60% wt. calcium phosphate and 40% sodium dihydrogen phosphate calcined at 900 ° C: size of the comparison segment is 20 μm (A), 2 μm (B).
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Ниже представлены примеры, иллюстрирующие настоящее изобретение.The following are examples illustrating the present invention.
Пример 1.Example 1
Синтез фосфата кальция с мольным соотношением Са/Р=1 проводят, используя 500 мл 0,5М водного раствора нитрата кальция и 500 мл 0,5М водного раствора гидрофосфата аммония при комнатной температуре. Осадок отделяют от маточного раствора на воронке Бюхнера. Синтезированный порошок брушита СаНРO4*2Н2O (мольное соотношение Са/Р=1) после отделения осадка и сушки дезагрегируют в ацетоне. При дезагрегации в ацетоне происходит частичная дегидратация брушита и образуется монетит СаНРO4, фосфат кальция, мольное соотношение Са/Р которого равно 1. После испарения ацетона порошок пропускают через сито.The synthesis of calcium phosphate with a molar ratio of Ca / P = 1 is carried out using 500 ml of a 0.5 M aqueous solution of calcium nitrate and 500 ml of a 0.5 M aqueous solution of ammonium hydrogen phosphate at room temperature. The precipitate is separated from the mother liquor on a Buchner funnel. The synthesized brushite powder CaHPO 4 * 2H 2 O (molar ratio Ca / P = 1) after separation of the precipitate and drying is disaggregated in acetone. During disaggregation in acetone, a partial dehydration of brushite occurs and monetite CaHPO 4 , calcium phosphate is formed, the molar ratio of Ca / P of which is 1. After evaporation of the acetone, the powder is passed through a sieve.
Коммерчески доступную соль 2-водного дигидрофосфата натрия измельчают в ацетоне. При помоле происходит частичная дегидратация и образуется 1-водный дигидрофосфат натрия. После испарения ацетона порошок пропускают через сито.A commercially available salt of 2-sodium dihydrogen phosphate is ground in acetone. When grinding, partial dehydration occurs and 1-aqueous sodium dihydrogen phosphate is formed. After evaporation of the acetone, the powder is passed through a sieve.
Порошок фосфата кальция, представляющий собой смесь брушита СаНРO4*2Н2O и монетита СаНРO4, в количестве, соответствующем 60 г пирофосфата кальция, и 1-водный дигидрофосфат натрия в количестве, соответствующем 40 г дигидрофосфата натрия, смешивают, пропуская одновременно через сито 5 раз.A powder of calcium phosphate, which is a mixture of brushite CaHPO 4 * 2H 2 O and monetite CaHPO 4 , in an amount corresponding to 60 g of calcium pyrophosphate, and 1-aqueous sodium dihydrogen phosphate in an amount corresponding to 40 g of sodium dihydrogen phosphate, are mixed, passing simultaneously through a sieve 5 time.
Из шихты, полученной пересыпанием, при удельном давлении прессования 100 МПа прессуют образцы. Плотность образцов после прессования составляет 1,40 г/см3.Samples are pressed from a mixture obtained by pouring at a specific pressing pressure of 100 MPa. The density of the samples after pressing is 1.40 g / cm 3 .
После обжига при 850°C в течение 2 часов материал имеет пористость 65%, относительно плотности β-пирофосфата кальция, которая равна 3,12 г/см3 (карточка соединения 9-346).After firing at 850 ° C for 2 hours, the material has a porosity of 65%, relative to the density of calcium β-pyrophosphate, which is 3.12 g / cm 3 (compound card 9-346).
После обжига фазовый состав керамического материала представлен (3-пирофосфатом кальция.After firing, the phase composition of the ceramic material is represented by (3-calcium pyrophosphate.
Пример 2.Example 2
Синтез фосфата кальция с мольным соотношением Са/Р=1 проводят, используя 500 мл 1M водного раствора нитрата кальция и 500 мл 1М водного раствора гидрофосфата аммония при комнатной температуре. Осадок отделяют от маточного раствора на воронке Бюхнера. Синтезированный порошок брушита СаНРO4*2Н2O после отделения осадка и сушки дезагрегируют в ацетоне. При дезагрегации в ацетоне происходит частичная дегидратация брушита и образуется монетит СаНРO4, фосфат кальция, мольное соотношение Са/Р которого равно 1. После испарения ацетона порошок пропускают через сито.The synthesis of calcium phosphate with a molar ratio of Ca / P = 1 is carried out using 500 ml of a 1M aqueous solution of calcium nitrate and 500 ml of a 1M aqueous solution of ammonium hydrogen phosphate at room temperature. The precipitate is separated from the mother liquor on a Buchner funnel. The synthesized brushite powder CaHPO 4 * 2H 2 O after separation of the precipitate and drying is disaggregated in acetone. During disaggregation in acetone, a partial dehydration of brushite occurs and monetite CaHPO 4 , calcium phosphate is formed, the molar ratio of Ca / P of which is 1. After evaporation of the acetone, the powder is passed through a sieve.
Подготовленный таким образом порошок, представляющий собой смесь брушита СаНРO4*2Н2O и монетита СаНРO4, подвергают термообработке при 600°C в течение 15 минут, получая при это порошок γ-пирофосфата кальция (γ-Са2Р2O7) (мольное соотношение Са/Р=1). Полученный порошок γ-пирофосфата кальция (γ-Са2Р2O7) дезагрегируют в ацетоне. После испарения ацетона порошок пропускают через сито.The powder thus prepared, which is a mixture of brushite CaHPO 4 * 2H 2 O and monetite CaHPO 4 , is subjected to heat treatment at 600 ° C for 15 minutes, thereby obtaining a powder of calcium γ-pyrophosphate (γ-Ca 2 P 2 O 7 ) ( molar ratio Ca / P = 1). The resulting powder of calcium γ-pyrophosphate (γ-Ca 2 P 2 O 7 ) is disaggregated in acetone. After evaporation of the acetone, the powder is passed through a sieve.
Коммерчески доступную соль 2-водный дигидрофосфат натрия измельчают в ацетоне. При помоле происходит частичная дегидратация и образуется 1-водный дигидрофосфат натрия. После испарения ацетона порошок пропускают через сито.A commercially available salt of 2-sodium dihydrogen phosphate is ground in acetone. When grinding, partial dehydration occurs and 1-aqueous sodium dihydrogen phosphate is formed. After evaporation of the acetone, the powder is passed through a sieve.
63 г порошка γ-пирофосфата кальция (γ-Са2Р2O7) и 1-водный дигидрофосфат натрия в количестве, соответствующем 37 г дигидрофосфата натрия, смешивают, пропуская одновременно через сито 6 раз.63 g of calcium γ-pyrophosphate powder (γ-Ca 2 P 2 O 7 ) and 1-aqueous sodium dihydrogen phosphate in an amount corresponding to 37 g of sodium dihydrogen phosphate are mixed, passing through a sieve 6 times simultaneously.
Из шихты, полученной пересыпанием, при удельном давлении прессования 100 МПа прессуют образцы. Плотность образцов после прессования составляет 1,40 г/см3. После обжига при 900°C в течение 1 часа материал имеет пористость 70%, относительно плотности β-пирофосфата кальция, которая равна 3,12 г/см3 (карточка соединения 9-346). После обжига фазовый состав керамического материала представлен β-пирофосфатом кальция.Samples are pressed from a mixture obtained by pouring at a specific pressing pressure of 100 MPa. The density of the samples after pressing is 1.40 g / cm 3 . After firing at 900 ° C for 1 hour, the material has a porosity of 70%, relative to the density of calcium β-pyrophosphate, which is 3.12 g / cm 3 (compound card 9-346). After firing, the phase composition of the ceramic material is represented by calcium β-pyrophosphate.
Пример 3.Example 3
Синтез фосфата кальция с мольным соотношением Са/Р=1 проводят, используя 500 мл 1М водного раствора нитрата кальция и 500 мл 1М водного раствора пирофосфата аммония при комнатной температуре. Осадок отделяют от маточного раствора на воронке Бюхнера. Синтезированный порошок гидратированного пирофосфата кальция Са2Р2O4*хН2O после отделения осадка и сушки дезагрегируют в ацетоне. После испарения ацетона порошок пропускают через сито.The synthesis of calcium phosphate with a molar ratio of Ca / P = 1 is carried out using 500 ml of a 1M aqueous solution of calcium nitrate and 500 ml of a 1M aqueous solution of ammonium pyrophosphate at room temperature. The precipitate is separated from the mother liquor on a Buchner funnel. The synthesized powder of hydrated calcium pyrophosphate Ca 2 P 2 O 4 * x H 2 O after separation of the precipitate and drying is disaggregated in acetone. After evaporation of the acetone, the powder is passed through a sieve.
Подготовленный таким образом порошок гидратированного пирофосфата кальция Са2Р2O4*хН2O подвергают термообработке при 500°C в течение 15 минут, получая при это порошок γ-пирофосфата кальция γ-Са2Р2O7 (мольное соотношение Са/Р=1). Полученный порошок γ-пирофосфата кальция (γ-Са2Р2O7) сушки дезагрегируют в ацетоне.Thus prepared powder of hydrated calcium pyrophosphate Ca 2 P 2 O 4 * x H 2 O is subjected to heat treatment at 500 ° C for 15 minutes to obtain a powder of calcium γ-pyrophosphate γ-Ca 2 P 2 O 7 (molar ratio of Ca / P = 1). The resulting powder of calcium γ-pyrophosphate (γ-Ca 2 P 2 O 7 ) drying is disaggregated in acetone.
Коммерчески доступную соль 2-водного дигидрофосфата натрия измельчают в ацетоне. При помоле происходит частичная дегидратация и образуется 1-водный дигидрофосфат натрия. После испарения ацетона порошок пропускают через сито.A commercially available salt of 2-sodium dihydrogen phosphate is ground in acetone. When grinding, partial dehydration occurs and 1-aqueous sodium dihydrogen phosphate is formed. After evaporation of the acetone, the powder is passed through a sieve.
57 г порошка γ-пирофосфата кальция γ-Са2Р2O7 и 1-водный дигидрофосфат натрия в количестве, соответствующем 43 г дигидрофосфата натрия, смешивают, пропуская одновременно через сито 4 раза.57 g of calcium γ-pyrophosphate powder γ-Ca 2 P 2 O 7 and 1-aqueous sodium dihydrogen phosphate in an amount corresponding to 43 g of sodium dihydrogen phosphate are mixed, passing through a sieve 4 times simultaneously.
Из шихты, полученной пересыпанием, при удельном давлении прессования 100 МПа прессуют образцы. Плотность образцов после прессования составляет 1,40 г/см3. После обжига при 800°C в течение 3 часов материал имеет пористость 60%, относительно плотности β-пирофосфата кальция, которая равна 3,12 г/см3 (карточка соединения 9-346). После обжига фазовый состав керамического материала представлен β-пирофосфатом кальция.Samples are pressed from a mixture obtained by pouring at a specific pressing pressure of 100 MPa. The density of the samples after pressing is 1.40 g / cm 3 . After firing at 800 ° C for 3 hours, the material has a porosity of 60%, relative to the density of calcium β-pyrophosphate, which is 3.12 g / cm 3 (compound card 9-346). After firing, the phase composition of the ceramic material is represented by calcium β-pyrophosphate.
Таким образом, экспериментальные данные показывают, что заявленный способ позволяет получить материал на основе β-пирофосфата кальция с пористостью 60-70%.Thus, the experimental data show that the claimed method allows to obtain material based on calcium β-pyrophosphate with a porosity of 60-70%.
ЛитератураLiterature
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012153955/05A RU2531377C2 (en) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Method for preparing calcium pyrophosphate porous ceramics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012153955/05A RU2531377C2 (en) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Method for preparing calcium pyrophosphate porous ceramics |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012153955A RU2012153955A (en) | 2014-06-20 |
| RU2531377C2 true RU2531377C2 (en) | 2014-10-20 |
Family
ID=51213693
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012153955/05A RU2531377C2 (en) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Method for preparing calcium pyrophosphate porous ceramics |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2531377C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2599524C1 (en) * | 2015-06-22 | 2016-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Method of producing porous ceramic from calcium phosphates for treating bone tissue defects |
| RU2629079C1 (en) * | 2016-05-27 | 2017-08-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method for producing calcium pyrophosphate powder |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6540784B2 (en) * | 1994-08-08 | 2003-04-01 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Artificial bone implants |
| EP1449818A1 (en) * | 2001-10-21 | 2004-08-25 | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology | Porous article of sintered calcium phosphate, process for producing the same and artificial bone and histomorphological scaffold using the same |
| RU2392006C2 (en) * | 2008-03-18 | 2010-06-20 | Государственное Учебно-Научное Учреждение Химический Факультет Московского Государственного Университета Имени М.В. Ломоносова | Calcium pyrophosphate-based ceramic biodegradable material manufacture method |
| RU2456253C2 (en) * | 2010-06-24 | 2012-07-20 | Государственное учебно-научное учреждение Факультет Наук о Материалах Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова | Method of preparing mixture for producing ceramic biodegradable material |
| EP2296720B1 (en) * | 2008-05-27 | 2013-04-03 | RevisiOs B.V. i.o. | Osteoinductive nanocomposites |
| RU2490031C2 (en) * | 2011-09-29 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Bruschite cement for orthopaedic surgery |
-
2012
- 2012-12-14 RU RU2012153955/05A patent/RU2531377C2/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6540784B2 (en) * | 1994-08-08 | 2003-04-01 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Artificial bone implants |
| EP1449818A1 (en) * | 2001-10-21 | 2004-08-25 | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology | Porous article of sintered calcium phosphate, process for producing the same and artificial bone and histomorphological scaffold using the same |
| RU2392006C2 (en) * | 2008-03-18 | 2010-06-20 | Государственное Учебно-Научное Учреждение Химический Факультет Московского Государственного Университета Имени М.В. Ломоносова | Calcium pyrophosphate-based ceramic biodegradable material manufacture method |
| EP2296720B1 (en) * | 2008-05-27 | 2013-04-03 | RevisiOs B.V. i.o. | Osteoinductive nanocomposites |
| RU2456253C2 (en) * | 2010-06-24 | 2012-07-20 | Государственное учебно-научное учреждение Факультет Наук о Материалах Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова | Method of preparing mixture for producing ceramic biodegradable material |
| RU2490031C2 (en) * | 2011-09-29 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Bruschite cement for orthopaedic surgery |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2599524C1 (en) * | 2015-06-22 | 2016-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Method of producing porous ceramic from calcium phosphates for treating bone tissue defects |
| RU2629079C1 (en) * | 2016-05-27 | 2017-08-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method for producing calcium pyrophosphate powder |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012153955A (en) | 2014-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vallet-Regí | Ceramics for medical applications | |
| Navarro et al. | New macroporous calcium phosphate glass ceramic for guided bone regeneration | |
| EP2396046B1 (en) | Bone regeneration materials based on combinations of monetite and other bioactive calcium and silicon compounds | |
| JP2567888B2 (en) | Solid calcium phosphate material | |
| JP5759370B2 (en) | Three-dimensional matrix of monetite with structured porosity for tissue engineering and bone regeneration, and method for preparing the three-dimensional matrix | |
| KR101738649B1 (en) | Galliated calcium phosphate biomaterials | |
| WO2017219654A1 (en) | Degradable, porous, magnesium-containing calcium phosphate-calcium sulfate composite biological stent | |
| US20070059379A1 (en) | Inorganic resorbable bone substitute material | |
| JPH11511722A (en) | Bone substitute material and method for producing the same | |
| Putlyaev et al. | A new generation of calcium phosphate biomaterials: the role of phase and chemical compositions | |
| JP2012514573A (en) | Silicate-substituted hydroxyapatite | |
| JP4477377B2 (en) | Bioactive rennite glass ceramic | |
| RU2531377C2 (en) | Method for preparing calcium pyrophosphate porous ceramics | |
| US8894958B2 (en) | Galliated calcium phosphate biomaterials | |
| RU2596504C1 (en) | Method of producing ceramic based on octacalcium phosphate (ocp) | |
| Horta et al. | Hydroxyapatite from biowaste for biomedical applications: obtainment, characterization and in vitro assays | |
| RU2392007C2 (en) | Manufacture method of calcium phosphate-based porous material | |
| Bobkova et al. | Porous glass ceramic bioimplants | |
| El-Maghraby et al. | Preparation, structural characterization, and biomedical applications of gypsum-based nanocomposite bone cements | |
| Vrânceanu et al. | Development and characterization of novel porous collagen based biocomposite for bone tissue regeneration | |
| RU2395303C1 (en) | Method for making biodegradable ceramic composite of double potassium calcium phosphate | |
| Petronis et al. | New biphasic calcium phosphate in orthopedic surgery: first clinical results | |
| RU2555685C2 (en) | Method for preparing submicron biphasic tricalcium phosphate and hydroxyapatite ceramics | |
| Ito et al. | Magnesium-and zinc-substituted beta-tricalcium phosphates as potential bone substitute biomaterials | |
| Abd Aljabbar et al. | Preparation of Fine Hydroxyapatite (HA) Powder And Its Characterization As Ceramic Biomaterial |