RO133124B1 - Nanomateriale pe bază de hidroxiapatită multisubstituită şi procedeu de obţinere a acestora - Google Patents

Description

RO 133124 Β1

Invenția se referă la o nouă clasă de nanomateriale pe bază de hidroxiapatită multisubstituită, având activitate biologică mărită, utilizate în scopuri biomedicale în stomatologie.

Invenția se referă la procedee de fabricare a nanomaterialelor.

Se cunoaște din articolul C. L. Garbo, “Cercetarea și dezvoltarea unor nanostructuri de interes biologic și biomedical” Cluj Napoca, 2016, o sinteză de patru pulberi de HAP substituite cu silicat, cu 0,47; 2,34; 4,67; și 9,34% Si liofilizate și apoi calcinate la 650°C timp de 1 h, precum și sinteza de nanopulberi sintetice de hidroxiapatite multsubstituite conținând Mg²⁺, Zn²⁺, Sr²⁺, și Si în rețeaua hidroxiapatitei printr-o metodă chimică umedă. Parametrii procedului sunt stabiliți pentru a permite substituirea simultană cu acești ioni în locul calciului ca și al grupelor fosfat și OH . Cele 4 noi hidroxiapatite au fost HAP complex, HAP-1,5 Mg²⁺-0,2% Zn²⁺-0,2% Si; HAP cu 5% Sr²⁺, HAP cu 10% Sr²⁺, alături de HAP pură. HAP multisubstituite prezintă avantajul de a prelua efectul in vivo al elementelor multi-substituiente, structura și proprietățile HAP pure. Materialele multisubstituite sunt biocompatibile, netoxice, osteoconductive, ne-imunogenetice, ne-inflamatoare, și bioactive având capacitatea de a se integra în țesutul viu.

Se cunosc din articolul P. Frangopol, A. Mocanu, V. Almașan, C. Garbo, R. Balint, G. Borodi, I. Bratu, O. Horovitz, M. Tomoaia, Cotisel “Synthesis and structural characterisation ofstrontiumsubstitutedhydroxyapatites”, Academia Română, revue Roumaine de Chemie, 2016, 61(4-5), 337-344, nanohidroxiapatite substituite cu stronțiu. Procedeul de preparare a acestora constă din obținerea a două soluții care apoi se mixează ultra rapid la temperatura camerei. Prima soluție constă din 0,25 M (Ca²⁺, Sr²*) sau (Ca²⁺ + Sr²*) se dizolvă în apă ultrapură, se adaugă o-toluidină în proporție de 8% din masa finală de produs obținut.Se mai adaugă 25% soluție de amoniac, pentru a se obține un pH de 8,5. A doua soluție se obține din soluție 0,15 M PO₄ ³, adăugându-se la aceasta EDA și otoluidină în proporție de 8% din masa finală de produs obținut. Se mai adaugă 25% soluție de amoniac, pentru a se obține un pH de 11,5. Materialul obținut se poate folosi în ingineria biomedicală, în special în ortopedie și aplicații dentare.

Din brevetul RO 125817 B1 se cunosc nopulberi bioactive, utilizate în reconstrucții osoase, și un procedeu de obținere a acestora. Nanopulberile sunt sub formă de particule omogene din punct de vedere chimic și structural, cu grad ridicat de cristalinitate și diametru mai mic de 50 nm, în care ionii substituenți sunt 0,75...2% Mg²⁺, 0,01...0,5% Zn²⁺ și 0,01...0,5% SiO2. Procedeul constă din precipitarea unei suspensii de hidroxiapatită în emulsie, sub agitare intensă la o temperatură de 4O...8O°C și o valoare pH de 9,5...11,5, la un raport fază anorganică:fază organică de 1:2.. .4 dintr-o emulsie care conține săruri solubile de Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, SiO4 și PO₄ ³, separarea precipitatului, redispersarea în apă, adăugând în proporție de 0,1...0,5% fenol etoxilat și zer din lapte de vacă (Z), ca agent de dispersare, într-un raport de 1:1,5...2 m/m, separarea precipitatului, redispersarea sa într-un raport 1:100...150 în apă, adăugarea de acid poliacrilic ca agent antisinterizare și Ca(OH)₂ pentru precipitare, în final precipitatul fiind tratat termic la o temperatură de 600...1300°C, cu îndepărtarea urmelor de CaO și compuși organici.

Hidroxiapatită (HAP, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), component de bază al părții anorganice a dinților (smalț, dentină), este un material fără toxicitate, cu bune proprietăți în ceea ce privește bioactivitatea, compatibilitatea și aderența cu țesuturi vii, motiv pentru care este frecvent utilizată în scopuri biomedicale.

Necesitățile practice impun materiale cu proprietăți specifice care să răspundă cât mai bine scopului urmărit, cum ar fi implanturi dentare, ciment endodontic, paste pentru remineralizarea smalțului dentar și prevenirea cariilor, paste sau dispersii pentru tratamentul hipersensibilității dentare și prevenirea gingivitei. Ca urmare, propunerea are în vedere elaborarea de noi materiale, precum și a metodelor avansate de preparare a acestora.

RO 133124 Β1

Proprietățile biomedicale ale hidroxiapatitei pot fi substanțial îmbunătățite prin 1 modificarea compoziției chimice și a structurii morfologice, care se realizează prin controlul parametrilor de reacție și a parametrilor de procesare prin maturarea suspensiilor de HAP 3 obținute, precum și a parametrilor pentru tratamentul ulterioral produselor, și anume uscarea prin liofilizare și tratamentul termic prin calcinare. Modificările în compoziția chimică și 5 morfologia produșilor, corelate cu proprietățile biologice, sunt favorizate de capacitatea hidroxiapatitei de a accepta cu ușurință în rețeaua ei cristalină substituenți, atât pentru ionii 7 de Ca²⁺ cât și pentru cei de PO₄ ³'. Capacitatea HAP de a adsorbi pe suprafață sau a include în structura ei diferiți ioni, facilitează prepararea nanomaterialelor cu activitate biologică 9 sporită.

Pentru ca nanomaterialele sintetizate să corespundă scopurilor urmărite, ele trebuie 11 să îndeplinească anumite condiții, printre care: să fie formate din nanoparticule de formă și dimensiune controlată, să posede un anumit grad de cristalinitate și o anumită porozitate 13 specifică, să nu fie toxice, să fie bioactive și biocompatibile, asigurându-se astfel o eficientă integrare a acestora în țesuturile biologice, fără să provoace reacții și fenomene de 15 respingere. Eliberarea ionilor substituenți din structura HAP trebuie să confere abilitate sporită de stimulare a celulelor formatoare de os și să asigure creșterea țesutului osos, mai 17 ales pentru intervențiile maxilo faciale, precum și pentru refacerea alveolei dentare, remineralizarea smalțului, repararea dentinei și a rădăcinii dentare. 19

Deși ionii substituenți intră în proporție mică în structura HAP, prezența lor conferă materialelor, proprietăți biologice, fiziologice și mecanice specifice, astfel încât în final se 21 realizează structura și biochimia osului natural. Este de dorit ca prin natura lor, ionii substituenți din structura HAP să confere materialelor proprietăți biologice favorabile, asi- 23 gurându-se o viteză sporită de regenerare a țesutului osos la parametrii fizico-chimici ai osului natural, ceea ce determină reducerea perioadei de refacere a pacienților, în condițiile 25 micșorării probabilității de infecție.

Sunt cunoscute biomateriale pe bază de HAP în care ionii de Ca²⁺ sunt parțial 27 substituiți cu cei de Mg²⁺, Zn²⁺, sau Sr²⁺, iar ionii de PO4³' sunt substituiți parțial cu SiO4⁴/ iar OH cu F . Se obține și HAP parțial carbonatată, conținând ioni CO₃ ². 29

Lipsa ionilor de Mg²⁺ în structura HAP conferă acesteia o mai mare solubilitate accelerându-se astfel procesul de integrare și regenerare a osului natural. Lipsa ionilor de 31 Mg²⁺ din structura HAP afectează procesele fiziologice din metabolismul osos prin faptul că provoacă fragilitate. Există totuși o limită superioară a raportului molar Mg²⁺:Ca²⁺ care nu 33 trebuie să depășească valoarea Mg²⁺:Ca²⁺ = 0,25:1 pentru a menține structura HAP.

Un element esențial în compoziția hidroxiapatitei este zincul. Ionii Zn²⁺ se regăsesc 35 în compoziția HAP biologic în proporție de 0,01...0,02% g și au efect stimulator asupra formării țesutului osos și un efect antiinfiamator. Mai mult, prezența ionilor de zinc în masa 37 de reacție în timpul operației de precipitare determină inhibarea procesului de creștere a cristalitelor, prin aceea că clusterii de fosfat de zinc formați se adsorb la suprafața cristalitelor, 39 blocând astfel depunerea ionilor de Ca²⁺ și PO₄ ³ și implicit creșterea lor.

Ionii de Sr²⁺ aduc un aport esențial în dezvoltarea sistemului osos, stimulând activita- 41 tea osteoblastelor, celule formatoare de țesut osos; un alt efect benefic constă în refacerea smalțului dentar. De asemenea, au un efect antibacterian. 43

Un rol foarte important în structura țesutului osos îl joacă ionii de SiO₄ ⁴. Substituția parțială a ionilor PO4³ cu SiO4⁴ determină formarea legăturilor siloxan -O-Si-O- ceea ce 45 conduce la un material cu o suprafață specifică și porozitate mare, creându-se astfel condiții optime de proliferare și creștere a osteoblastelor și refacerea sistemului osos maxilar. în 47 plus, prezența ionilor de SiO₄ ⁴ în compoziția HAP determină formarea unui număr mare de

RO 133124 Β1 grupări silanol -Si-OH ceea ce, coroborat cu porozitatea ridicată a materialului, conduce la o intensificare a proceselor biologice, prin care se dezvoltă matricea organică a țesutului osos. Totodată, prin intermediul grupărilor OH de pe suprafața materialului se realizează și o bună adeziune celulară a HAP cu partea organică a osului.

Cu toate că există o gamă largă de biomateriale destinate aplicațiilor medicale pentru refacerea țesuturilor osoase, totuși continuă cercetările în direcția elaborării de noi biomateriale nanostructurate de compoziție controlată, precum și pentru perfecționarea procedeelor de fabricație, care în final să conducă la produse cu proprietăți identice sau cât mai apropiate osului natural: scara „nano a materialului, cristalinitate ridicată, bună adeziune și biocompatibilitate cu țesuturile vii, precum și lipsa citotoxicității.

Sinteza HAP se realizează curent după procedee ce pot fi împărțite în trei mari grupe: a) metoda precipitării, b) metoda sol-gel, sau c) reacție în faza solidă. Datorită multiplelor avantaje, metoda precipitării este cea mai des utilizată și ca urmare această cale de preparare este de cea mai mare perspectivă, întrucât utilizează reactivi ieftini, ușor accesibili: o sare solubilă de Ca²⁺ (azotat, acetat), iar ca sursă de ioni PO₄ ³ se folosesc săruri solubile ale acidului ortofosforic (fosfați de amoniu, sodiu sau potasiu). Sinteza se realizează la un pH de 9,5...12 al mediului de reacție ce poate fi realizat prin adaos de soluții de amoniac, hidroxid de sodiu sau de potasiu.

Metoda precipitării, deși larg răspândită, prezintă multiple dezavantaje care derivă în principal din modul defectuos de contactare a reactanților, ceea ce are ca rezultat formarea unui material polifazic format din fosfatii prezentați în tabelul 1, compuși care ulterior sunt foarte greu sau chiar imposibil de a mai fi transformați în HAP.

Un rol hotărâtorîn procesul de cristalizare, implicit cel de obținere a nanomaterialelor, îl joacă fenomenele de nucleație și de creștere a cristalelor. Mărimea finală a particulelor și forma cristalitelor este în strânsă legătură, atât cu raportul dintre viteza de nucleație și de creștere a cristalitelor, cât și cu prezența surfactanților, în procesul tehnologic utilizat.

Atât viteza de nucleație cât și cea de creștere a cristalitelor depind în mod hotărâtor de gradul de suprasaturare al soluției în componentul ce ia naștere, precum și de temperatura la care are loc reacția chimică. Vitezele celor două procese, de nucleație și creștere a cristalitelor, se desfășoară după legități și viteze diferite în funcție de parametrii de lucru. Acesta este motivul pentru care temperatura în timpul reacției de precipitare joacă un rol determinant asupra mărimii finale a cristalitelor, care se asociază în particule și vor determina gradul de cristalinitate al produsului de reacție.

Prin metodele actuale de preparare nu pot fi controlate vitezele celor două procese elementare: nucleația și creșterea cristalitelor. Solubilitatea foarte mică a produșilor de reacție (tabelul 1) determină grade de suprasaturare mari, de ordinul γ > 10⁵, ceea ce face ca viteza de nucleație să depășească mult viteza de creștere a cristalitelor. Se creează astfel condițiile pentru formarea unui mare număr de germeni cu raza r mai mica decât raza critica r < rcr, germeni care sunt instabili din punct de vedere termodinamic și care în timpul operațiilor ulterioare de maturare și spălare se dizolva depunându-se pe cristalitele cu r > rcr care astfel cresc. Un dezavantaj al actualelor procedee de preparare a nanoparticulelor de HAP derivă din modul defectuos de contactare a reactanților care se face în regim discontinuu prin adăugarea soluției ce conține ionii PO4³ peste cea care conține ionii Me²⁺ ceea ce determină ca raportul Ca²⁺:PO4³ în masa de reacție să varieze continuu, aflându-se tot timpul în afara raportului molar stoechiometric Ca²⁺: PO₄ ³ = 1,67. Prin metodele actuale de preparare rezultă materiale care nu corespund calitativ, atât din punct de vedere a compoziției chimice cât și fazale a cristalitelor: mărime la scara nano a cristalitelor și structura omogenă.

RO 133124 Β1

Problemele tehnice pe care le rezolvă invenția se referă la:1

- elaborarea de noi sorturi de nanomateriale pe bază de HAP și HAP multisubstituită în care ionii PO₄ ³ sunt parțial înlocuiți cu SiO₄ ⁴ iar cei de Ca²⁺ parțial inlocuiti cu Mg²⁺, Zn²⁺,3

Sr²⁺;

- procedee de preparare și obținere a acestor nanomateriale.5

Nanomaterialele pe bază de hidroxiapatită multisubstituită înlătură dezavantajele de mai sus, prin aceea că, ionii de Ca²⁺ sunt substituiți cu Mg²⁺, Zn²⁺ si Sr²⁺, ionii de PO₄ ³' si OH'7 cu SiO₄ ⁴', și care conțin 0,15...5 % Mg²⁺; 0,01...20% Zn²⁺; 1...40% Sr²⁺; 0,1...4% Si, procente de masă, sub formă de suspensie apoasă, sau pulberi formate din nanocristalite cu structura9 de hidroxiapatită și dimensiunile 10...25 nm, iar cea a particulelor de 15...70 nm. Procedeul de preparare a nanomaterialelor pe bază de hidroxiapatită multisubstituită cuprinde urmă- 11 toarele etape: precipitarea chimică, în condiții de amestecare foarte rapidă, a reactanților cu rapoartele Ca²⁺:Mg 1:0,15; Ca²⁺:Zn²⁺ 1:0,005, Ca^Sr²* 1:0,04 și un conținut de 0,2% Si, în 13 prezența de 0,1.. .2% asparagină adăugată în soluția cu ionii de PO₄ ³, maturare la un pH de 9,5...12 și la temperatura de 7O...12O°C, de preferință 80...100°C, timp de 8...24 h, uscarea 15 prin liofilizare la presiune de 5.. .25 x 10'³ torr și temperatura de -35.. ,-45°C, după o prealabilă înghețare bruscă a turtei de nanomaterial cu azot lichid, la temperatura de -70...-100°C, 17 mărunțirea și calcinarea turtei de precipitat obținute ca și produs final.

Prezența ionilor substituenți în structura HAP determină obținerea unor nanomateriale 19 care catalizează procesele biologice prin care nutrienții sunt transformați în produși specifici țesutului osos. Introducerea ionilor de Sr²⁺ în compoziția nanomaterialelor pe bază de HAP, 21 alături de Mg²⁺, Zn²⁺ permite obținerea de materiale utilizabile în stomatologie, cu efect în prevenirea cariilor, în diminuarea durerilor gingivale și refacerea smalțului dentar. Factorul 23 determinant privind rolul Sr²⁺ în structura osului îl constituie inhibarea procesului de resorbție, prin aceasta reducându-se substanțial fenomenul de osteoporoză. 25

Conform invenției, nanomaterialele utilizate în scopuri biomedicale sunt formate din

HAP, HAP multisubstituită în care ionii de Ca²⁺ sunt parțial înlocuiți cu Mg²⁺, Zn²⁺, Sr²⁺ iar cei 27 de PO4³ cu SiO4⁴\ Aceste biomateriale conțin 0,15...5% g Mg²⁺; 0,01...20% g Zn²⁺; 1...40% g Sr²⁺; 0,1...4% g Si. Nanomaterialele rezultate se prezintă sub formă de suspensii sau 29 nanopulberi cu structura cristalină formate dintr-o singură fază cea corespunzătoare HAP, cu dimensiuni ale cristalitelor 5...50 nm iar cea a particulelor de 15...70 nm. 31

Procedeul de preparare a nanomaterialelor pe bază de HAP parțial substituită cu ioni de Mg²⁺, Zn²⁺, Sr²⁺, SiO4⁴ și CO3² conform invenției, constă în precipitarea chimică în 33 condiții de amestecare foarte rapidă a reactanților, în raportul molar stoechiometric corespunzător structurii de HAP:Ca10(PO4)6(OH)2, adică Ca²7PO4³ = 5/3. 35 în acest scop se utilizează un sistem de contactare a reactanților într-un tip de reactor la care fluxurile cu cele două soluții, cu cationi și anioni, se ciocnesc sub formă de jeturi, într- 37 un tub în formă de „Y sau „T, (fig. 1a, fig. 1b), ceea ce asigură formarea amestecului de reacție la raportul Me²⁺:PO₄ ³ =1,67 într-un timp foarte scurt: 0,05...1 sec, de preferință 39 0,1...0,5 sec. Viteza de amestecare a reactanților mai mare decât viteza de nucleație asigură condițiile formării amestecului la raportul stoechiometric corespunzător HAP în tot volumul 41 masei de reacție rezultând astfel un produs unitar lipsit de fosfații tetra sau octacalcic, produși posibil a se forma în condițiile de lucru, produși care ulterior cu greu sau chiar 43 imposibil mai pot fi transformați în HAP.

Mărimea și forma cristalitelor produsului obținut sunt controlate prin intermediul 45 parametrilor de lucru la care se realizează reacția de precipitare: temperatura de preferință -2...25°C; temperatura și durata maturării aplicate 7O...12O°C de preferință 80...100°C timp 47 de 8.. .24 h, precum și prin intermediul surfactanților adăugați în masa de reacție (asparagina, nonilfenol etc), în proporție de 0,01...2%, de preferință 0,5...1% față de HAP. 49

RO 133124 Β1

Conform invenției sunt înlăturate dezavantajele materialelor existente prin aceea că elementele substituente se regăsescîn nanomaterial în procente de masă de: Mg²⁺ 0,15...5, Zn²⁺ 0,01...20, Sr²⁺1...- 40, și 0,1...- 4 Si.

Procedeul de fabricare a nanomaterialelor pe bază de HAP multisubstituită, conform invenției, constă în efectuarea reacției de precipitare într-un reactor (fig. 1) la care contactarea reactanților se face prin ciocnirea frontală a celor două fluxuri materiale, soluția A respectiv soluția B, la concentrații și debite astfel calculate încât ionii să se regăsească în proporția stoechiometrică a materialului dorit. Soluția A conține cationii sub formă de săruri M_eA₂, în care A¹ reprezintă unul din anionii: NO , CH3 - COO , cu concentrație cuprinsă în intervalul 0,05 - 0,74 M, de preferință 0,1 - 0,35 M; soluția B conține ionii PO4³ cu concentrația 0,02 - 0,35 M, de preferință 0,1 - 0,13 M, alături de care se regăsesc precursori ai ionilor SiO4⁴, care să asigure o proporție de 0,1 - 4% și din materialul final rezultat.

Controlul procesului de nucleație și creștere a cristalitelor se face prin intermediul temperaturii celor două fluxuri în etapa de contactare a reactanților care este cuprinsă între -2...25°C, durata și temperatura în timpul maturării care variază între 8...72 h, de preferință 12...18 h, respectiv 5O...12O°C, de preferință 7O...8O°C. Formarea altor faze alcătuite din fosfați tri, tetra și octacalcici este evitată datorită timpului foarte scurt pentru amestecarea în proporție stoechiometrică a reactanților, care variază în limitele 0,05...1 sec, de preferință 0,1...0,55 sec precum și prin intermediul pH-ului celor două fluxuri: pH = 6,5...9,5 pentru soluția cu ionii de Ca²⁺ și pH = 10...11,5 pentru soluția ce conține ionii de PO₄ ³.

Conform invenției, agregarea cristalitelor și aglomerarea particulelor în timpul operației de uscare se evită prin răcirea bruscă cu azot lichid la temperatura -70...-100°C a turtei de precipitat rezultate după spălare, iar apa rămasă în precipitat este eliminată prin refiltrare rezultând o turtă cu umiditatea 20...80%, care se elimină prin liofilizare la t = -3O...-5O°C și presiunea (5...25) · 10 ³ torr (0,67...3,33 Pa).

în continuare se dau exemple de realizare a invenției.

Exemplul 1 într-un vas de 5 L se prepară o soluție cu concentrația 0,25 M ce conține ionii: Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Sr^în raport molar: Ca²⁺: Mg²⁺ = 1:0,15; Ca ²⁺:Zn²⁺ = 1:0,005; Ca²⁺: Sr²⁺ = 1:0,04 (soluția A).

Separat se prepară soluția B (5 L) conținând fosfat diamoniacal (NH₄)₂HPO₄ cu concentrația 0,15 M, al cărei pH este adus în limitele 10,5...11,5 prin adăugare de amoniac, soluție de 25%. Drept sursă pentru ionii de SiO₄ ⁴ s-a utilizat 2,6 g TEOS (tetraetoxisilan) diluat în prealabil în 0,1 L alcool (metilic, etilic sau propilic). După diluare în alcool, soluția TEOS a fost introdusă în 0,25 L apă distilată, apoi amestecată cu soluția de fosfat de amoniu. în alt vas s-au dizolvat 0,5 g asparagina în 0,25 L apă distilată. După dizolvarea completă a asparaginei, soluția rezultată a fost introdusă peste soluția de fosfat de amoniu, amoniac, TEOS, rezultând în final 5 I de soluție B.

Soluțiile astfel preparate, cea care conține ionii metalici respectiv cea cu ionii de PO₄ ³ și SiO4⁴ au fost aduse în contact sub formă a două jeturi care s-au ciocnit frontal întrun reactor în formă de tub „Y (fig. 1) asigurându-se astfel o amestecare foarte rapidă, 0,1...0,5 s. Proporția stoechiometrică a reactanților s-a realizat utilizând debite egale ale fluxurilor dar concentrații diferite. Temperaturile celor două fluxuri au fost aceleași 20.. ,25°C. Suspensia formată a fost colectată într-un reactor prevăzut cu agitator și manta de încălzire în vederea maturării, care s-a realizat în două etape: 24 h la temperatura camerei și 8 h la temperatura de 6O...7O°C. După maturare, suspensia rezultată a fost filtrată pe pâlnie BCichner iar precipitatul de HAP a fost spălat cu apă distilată până la lipsa din filtrat a ionilor NO3. Turta de precipitat obținută după spălare a fost răcită brusc cu azot lichid, apoi dezghețată și refiltrată. Materialul astfel preparat a fost liofolizat (5...25) · 10'³torr(0,67...3,33 Pa) și temperatura de -35...-45°C până ce întreaga cantitate de apă a fost eliminată.

RO 133124 Β1

Materialul a fost mărunții (dezintegrat) într-un mojar de agat.1

Rezultă un material pulverulent de culoare albă care după calcinare timp de 8 h la temperatura 850°C are caracteristicile din tabelul 2 confirmate de spectrul FTIR (fig. 2),3 difractograma XRD (fig. 3).

Pulberea cu caracteristicile indicate este destinată acoperirilor în plasmă, cu un strat 5 aderent de HAP multisubstituită, a implantelor stomatologice din titan.

Exemplul 27 într-un vas de 5 L se prepară o soluție cu concentrația 0,25 M ce conține ioni de Ca²⁺ și Sr²⁺ în raport molar Ca^Sr²* = 1:0,089

Separat, într-un vas tot de 5 L, se prepară o soluție de fosfat diamoniacal cu concentrația de 0,15 M al cărei pH este adus în limitele pH de 10,5...11,5 prin adăugare de 11 amoniac, soluție 25%. în vederea preparării a 10 g rășină ureoformaldehidică, se adaugă uree (U) și formaldehida (F), în raportul de masă U:F = 1:1,3, în soluția ce conține ionii PO₄ ³. 13

Soluțiile astfel preparate au fost contactate, sub forma a două jeturi care se ciocnesc frontal într-un tub în formă de „Y” sau „T” ceea ce asigură un timp de amestecare foarte scurt 15 0,1 ...0,5 s, evitându-se astfel nucleația eterogenă secundară care conduce la formarea unui amestec polifazic. Suspensia rezultată este colectată într-un reactor prevăzut cu agitator și 17 manta de încălzire unde se menține 24 h la temperatura camerei, după care se încălzește la 8O...9O°C timp de 8 h. în timpul maturării la temperatura de 8O...9O°C are loc procesul de 19 formare a rășinii prin policondensare, acoperind astfel particulele de HAP formate. Suspensia rezultată este filtrată pe pâlnie BCichner, precipitatul este spălat în continuare de trei ori cu 21 apă distilată până la îndepărtarea completă a ionilor NO₃'. Turta de precipitat după spălare este înghețată brusc cu azot lichid, menținută 5 h la 2...-5°C în vederea lichidării 23 suprasaturației, când urmele de ioni de PO₄ ³, Ca²⁺ și Sr²⁺ rămași în soluție se depun pe suprafața exterioară a particulelor de HAP acoperite deja cu rășină. Se blochează astfel 25 fenomenul de asociere și aglomerare a cristalitelor în timpul operației de uscare. După dezghețarea turtei de precipitat, materialul se refiltrează, rezultând o turtă cu umiditatea de 27 circa 80% care este supusă uscării în etuvă la temperatura 11O...12O°C. în final materialul rezultat este supus operației de mărunțire într-o moară cu bile apoi calcinat timp de 8 h la 29 temperatura de 850°C.

Rezultă o pulbere formată din HAP cu 6,2% g Sr²⁺, ale cărei caracteristici sunt 31 prezentate în tabelul 2, confirmate de măsurătorile obținute prin spectrul FTIR (fig. 5), difractograma XRD (fig. 6). 33

Materialul cu caracteristicile arătate este destinat utilizării în stomatologie, la prepararea cimenturilor dentare și a pastelor de dinți. 35

Exemplul 3 într-un vas de 5 L se prepară o soluție 0,25 M Ca²⁺ (azotat) al cărei pH este adus în 37 limitele 7,5...8,5 prin adăugare de NH₃, soluție 25%. Separat, în alt vas de 5 L se prepară o soluție de fosfat diamoniacal, căreia i se adaugă NH₃, soluție 25% până lapH de 10,5...11,5. 39

Soluțiile astfel preparate au fost contactate sub formă a două jeturi care se ciocnesc frontal într-un tub „Y sau „T, asigurându-se asfel un timp foarte scurt de amestecare 0,1 ...0,5 sec 41 ceea ce asigură o amestecare rapidă a reactanților la o valoare a raportului molar stoechiometric caracteristic HAP:Ca²⁺:PO₄ ³ = 1,67. Rezultă o suspensie formată din particule de 43 HAP cu structura predominant amorfă, care este colectată într-un reactor prevăzut cu agitator și manta de încălzire, unde este menținută 24 h la temperatura camerei. în continuare 45

RO 133124 Β1 se ridică temperatura la 7O...8O°C, unde este menținută timp de 8 h pentru desăvârșirea procesului de integrare a ionilor în rețeaua specifică hidroxiapatitei (avansarea procesului de cristalizare). După maturare suspensia este filtrată pe pâlnie BCichner iar precipitatul este spălat cu apă distilată până la lipsa ionului NO₃. Turta de precipitat obținută după spălare este înghețată rapid cu azot lichid, ceea ce determină o lichidare rapidă a suprasaturației, evitându-se astfel creșterea particulelor în timpul operațiilor de uscare și calcinare. Turta de precipitat după dezghețare este refiltrată, apoi este supusă uscării prin liofilizare la P = (5...25) · 10 ³ torr (0,67...3,33 Pa) și temperatura t = -25...-35°C. Uscarea finală a materialului se realizează la temperatura 100...105°C.

Se obține o pulbere formată din HAP cu raportul molar Ca²⁺:PO₄ ³ = 1,67 ale cărei caracteristici prezentate în tabelul 2, sunt confirmate prin măsurători FTIR (fig. 7), difractograma XRD (fig. 8) și analiza BET (fig. 9).

Materialul rezultat este utilizat la formularea unor paste de dinți pentru remineralizarea smalțului și prevenirea cariilor.

Exemplul 4

Se prepară 5 I de soluție apoasă cu concentrația 0,25 M, care conține ionii de Ca²⁺ și Zn²⁺ în raport molar Ca²⁺:Zn²⁺ = 1:0,19.

Separat se prepară 5 I soluție apoasă de fosfat diamoniacal cu concentrația de 0,15 M, în care se adaugă L-asparagină în concentație de 0,1 g/L, iarpH-ul soluției se aduce la valoarea 11,5 prin adăugare de soluție de amoniac 25%.

Soluțiile astfel preparate au fost contactate sub formă a două jeturi care se ciocnesc frontal într-un tub „Y” sau „T”, asigurându-se asfel un timp foarte scurt de amestecare 0,1...0,5 sec ceea ce asigură o amestecare rapidă a reactanților la o valoare a raportului molar stoechiometric caracteristic HAP, Ca²⁺:PO4³ = 5:3. Rezultă o suspensie, care este colectată într-un reactor prevăzut cu agitator și manta de încălzire, unde este menținută 24 h la temperatura camerei. în continuare se ridică temperatura la 70°C, unde este menținută timp de alte 24 h pentru desăvârșirea procesului de integrare a ionilor în rețeaua specifică hidroxiapatitei (avansarea procesului de cristalizare). După maturare suspensia este filtrată pe pâlnie BCichner iar precipitatul este spălat cu apă distilată până la lipsa ionului NO3. Turta de precipitat obținută după spălare este înghețată rapid cu azot lichid, ceea ce determină o lichidare rapidă a suprasaturației, evitându-se astfel creșterea particulelorîn timpul operațiilor de uscare și calcinare. Turta de precipitat după dezghețare este refiltrată, apoi este supusă uscării prin liofilizare la P = (5...25) · 10 ³ torr (0,67...3,33 Pa) și temperatura t = -25...-35°C.

După măcinare într-o moară cu bile se obține o pulbere albă, cu caracteristicile prezentate în tabelul 2, confirmate prin imagini TEM (fig. 10), difractograme de raze X (fig. 11), spectrul FTIR (fig. 12) și analiza BET (fig. 13).

Materialul cu caracteristicile arătate este destinat utilizării în stomatologie, la prepararea cimenturilor dentare și a pastelor de dinți.

Exemplul 5

Se procedează la fel ca la exemplul 4, doar că prima soluție conține, pe lângă ionii de Ca²⁺ și Zn²⁺, ioni de Sr²⁺, în concentrație totală (Ca+Zn+Sr) de 0,25 M și în rapoartele molare Ca²⁺:Zn²⁺ = 1:0,12; Ca²⁺:Sr²⁺ = 1:0,04.

Se obține o pulbere de hidroxiapatită substituită cu zinc și stronțiu, având caracteristicile prezentate în tabelul 2 și ilustrate prin fig. 14-17.

RO 133124 Β1

Solubilitatea compușilor din sistemul PO₄ ³ - Ca²⁺ rezultați în timpul precipitării; 1

K_sp reprezintă produsul de solubilitate

Tabelul 1 3

Raportul molar Ca/P	Fosfați de calciu	Formula chimică	Solubilitatea 25°C, -iog(Ksp)
0,5	Fosfat monocalcic - monohidrat (MCPM)	Ca(H2PO4)2 · H2O	1,14
0,5	Fosfat monocalcic - anhidru (MCPA)	Ca(H2PO4)2	1,14
1,0	Fosfat dicalcic - dihidrat (DCPD, Brushit)	CaHPO4 · 2H2O	6,59
1,0	Fosfat dicalcic - anhidru (DCPA, Monetit)	CaHPO4	6,90
1,33	Fosfat octacalcic (OCP)	Ca8(HPO4)2(PO4)4 · 5H2O	96,6
1,5	a - Fosfat tricalcic (a -TCP)	a - Ca3(PO4)2	25,5
1,5	β - Fosfat tricalcic (β -TCP)	β-θ33(ΡΟ4)2	28,9
1,2-2,5	Fosfat calcic amorf (ACP)	Cax(PO4)y · nH2O	25-33
1,5-1,67	Hidroxiapatită cu deficit de calciu (CDHA)	θ 910-2x(P OJ 6-x(O ) 2-x	85
1,67	Hidroxiapatită stoechiometrică	Ca10(PO4)6(OH)2	116,8
2,0	Fosfat tetracalcic (TTCP)	Ca4(PO4)2O	38-44

Caracteristicile fizico-chimice ale materialelor preparate conform exemplelor 1-5

Tabelul 2

Nr. probă	Dimensiune cristalite (nm)	Grad de cristal in itate (%)	Suprafața specifică (m2/g)	Volumul specific al porilor (cm3/g)	Compoziție % masa
Ex. 1	50,2	76,02	11,9	0,01391	Ca 33,54 Mg 3,05 Zn 0,27 Sr2,94 Si 0,28 P 18,28
Ex. 2	55	79,5	17,6	0,027	Ca 35,69 Sr6,24 P 17,87
Ex. 3	18,2	55	85,3	0,344	Ca 39,89 P 18,51
Ex. 4	21,3	33,9	139,7	0,436	Ca 32,22 Zn 10,00 P 17,78
Ex. 5	24,9	38,2	108,4	0,385	Ca 33,00 Zn 6,46 Sr2,89 P 17,74

RO 133124 Β1

Bibliografie

1. M. Frache-Botton, Z. Hatim, M. Lacout, EP 0984902 B1/2002, Procede de preparation d'un biomateriau â base d'hydroxyapatite, biomateriau obtenu et application chirurgicale ou dentaire.

2. H. Aoki, M. Aoki, H. Aoki, US6358494 B1/2002, Compositetoothpasteproducts.

3. R. Riman, W. Suchanek, P. Shuk, K.TenHuisen, C. Chen, Brev. US 20050186249 A1/2005, Magnesium-substituted hydroxypatites.

4. P. Li, US 8067069 B2/2011, Strontium-substituted apatite coating.

5. E. Landi, A. Tampieri, G. Celotti, S. Sprio, D. Pressato, C. DeLuca, Brev. Internat. Pat. No. 045954 A1/W0 2007, A plurisubstituted hydroxyapatite and the composite thereof with a natural and/or synthetic polymer, theirpreparation and uses thereof’.

6. P. Luo, US 0190102 A1/2007, Method of preparing hydroxyapatite based drug delivery implant for infection and cancer treatmenf'.

7. J. Ehrenkranz, N. Chevreau, C. Walker, US 0218111 A1/2007, Strontium compositions forbones.

8. R.Z. LeGeros, J. LeGeros, D. Mijares, US 20090068285 A1/2009, Calcium phosphate-based materials contai ning zinc, magnesium, fluoride and carbonate.

9. R. Wenz, US 7758693 B2/2010, Strontium-apatite cementpreparations, cements formed therefrom, and uses thereof’.

10. F. Cui, US 0082105 A1/2010, Hydroxyapatite ceramic for spinal fusion device.

11. F. O'Brien, J. Gleeson, N. Plunkett, EP 2517738 A1/2012, A collagen/ hydroxyapatite scaffold, and process for the production thereof’.

12. R. Riman, C. Sever, US 8287914 B2/2012, Biomimetic hydroxyapatite synthesis.

13. L. Rigano, G. Gazzaniga, G. Rastrelli, EP 2410974 A2, 2012 Sunscreen composition comprising hydroxyapatite as physical solar fUter.

14. Gh. Tomoaia, M. Tomoaia-Cotisel, L. B. Pop, A. Mocanu, A. Pop, RO 125817 B1/2013, Nanopulberi de hidroxiapatită și derivații ei substituiți, utilizate în scopuri medicale și procedeu de fabricare a acestora.

15. G. Borzsonyi, G. Scherr, K. Menzel, S. Meuer, US 0102716 A1/2013, “Method for preparing condensation resins and use thereof’.

16. H. Liu, A. Cipriano, US20140093417A1/2014, „Magnesium-zinc-strontiumalloys for medical implants and devices.

17. R. Wenz, US 8715410 B2/2014, „Strontium-apatite cementpreparation cements formed there from and use thereof’.

18. D. C. Tancred, A.J. Carr, B.A. MC Cormack, Development of a new synthetic bone grafi, Journal of Materials Science: Materials în Medicine, 9 (12), 819-823, (1998).

19. T. Kanno, J. Horiuchi, M. Kobayashi, Y. Motogami, T. Akazawa, Characteristics of the carbonate ions incorporated into calcium-, partially-strontium-substituted and strontium apatites, Journal of Materials Science Letters, 18 (16), 1343-1345, (1999).

20. S. H. Rhee, J. Tanaka, Synthesis of a hydroxyapatite/collagen/chondroitin sulfate nanocomposite by a noveiprecipitation method', Journal of the American Ceramic Society, 84 (2), 459-461, (2001).

21. S.C. Rizzi, D.J. Heath, Biodegradable polymer/hydroxyapatite composites: surface analysis and inițial attachment of human osteoblasts, Journal of Biomedical Materials Research, 55, 475-486, (2001).

RO 133124 Β1

22. LV. Yannas, T/ssue and organ regeneration în adults, Springer Science and 1 Business Media, New York, (2001).

23. S. R. Kim, J.H. Lee, Y.T. Kim, D.H. Riu, SJ. Jung, Y.J. Lee, S.C. Chung, Y.H. 3 Kim, Synthesis of Mg substituted hydroxyapatites and their sintering behaviors, Biomaterials, 24 (8), 1389-1398, (2003). 5

24. G. Wei, P.X. Ma, Structure and properties of nano-hydroxyapatite/polymer composite scaffolds for bone t/ssue engineering, Biomaterials, 25, 4749-4757, (2004).7

25. Y. Han, S. Li, X. Wang, X. Chen, Synthesis and sintering of nanocrystalline hydroxyapatyte powders by citric acid sol-gel combustion method', Materials Research 9 Bulletin, 39, 591-598, (2004).

26. H.G. Zhang, Q. Zhu, Y. Wang, Morphologically controlled synthesis of 11 hydroxyapatite with parțial substitution offluorine, Chemistry of Materials, 17, 5824- 5830, (2005).13

27. Y.F. Zhao, J. Ma, “Triblock co-Dolymer templating synthesis of mesostructured hydroxyapatite”, Microporous and Mesoporous Materials, 87, 110-117 (2005).15

28. Y. Wang, S. Zhang, K. Wei, N. Zhao, J. Chen, X. Wang, Hydrotermal synthesis of hydroxyapatite nanopowders using cationic surfactant as a template, Materials Letters, 17 60, 1484-1487, (2006).

29. Gh. Tomoaia, L.B. Pop, I. Petean, M. Tomoaia-Cotisel, Significance ofsurface 19 structure on orthopedic materials, Materiale Plastice, 49 (1), 48-54, (2012).

30. Gh. Tomoaia, O. Soritau, M.Tomoaia-Cotisel, L.B. Pop, A. Pop, A. Mocanu, O. 21 Horovitz and L.D. Bobos, Scaffolds made of nanostructured phosphates, collagen and chitosan forcell culture, Powder Technology, 238, 99-107, (2013). 23

31. Gh. Tomoaia, A. Mocanu, I. Vida-Simiti, N. Jumate, L.-D. Bobos, O. Soritau, M. Tomoaia-Cotisel, Silicon effect on the composition and structure of nanocalcium 25 phosphates. In vitro biocompatibility to human osteoblasts, Materials Science and Engineering C- Materials for Biological Applications, 37, 37-47, (2014). 27

32. Garbo, M. Sindilaru, A. Carlea, G. Tomoaia, V. Almasan,.l. Petean, A.Mocanu, O. Horovitz, M.Tomoaia-Cotisel, “Synthesis and structural characterization of novei porous 29 zinc substitutednanohydroxyapatite powders, Particulate Science and Technology, 35,2937, (2017). 31

33. P.T. Frangopol, A. Mocanu, V. Almasan, C. Garbo, R. Balint, G. Borodi, I. Bratu, O. Horovitz, M. Tomoaia-Cotisel, “Synthesis and structural characterization of strontium 33 substituted hydroxyapatites, Rev. Roum. Chim., 61(4-5), 339-346, (2016).

Claims (7)

1. RO 133124 Β1

   Revendicări

   1. Nanomateriale pe bază de hidroxiapatită multisubstituită, caracterizate prin aceea că, ionii de Ca²⁺ sunt substituiți cu Mg²⁺, Zn²⁺ și Sr²⁺, ionii de PO4³' si OH'cu SiO4⁴/ și care conțin 0,15...5% Mg; 0,01...20% Zn; 1...40% Sr; 0,1...4% Si, procente de masă, sub formă de suspensie apoasă, sau pulberi formate din nanocristalite cu structura de hidroxiapatită și dimensiunile 10...25 nm, iar cea a particulelor de 15...70 nm.
2. 2. Procedeu de preparare a nanomaterialelor pe bază de hidroxiapatită multisubstituită, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, cuprinde următoarele etape: precipitarea chimică, în condiții de amestecare foarte rapidă, a reactanților cu rapoartele Ca:Mg 1:0,15; Ca:Zn 1:0,005, Ca:Sr 1:0,04 și un conținut de 0,2% Si, în prezența de 0,1...2% asparagină adăugată în soluția cu ionii de PO₄ ³', maturare la temperatura de 7O...12O°C, de preferință 80...100°C, timp de 8...24 h, uscarea prin liofilizare la presiune de 5...25 x 10'³ torr și temperatura de -35...-45°C, după o prealabilă înghețare bruscă a turtei de precipitat cu azot lichid, la temperatura de -70...-100°C, mărunțirea și calcinarea nanomaterialelor obținute ca și produs final.
3. 3. Procedeu de preparare a nanomaterialelor conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că, concentrația soluției cu cationi este cuprinsă în intervalul 0,05...0,74 M, de preferință 0,1...0,35 M la un pH de 6,5...9,5, iar cea a anionilor 0,02...0,35 M, de preferință 0,1...0,13 M launpH de 9,5...12.
4. 4. Procedeu de preparare a nanomaterialelor conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că, controlul mărimii cristalitelor se realizează prin adăugare în soluția anionilor a unui surfactant de preferință asparagina, în proporție de 0,01 ...2%, de preferință 0,5...1 %, raportat la masa produsului final.
5. 5. Procedeu de preparare a nanomaterialelor conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că, soluția cationilor este formată din săruri ale acidului azotic sau acetic, care conduc la produși secundari de reacție care pot fi ușor îndepărtați în procesul de purificare.
6. 6. Procedeu de preparare a nanomaterialelor conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că, contactarea reactanților în procesul de precipitare se realizează la o temperatură cuprinsă între -2...25°C.
7. 7. Procedeu de preparare a nanomaterialelor conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că, etapa de amestecare a soluțiilor, soluția care conține cationii și soluția care conține anopnii, are loc prin ciocnirea frontală a celor două jeturi într-un reactor de tip Y sau T care asigură o viteză de amestecare rapidă.