DE69803882T2 - Verfahren zur herstellung von karbonierten hydroxyapatitzusammensetzungen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von karbonierten hydroxyapatitzusammensetzungenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer carbonathaltigen (kohlensäurehaltigen) Hydroxylapatitzusammensetzung und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von carbonathaltigen Hydroxylapatitzusammensetzungen, die im Wesentlichen frei von Natrium und Ammonium sind.
- Es wurde beschrieben, dass synthetischer Hydroxylapatit Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)&sub6;(OH)&sub2; als Knochenersatzmaterial in porösen, granulären, plasmagespritzten und kompakten Formen verwendet wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Hydroxylapatit eine ähnliche Struktur wie Knochenmaterial aufweist. Hydroxylapatit ist jedoch einer aus der Reihe der stöchiometrischen Calciumphosphatapatite. Für das humane und tierische Knochenmineral wurde gezeigt, dass diese wesentliche Mengen von 3 bis 7 Gew.-% Carbonat enthalten. Es liegen Anhaltspunkte vor, dass zwei Stellen, die Phosphat- und die Hydroxylstellen, als B beziehungsweise A bezeichnet, durch die Carbonatgruppe substituiert werden können; wobei das Knochenmineral überwiegend ein Apatit vom B-Typ ist. Als Folge dieser Ähnlichkeit in der chemischen Zusammensetzung wird vermutet, dass carbonathaltiger Hydroxylapatit eine bessere Bioaktivität aufweist als unsubstituierter stöchiometrischer Hydroxylapatit, der zur Zeit in kommerziellen Anwendungen, wie plasmagespritzte Beschichtungen auf metallischen Implantaten und porösen Hydroxylapatitkeramik-Knochenersatzstoffen, verwendet wird. Einen Carbonat-substituierten Hydroxylapatit könnte man auch bei der Chromatographie und Reinigung, wie bei der Entfernung von Schwermetallionen durch Adsorption, verwenden.
- Die Herstellung von Carbonat-substituierten Hydroxylapatitkeramikmaterialien muss einfach und reproduzierbar sein, um eine kommerzielle Verwertung zu ermöglichen. Zusätzlich muss die Carbonat-substituierte Hydroxylapatitzusammensetzung thermisch stabil sein, so dass sie sich nach dem Calcinieren/Sintern nicht zu unerwünschten sekundären Phasen (z. B. Tricalciumphosphat oder Calciumoxid) zersetzt. Desweiteren sollte der Carbonat-substituierte Hydroxylapatit während dieser Wärmebehandlung die Carbonationen, die in die Hydroxylapatitstruktur substituiert wurden, nicht verlieren.
- Bis zum heutigen Tage umfassen die Verfahren, die für die Herstellung von Carbonat-substituierten Hydroxylapatitzusammensetzungen beschrieben sind, eines der folgenden Verfahren.
- Das Erwärmen einer stöchiometrischen Hydroxylapatitkeramikzusammensetzung in einer CO&sub2;-Atmosphäre bei etwa 900ºC für mehrere Tage [R. Wallaeys, Silicon, Sulphur, Phosphates. Coll. Int. Union Pure Appl. Chem. Münster (1954) 183-190]. Dieses Verfahren führt zu einer geringen Carbonat- Substitution, mit einer schlechten Kontrolle über das Ausmass der Carbonat- Substitution und der Homogenität der Substitution in der gesamten Probe. Desweiteren liegt die Carbonat-Substitution an der falschen Stelle, d. h. der A- Stelle, vor, um ein dem Knochen gleichwertiges Material bereitzustellen.
- Ein Nasspräzipitationsverfahren, das Na&sub2;CO&sub3;, NaHCO&sub3; oder (NH&sub4;)&sub2;CO&sub3; als Quelle der Carbonationen verwendet, führt zu einer Substitution der Hydroxylapatitstruktur durch die zusätzlichen Na&spplus;- oder NH&sub4;&spplus;-Ionen, einer ungenügenden thermischen Stabilität des Produktes nach dem Calcinieren/Sintern, dem Verlust von grossen Mengen an Carbonationen nach dem Erwärmen und einer ungenügenden Kontrolle des Grades der Carbonat- Substitution. Siehe beispielsweise: Y. Doi, Y. Moriwaki, T. Aoba, M. Okazati, J. Takahashi und K. Joshin, "Carbonate apatites from aqueous and nonaqueous media studied by ESR, IR and X-Ray Diffraction: Effect of NH&sub4;&spplus; ions on crystallographic parameters", J. Deut. Res. 61 (1982), 429-434; D. G. A. Nelson und J. D. B. Featherstone, "Preparation analysis and characterization of carbonated apatites", Calcif. Tiss. Int. 34(1982), 569-581.
- EP-A-0722773 und JP-A-8225312 offenbaren die Herstellung eines substituierten Hydroxylapatits vom A-Typ, wobei die OH&supmin;-Ionen in der Struktur durch die Carbonationen substituiert werden.
- EP-A-0626590 offenbart die Herstellung eines Carbonat-substituierten Apatits, wobei das Ca/P-Verhältnis bei ungefähr 1,66 gehalten wird und Natrium- und Carbonationen co-substituiert in dem Gitter vorliegen, wobei die Menge des substituiert vorliegenden Carbonats durch die Menge von Natriumbicarbonat kontrolliert wird, das in der Reaktion verwendet wird.
- WO-A-94/08458 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines carbonathaltigen Hydroxylapatits, wobei die Ausgangsmaterialien bei Raumtemperatur gemischt werden und sich das Material bei Raumtemperatur oder physiologischen Temperaturen absetzt, um einen Zement zu bilden. Die Quelle für die Carbonationen ist festes Calciumcarbonat. Das erzeugte Material ist ein schwach-kristalliner oder amorpher Apatit, der Natriumionen enthält.
- JP-A-61151011 offenbart die Zugabe von Ca(OH)&sub2; und CaCO&sub3; zu einer Suspension aus CaHPO&sub4;. Die CO&sub3;-Ionen werden als unlösliches CaCO&sub3; und nicht als Lösung in die Reaktionsmischung eingebracht. Die verwendeten Ca/P- Verhältnisse betragen immer weniger als 1,67. Nach dem Sintern bei 1000ºC bis 1 100ºC beträgt der Carbonatgehalt des resultierenden Materials weniger als 0,1%.
- Es ist hauptsächlich auf die bei den oben diskutierten Herstellungswegen angetroffenen Schwierigkeiten zurückzuführen, dass diese Wege nicht weiter entwickelt wurden, um Carbonat-substituierte Hydroxylapatit- Keramikmaterialien kommerziell herzustellen.
- Wir haben nun ein neues Verfahren zur Herstellung einer einphasigen, Carbonat-substituierten Hydroxylapatitzusammensetzung entwickelt, welches die Schwierigkeiten der Verfahren des Standes der Technik überwindet und keine Natrium- oder Ammoniumionen enthält.
- Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Carbonat-substituierten Hydroxylapatits bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst
- (i) Herstellen einer wässrigen Lösung, die CO&sub3;²&supmin; und PO&sub4;³&supmin;-Ionen und im Wesentlichen keine Kationen ausser H&spplus;- und Ca²&spplus;-Ionen enthält;
- (ii) Mischen der Lösung aus Schritt (i) mit einer wässrigen Lösung oder Suspension einer Calciumverbindung; und
- (iii) Sammeln und Trocknen des in Schritt (ii) gebildeten Präzipitats; wobei das Verhältnis von Ca/P in der Calcium-enthaltenden Lösung oder Suspension und der Phosphor-enthaltenden Lösung, wenn diese zusammengemischt werden, oberhalb 1,67 gehalten wird.
- Die erfindungsgemässen, einphasigen, Carbonat-substituierten Hydroxylapatitzusammensetzungen werden als neu erachtet und folglich stellt die vorliegende Erfindung in einem anderen Aspekt eine einphasige Carbonatsubstituierte Hydroxylapatitzusammensetzung mit einem Ca/P-Verhältnis von grösser als 1,67 bereit, die bis zu 5 Gew.-% CO&sub3;²&supmin;-Ionen umfasst, die substituiert an der B-Stelle (PO&sub4; Stelle) oder den B- und A-Stellen der Hydroxylapatitstruktur vorliegen, wobei wenigstens 50% der CO&sub3;²&supmin;-Ionen substituiert an der B-Stelle vorliegen, und welche keine Na&spplus;- oder NH&sup4;&spplus;-Ionen enthält.
- Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann die wässrige Lösung aus Schritt (i) durch Einleiten von Kohlendioxid durch Wasser, um Kohlensäure zu bilden und anschliessender Zugabe von Phosphorsäure, H&sub3;PO&sub4;, dazu oder durch Zugabe von Kohlendioxidgas zu Wasser unter hohem Druck und anschliessender Zugabe von Phosphorsäure dazu hergestellt werden. Die durch die Lösung adsorbierte Kohlendioxidmenge kann anhand des pH's der Lösung vor Zugabe von H&sub3;PO&sub4; berechnet werden. Bei einem pH von etwa 4,0 ist die Lösung vollständig mit Kohlendioxid gesättigt. Im Allgemeinen wird H&sub3;PO&sub4; zu der Kohlensäurelösung zugegeben, um die PO&sub3;²&supmin;-Ionen für die Reaktion bereitzustellen.
- Alternativ kann die wässrige Lösung aus Schritt (i) durch Einleiten von Kohlendioxid durch eine H&sub3;PO&sub4; Lösung oder durch die Zugabe von Kohlendioxid unter Druck zu der Lösung hergestellt werden, um CO&sub3;²&supmin;-Ionen in situ zu bilden. Desweiteren kann CO&sub2; als Feststoff eingebracht werden, welcher bei der Verdampfung die Lösung mit Kohlensäure versetzt.
- Die Lösung aus Schritt (i) des Verfahrens wird in Schritt (ii) mit einer wässrigen Lösung oder Suspension einer Calciumverbindung gemischt. Es kann beispielsweise eine Calciumnitrat-Lösung, Ca(NO&sub3;)&sub2; oder eine Calciumhydroxid- Suspension, Ca(OH)&sub2;, verwendet werden.
- Vorzugsweise erfolgt das Mischen durch die tropfenweise Zugabe der Lösung aus Schritt (i) zu der Calcium-enthaltenden Lösung oder Suspension. Es kann jedoch auch ein Mischen (bulk mixing) der Lösung und der Suspension durchgeführt werden, vorausgesetzt, dass die vereinigte Mischung stark gerührt wird, um die Präzipitationsreaktion zu ermöglichen.
- Während dem Mischen in Schritt (ii) des Verfahrens kann Kohlendioxid durch die Mischung geleitet werden.
- Das Verhältnis von Ca zu P in der Calcium-enthaltenden Lösung oder Suspension und der Phosphor-enthaltenden Lösung, wenn diese zusammengemischt werden, wird oberhalb 1,67 gehalten, um die Substitution in den A- als auch den B-Stellen zu fördern, um einen AB-substituierten Hydroxylapatit mit der Formel:
- Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)6-x(CO&sub3;)x(OH)2-y(CO&sub3;)y
- zu ergeben.
- Vorzugsweise wird das Ca/P-Verhältnis im Bereich von oberhalb 1,67 bis 1,84 gehalten, mehr bevorzugt oberhalb 1,67 bis 1,76.
- Nachdem die Zugabe der Reaktanten abgeschlossen ist, kann, falls erwünscht, der pH der Mischung durch die Zugabe von Ammoniak auf 10 bis 11 eingestellt werden. Wenn Ammoniak auf diese Art und Weise zugegeben wird, werden entsprechende Schritte unternommen, um den Ammoniak aus dem Endprodukt zu entfernen.
- Das getrocknete Präzipitat aus Schritt (iii) des Verfahrens kann in einer Nasskohlendioxidatmosphäre gemäss der Ausführung von EP-0625490B calciniert/gesintert werden. Insbesondere kann das getrocknete Präzipitat in Kohlendioxid, das 0,001 bis 0,10 Gramm Wasser pro Liter des Gases enthält, bei einer Temperatur im Bereich von 700ºC bis 1200ºC, vorzugsweise von 900ºC bis 1200ºC, calciniert werden. Das als Sinteratmosphäre verwendete Kohlendioxid enthält vorzugsweise 0,01 bis 0,02 Gramm Wasser pro Liter des Gases. Die Sinterzeit beträgt im Allgemeinen bis zu 24 Stunden, vorzugsweise 10 Minuten bis 4 Stunden.
- Das Sintern wird im Allgemeinen bei Atmosphärendruck durchgeführt, d. h. bei keinem angelegten Druck, obwohl Drücke, die etwas über dem Atmosphärendruck liegen, durch die besondere Konstruktion des benutzten Ofens erzeugt werden können.
- Die erfindungsgemässen carbonathaltigen Hydroxylapatitzusammensetzungen umfassen im Allgemeinen bis zu 5 Gew.-% CO&sub3;²&supmin;-Ionen, vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-%. Desweiteren liegen im Allgemeinen 50% bis 85% der CO&sub3;²&supmin;-Ionen der carbonathaltigen Hydroxylapatitzusammensetzung substituiert an der B-Stelle vor.
- Die mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellten carbonathaltigen Hydroxylapatitzusammensetzungen werden im Wesentlichen in der Abwesenheit von anderen Kationen als H&spplus; und Ca²&spplus; hergestellt. Folglich enthalten die Zusammensetzungen keine anderen Kationen, wie Na&spplus; oder NH&sub4;&spplus;, die substituiert in ihren Strukturen vorliegen und sind somit biokompatibel. Die gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellten carbonathaltigen Hydroxylapatitzusammensetzungen können bei jeder Anwendung, bei der Hydroxylapatit benützt wird, verwendet werden, zum Beispiel bei der Bildung von plasmagespritzten Beschichtungen auf Metallimplantaten, bei der Bildung von porösen Knochenersatzstoffen aus Keramik, bei der Herstellung von Verbundstoffen mittels polymeren Materialien, wie Polyethylen mit hoher Dichte, als Granula oder Kügelchen zur Abdichtung oder Auffüllung von Knochendefekten, als Materialien zur Verwendung bei der Chromatographie oder als Materialien zur Verwendung bei Reinigungsverfahren, wie die Entfernung von Schwermetallen mittels Adsorption.
- Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden weiter durch die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
- Fig. 1 und 2 Röntgenbeugungsdaten für die Zusammensetzungen der Beispiele 1 bis 5 und für unsubstituierten Hydroxylapatit mit einem Ca/P- Verhältnis von 1,67 zeigen;
- Fig. 3 den Einfluss der Sintertemperatur auf die Sinterdichte des unsubstituierten Hydroxylapatits und des Carbonat-substituierten Hydroxylapatits aus Beispiel 3 zeigt;
- Fig. 4 die Mikrohärte des unsubstituierten Hydroxylapatits verglichen mit dem Carbonat-substituierten Hydroxylapatit aus Beispiel 3 bei unterschiedlichen Temperaturen zeigt;
- Fig. 5 ein FTIR-Spektrum des bei 900ºC in Luft gesinterten unsubstituierten Hydroxylapatits darstellt; und
- Fig. 6 ein FTIR-Spektrum des bei 900ºC in CO&sub2;/H&sub2; gesinterten Carbonatsubstituierten Hydroxylapatits aus Beispiel 3 darstellt.
- Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele weiter beschrieben.
- Eine Suspension von Calciumhydroxid wurde hergestellt, indem 38,25 g Ca(OH)&sub2;(AnalaR, BDH) in 1 Liter deionisiertem Wasser dispergiert wurden. Diese Suspension wurde vor einer weiteren Reaktion für 15 Minuten gerührt, um die Lösung A zu bilden.
- Das Kohlendioxidgas (CO&sub2;) wurde für eine Zeitdauer von 30 Minuten in 0,75 Liter deionisiertes Wasser eingeleitet, wodurch der pH der Lösung von etwa 7 auf etwa 4 absank. 0,3 Mol (34,588 g) Phosphorsäure, H&sub3;PO&sub4;, (BDH GPR 85% Assay), wurden zu 0,75 Liter des CO&sub2; behandelten Wassers gegeben und diese Lösung wurde dann mit deionisiertem Wasser auf ein Gesamtvolumen von 1 Liter aufgefüllt, um die Lösung B zu bilden.
- Die Lösung B wurde tropfenweise zur Lösung A zugegeben, die stetig gerührt wurde; die Zugabe der Lösung B dauerte etwa 3 Stunden und wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Nach der Zugabe der Lösung B wurde der pH der resultierenden Mischung durch Zugabe von etwa 10 ml Ammoniak (BDH AnalaR) auf 10,5-11 eingestellt. Die Mischung wurde für 2 Stunden gerührt und dann über Nacht ohne Rühren absitzengelassen. Die sedimentierte Mischung wurde filtriert, der Filterkuchen wurde zwei Mal mit 100 ml deionisiertem Wasser gewaschen, um jeglichen Restammoniak zu entfernen und der resultierende Filterkuchen wurde über Nacht bei 80ºC getrocknet. Der getrocknete Filterkuchen wurde zerkleinert und in ein feines Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgrösse von weniger als 100 um zermahlen.
- Das oben detailliert beschriebene Verfahren wurde bei gleichbleibenden Mengen H&sub3;PO&sub4; (0,3 Mol) unter Verwendung von verschiedenen Mengen Ca(OH)&sub2; vier Mal wiederholt, um den Carbonat-substituierten Hydroxylapatit herzustellen.
- Weitere Einzelheiten sind in der Tabelle 1 unten gezeigt: TABELLE 1
- Die wie oben beschrieben hergestellten Carbonat-substituierten Hydroxylapatite waren bis zu einem Bereich von 900ºC bis 1200ºC in einer CO&sub2;/H&sub2;O- Atmosphäre thermisch stabil. Oberhalb dieser Temperaturen trat ein partieller Zerfall in Hydroxylapatit und Calciumoxid/Calciumcarbonat auf.
- Die präzipitierten und calcinierten/gesinterten Pulver (900ºC CO&sub2;/H&sub2;O wurden durch CHN-Analyse, XRF-, XRD- und FTIR-Analyse charakterisiert. Die Fig. 1 und 2 zeigen Röntgenbeugungsdaten für die hergestellten und calcinierten/gesinterten Carbonat-substituierten Hydroxylapatit-Proben der Beispiele 1 bis 5 und für unsubstituierten Hydroxylapatit mit einem Ca/P- Verhältnis von 1,67. Die Röntgenbeugungsdaten weisen keine Peaks auf, die Calciumoxid oder Tricalciumphosphat zuzuschreiben sind, welche man als Abbauprodukte erhalten würde, wenn sich der Carbonat-substituierte Hydroxylapatit aus dem Substitutionsmechanismus vom A-Typ (calciumreich) oder aus dem Substitutionsmechanismus vom B-Typ (calciumarm) ergeben würde. Dies bestätigt, dass der Carbonat-substituierte Hydroxylapatit vom AB- Typ ist.
- Die Röntgenbeugungsmuster der calcinierten/gesinterten Proben (Fig. 2) mit Ca/P-Verhältnissen von 1,67 bis 1,76 wiesen nur Peaks auf, die HA entsprachen. Proben, die mit Ca/P-Verhältnissen von über 1,76 hergestellt wurden, wiesen geringe Anteile CaCO&sub3; auf, wobei HA die Hauptphase (> 95%) darstellte. Tiefere Calcinierungstemperaturen (d. h. weniger als 900ºC) führen nicht zu einem Zerfall zu CaCO&sub3;.
- Fourier-transformierte Infrarotspektroskopie (FTIR)-Analyse ermöglicht die Identifikation von unterschiedlichen funktionellen Gruppen, wie OH, PO&sub4; und CO&sub3;, mittels ihrer charakteristischen Schwingungsfrequenzen; die Energie der meisten molekularen Schwingungsfrequenzen entsprechen dem Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. FTIR-Spektroskopie stellt ein hervorragend geeignetes Verfahren für die Bestimmung der Gegenwart oder Abwesenheit von verschiedenen funktionellen Gruppen in Hydroxylapatit dar. Stöchiometrischer unsubstituierter Hydroxylapatit sollte nur Schwingungsfrequenzbanden aufweisen, die OH- und PO&sub4; Gruppen im FTIR- Spektrum entsprechen. Zusätzlich zum Nachweis der CO&sub3;-Gruppen in einem Carbonat-substituierten Hydroxylapatit, sollte die FTIR-Spektroskopie den Effekt der substituierten CO&sub3;-Gruppen auf die Stellen, die sie im HA-Gitter besetzen werden, d. h. die PO&sub4;- und/oder die OH-Gruppen, zeigen.
- FTIR-Spektren für einen unsubstituierten Hydroxylapatit und einen Carbonatsubstituierten Hydroxylapatit, der in der vorliegenden Erfindung (Beispiel 3) erzeugt wurde, sind in den Fig. 5 beziehungsweise 6 gezeigt. Der unsubstituierte Hydroxylapatit weist einen scharfen Peak bei ungefähr 3571 cm&supmin;¹ auf, der OH-Gruppen entspricht und die Peaks bei 1065, 1042, 1023, 961 und 629, 599 und 570 cm&supmin;¹ entsprechen den PO&sub4;-Gruppen. Für den Carbonat-substituierten Hydroxylapatit weichen die den PO&sub4;-Banden entsprechenden Peaks bei 1083, 1045, 1021, 961 und 636, 602 und 584 cm&supmin;¹ leicht von den Werten ab, die für unsubstituierten Hydroxylapatit beobachtet werden. Die in dem Spektrum des Carbonat-substituierten Hydroxylapatits beobachteten wesentlichen Änderungen sind derart, dass der OH-Peak im Vergleich zu den anderen Peaks von geringerer Intensität zu sein scheint, was auf weniger OH-Gruppen im Carbonat-substituierten Hydroxylapatit hinweist. Carbonat (CO&sub3;)-Gruppen werden ebenfalls durch die Peaks bei 1542, 1454, 1410 und bei 877 cm&supmin;¹ identifiziert. Zusätzlich werden kleine Schultern an beiden Enden des Peaks bei 1454 cm&supmin;¹ beobachtet; diese Peaks befinden sich bei etwa 1420 und 1480 cm&supmin;¹. Die Ergebnisse von FTIR- Analysen des Carbonat-substituierten Hydroxylapatits vom A- und B-Typ, die in den Untersuchungen von Le Geros et al. (Speck/ja Experimentia 25, 5-7, 1969), Nelson et al. (Calcif. Tiss. Int. 34, 569-581, 1982) und Doi et al. (J. Dent. Res. 61, 429-434, 1982) berichtet wurden, zeigen, dass die Peaks, die für den Carbonat-substituierten Hydroxylapatit, der in der vorliegenden Erfindung (Beispiel 3) hergestellt wurde, beobachtet wurden, einer ABgemischten Substitution von CO&sub3; in das Hydroxylapatitgitter entsprechen.
- Eine CHN-Analyse des wie beschrieben hergestellten Carbonat-substituierten Hydroxylapatitpulvers und des resultierenden erhitzten/gesinterten Materials zeigte, dass kein Stickstoff (und deshalb kein Ammoniak, NH&sub3;) vorhanden war. Die Carbonatmenge in den Carbonat-substituierten Hydroxylapatitpulvern und dem resultierenden erhitzten/gesinterten Material schwankte abhängig vom Ca/P-Verhältnis des Materials zwischen 0 bis etwa 5 Gew.-%; höhere Ca/P- Verhältnisse führten zu einer erhöhten Carbonat-Substitution.
- Die in der vorliegenden Erfindung hergestellten Carbonat-substituierten Hydroxylapatite sintern bei einer bestimmten Temperatur zwischen 750ºC und 1050ºC zu höheren Dichten als unsubstituierter Hydroxylapatit. Fig. 3 zeigt den Effekt der Sintertemperatur auf die Sinterdichte von unsubstituiertem Hydroxylapatit und von Carbonat-substituiertem Hydroxylapatit, der in Beispiel 3 erzeugt wurde (die Sinterbedingungen waren wie folgt: für den Carbonatsubstituierten Hydroxylapatit wurde wie beim Verfahren beschrieben eine CO&sub2;/H&sub2;O-Atmosphäre und für den unsubstituierten Hydroxylapatit eine Luftatmosphäre verwendet. Für beide Materialien wurde eine Heizrate von 2,5 ºC/min bis zur Temperatur, eine Verweilzeit von 2 Stunden und eine Kühlrate von 10ºC/min. bis Raumtemperatur verwendet). Die Substitution der Carbonationen in das Hydroxylapatitgitter führt zu einem Pulver, das sintert, um ein keramisches Material mit einer hohen Dichte bei Temperaturen zu bilden, die im Allgemeinen für keramische Materialien als niedrig angesehen werden.
- Die hohen Dichten, die mit dem in der vorliegenden Erfindung hergestellten Carbonat-substituierten Hydroxylapatit erreicht wurden, führen verglichen mit unsubstituiertem Hydroxylapatit zu überlegenen mechanischen Eigenschaften, wie eine Bestimmung der Mikrohärte zeigt, Fig. 4. Um die Mikrohärte zu bestimmen wurde für 10 Sekunden eine Prüfkraft von 0,5 kg auf die polierte Oberfläche einer keramischen Probe angelegt. Die durchschnittliche diagonale Länge des Abdrucks wurde gemessen und die Mikrohärte, Hv, wurde gemäss der in ASTM E384 beschriebenen Methode berechnet. Für eine bestimmte Sintertemperatur war die Mikrohärte des erfindungsgemässen Carbonatsubstituierten Hydroxylapatits wesentlich grösser als der Wert für unsubstituierten Hydroxylapatit. Ausserdem wurde die Reproduzierbarkeit des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens geprüft. Drei Wiederholungsbatches (50 g) wurden mit demselben Ca/P-Ausgangsverhältnis (1,76) hergestellt. Ein grosser Batch (150 g) wurde ebenfalls hergestellt. Die Ergebnisse der CHN-Analyse (Gew.-% Carbonatbestimmung) dieser vier Pulver sind in Tabelle 2 aufgelistet; die Proben wurden wie hergestellt (bearbeitete Pulver vor der Wärmebehandlung) und nach Sintern bei 900ºC in einer CO&sub2;/H&sub2;O-Atmosphäre vermessen.
- Die Bioaktivität des in der vorliegenden Erfindung hergestellten Carbonatsubstituierten Hydroxylapatits wurde im Vergleich zu unsubstituiertem Hydroxylapatit durch Prüfen der Keramikproben in künstlicher Körperflüssigkeit (SBF) beurteilt, welche die Ionenart und -konzentration enthält, die in humanem Plasma vorkommen. Dieser Test zeigt die Zeitdauer, die für eine neue knochenähnliche Apatitschicht erforderlich ist, um auf der Oberfläche des Keramikprüfkörpers zu präzipitieren, je kürzer die Zeitdauer ist, desto bioaktiver ist das Material. Der in der vorliegenden Erfindung hergestellte Carbonatsubstituierte Hydroxylapatit (Beispiel 3) führte in weniger als 7 Tagen zur Bildung einer neuartigen Apatitschicht, wogegen für den unsubstituierten Hydroxylapatit 24-28 Tage erforderlich waren. Dieser Test ist ein erster Hinweis auf die verbesserten biologischen Eigenschaften, die der in der vorliegenden Erfindung hergestellte Carbonat-substituierte Hydroxylapatit im Vergleich zu unsubstituiertem Hydroxylapatit aufweisen kann.
- Die Ergebnisse dieser Analysen zeigen, dass die Carbonat-Substitution eine kombinierte Substitution vom AB-Typ ist, die durch die Gleichung
- Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)6-x(CO&sub3;)x(OH)2-y(CO&sub3;)y
- beschrieben wird, wobei wenigstens 50% der CO&sub3;²&supmin; substituiert an der B-Stelle der Hydroxylapatitstruktur vorliegen.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung einer einphasigen, Carbonat-substituierten
Hydroxylapatitzusammensetzung, wobei das Verfahren die Schritte
(i) Herstellen einer wässrigen Lösung, die CO&sub3;²&supmin;- und PO&sub4;³&supmin;-Ionen
und im Wesentlichen keine Kationen außer H&spplus;- und Ca²&spplus;-Ionen
enthält;
(ii) Mischen der Lösung aus Schritt (i) mit einer wässrigen Lösung
oder Suspension einer Calciumverbindung; und
(iii) Sammeln und Trocknen des in Schritt (ii) gebildeten Präzipitats;
umfasst, wobei das Verhältnis von Ca/P in der Calcium-enthaltenden
Lösung oder Suspension und der Phosphor-enthaltenden Lösung,
wenn diese zusammengemischt werden, oberhalb 1,67 gehalten
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wässrige Lösung aus Schritt
(i) durch Einleiten von CO&sub2; durch Wasser, um eine Lösung aus
Kohlensäure zu erhalten, und dann durch Zugabe von H&sub3;PO&sub4; dazu
hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kohlensäurelösung vor der
Zugabe von H&sub3;PO&sub4; einen pH von etwa 4 aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lösung aus
Schritt (i) tropfenweise unter Rühren zu der wässrigen Lösung oder
Suspension der Calciumverbindung gegeben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine
Calciumnitratlösung oder eine Calciumhydroxidsuspension in Schritt
(ii) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei CO&sub2;
durch die Lösung aus Schritt (i) während des Mischschrittes (ii)
durchgeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Verhältnis von Ca/P in der Calcium-enthaltenden Lösung oder
Suspension und der Phosphor-enthaltenden Lösung, wenn diese
zusammengemischt werden, in dem Bereich von oberhalb 1,67 bis
1,76 liegt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
getrocknete Präzipitat aus Schritt (iii) bei einer Temperatur in dem
Bereich von 700ºC bis 1200ºC in Kohlendioxid, das 0,001 bis
0,10 Gramm Wasser pro Liter Gas enthält, calciniert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
kohlensäurehaltige Hydroxylapatitzusammensetzung bis zu 5 Gew.-%
CO&sub3;²&supmin;-Ionen umfasst.
10. Einphasige, Carbonat-substituierte Hydroxylapatitzusammensetzung
mit einem molaren Ca/P-Verhältnis von größer als 1,67, die bis zu 5
Gew.-% CO&sub3;²&supmin;-Ionen umfasst, die substituiert an den B(PO&sub4;)-Stellen
oder den B- und A-Stellen der Hydroxylapatitstruktur vorliegen, wobei
wenistens 50% der CO&sub3;²&supmin;-Ionen substituiert an der B-Stelle
vorliegen, und welche keine Na&spplus;- oder NH&sub4;&spplus;-Ionen enthält.
11. Einphasiger, Carbonat-substituierter Hydroxylapatit nach Anspruch
10, der von 3 bis 5 Gew.-% CO&sub3;²&supmin;-Ionen umfasst, die substituiert an
der B(PO&sub4;) Hydroxylapatitstruktur vorliegen.
12. Einphasiger, Carbonat-substituierter Hydroxylapatit nach Anspruch 10
oder Anspruch 11, wobei von 50 bis 85% der CO&sub3;²&supmin;-Ionen
substituiert an der B-Stelle vorliegen.
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