RU2574455C1 - Способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием выгорающей добавки - Google Patents

Способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием выгорающей добавки Download PDF

Info

Publication number
RU2574455C1
RU2574455C1 RU2014136566/05A RU2014136566A RU2574455C1 RU 2574455 C1 RU2574455 C1 RU 2574455C1 RU 2014136566/05 A RU2014136566/05 A RU 2014136566/05A RU 2014136566 A RU2014136566 A RU 2014136566A RU 2574455 C1 RU2574455 C1 RU 2574455C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
agar
hours
hydroxyapatite
nano
calcium nitrate
Prior art date
Application number
RU2014136566/05A
Other languages
English (en)
Inventor
Наталья Михайловна Коротченко
Людмила Алексеевна Рассказова
Илья Вячеславович Жук
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2574455C1 publication Critical patent/RU2574455C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к способу получения порошка наноразмерного гидроксиапатита (нГА) в микроволновом поле с использованием агар-агара в качестве выгорающей добавки. Способ получения наноразмерного гидроксиаппатита в микроволновом поле включает приготовление и перемешивание водных растворов нитрата кальция, гидрофосфата аммония, аммиака для поддержания рН смеси 10-11 и навески агар-агара с последующим воздействием СВЧ-излучения в течение 30 минут, отстаиванием маточного раствора в течение 48 часов, сушкой при температуре 100°С в течение 20 часов и прокаливанием при 400°C в течение 2 часов. При этом выгорающая добавка вводится в реакционную смесь одновременно с раствором нитрата кальция. Изобретение позволяет получить наноразмерный гидроксиаппатит с высокой удельной поверхностью и улучшенной биологической активностью. 5 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к способу получения порошка наноразмерного гидроксиапатита (нГА) в микроволновом поле с использованием агар-агара в качестве выгорающей добавки. Наноразмерный ГА проявляет уникальные свойства биосовместимости и высокой биологической активности, что обуславливает его применение в различных областях медицины, таких как травматология, стоматология, ортопедия и др. Использование СВЧ-излучения во время синтеза обусловлено его хорошей проникающей способностью, в результате чего происходит нагревание облучаемого образца сразу по всему объему. Получение нГА в микроволновом поле характеризуется малым временем процесса синтеза и быстрым нагревом реакционной смеси. Присутствие выгорающей добавки агар-агара обеспечивает наноразмерность гидроксиапатита, препятствуя агрегации его частиц в момент синтеза.
Известен способ получения кремниймодифицированного гидроксиапатита с использованием СВЧ-излучения (патент РФ 2507151, C01B 25/32, опубл. 20.02.2014 г.). Способ включает приготовление и перемешивание водных растворов нитрата кальция, гидрофосфата аммония, аммиака и раствора тетраэтоксисилана в этаноле с последующим воздействием СВЧ-излучения, отстаиванием, сушкой при температуре 90°C в течение 3 часов и прокаливанием при 800°C в течение 1 часа. При этом осуществляют дополнительную СВЧ-обработку после отстаивания смеси. Причем СВЧ-нагрев осуществляют в течение 25-30 минут, мощностью 120 Вт. Соотношение компонентов следующее, в мас.%: нитрат кальция - 5,5, гидрофосфат аммония - 1,66, тетраэтоксисилан - 0,27, этанол - 0,27, аммиак - в количестве, необходимом для поддержания pH смеси 10-11, вода - остальное. Результатом является уменьшение среднего рассчитанного размера кристаллита и дисперсности, что в свою очередь положительно сказывается на растворимости порошка. Недостатком известного способа является высокая температура прокаливания, что ведет к неизбежному снижению удельной поверхности за счет агрегации частиц и увеличению степени кристалличности, что в свою очередь приводит к неизбежной потере биоактивности продукта синтеза. Завышенная температура прокаливания также создает неоправданно высокие энергетические затраты.
Известен способ получения наноразмерного порошка на основе системы трикальцийфосфат-гидроксиапатит для синтеза керамических материалов (патент РФ 2367633, C04B 35/622, опубл. 20.09.2009 г.). Изобретение относится к медицине, в частности к кальцийфосфатным керамическим материалам, предназначенным для изготовления костных имплантатов и/или замещения дефектов при различных костных патологиях. Для снижения степени агрегированности и повышения удельной поверхности влажные порошки, полученные в результате химического взаимодействия, промывают органическими жидкостями с целью удаления избытка воды. После сушки и термообработки получают ультрадисперсные кальцийфосфатные порошки с площадью удельной поверхности более 90 м2/г. Состав наноразмерных порошков по своему химическому составу близок к естественной костной ткани (соответствует системе гидроксиапатит - трикальцийфосфат).
Недостатками известного способа являются применение в ходе синтеза в качестве промывающей жидкости толуола, относящегося к классу токсичных веществ, и высокая температура прокаливания порошков, сильно снижающая биологическую активность ГА.
Известен способ получения наногидроксиапатита при взаимодействии водных растворов Ca(NO3)2 и (NH4)2HPO4. Авторами Abdalla Abdal-hay, Faheem А. Sheikh, Jae Kyoo Lim [Abdalla Abdal-hay, Faheem A. Sheikh, Jae Kyoo Lim. Air jet spinning of hydroxyapatite/poly(lactic acid) hybrid nanocomposite membrane mats for bone tissue engineering // J. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. - 2013 - №102. - P. 635-643] описан способ получения наногидроксиапатита при взаимодействии водных растворов Ca(NO3)2 и (NH4)2HPO4 (1 М и 0,6 М соответственно). Реакционную смесь перемешивали, отстаивали в течение 3 часов, затем нагревали до 90°C в течение 1,5 часов. Поддерживали постоянным pH смеси 10-11 с помощью гидроксида аммония. Полученный осадок выдерживали в течение 24 часов при комнатной температуре при постоянном перемешивании. Далее осадок фильтровали, промывали водой и этиловым спиртом до достижения pH 7, затем сушили в вакууме в течение 24 часов, после чего прокаливали при 650°C в течение 4 часов.
Недостатками известного способа являются высокие временные и трудовые затраты, связанные с многостадийностью и сложностью процесса получения ГА, а также с длительной стадией "активного синтеза" (перемешивание реакционной смеси, ее отстаивание в течение 3 ч с последующим нагреванием в течение 1,5 ч, выдерживание осадка в течение 24 ч при постоянном перемешивании, повторная сушка в течение 24 ч и прокаливание в течение 4 ч).
В качестве прототипа выбран способ, описанный авторами Рассказова Л.А., Коротченко Н.М. [Л.А. Рассказова, Н.М. Коротченко. Синтез наноразмерного гидроксиапатита с выгорающими добавками // Материалы Всероссийской с международным участием научной конференции «Полифункциональные химические материалы и технологии». 21-23 ноября 2013. Томск. С. 186-188]. Описан способ получения нГА с агар-агаром, желатином и глицерином в качестве выгорающих добавок. Порошок нГА получали при взаимодействии водных растворов Ca(NO3)2 и (NH4)2HPO4 с использованием СВЧ-излучения. Установлено, что все образцы соответствуют фазе гидроксиапатита со средним размером кристаллитов, оцененным разными методами, лежащим в интервале от 10 до 90 нм для всех порошков нГА.
Недостатком известного прототипа является использование достаточно больших температур прокаливания, что приводит к неоправданным энергозатратам, при этом увеличивается кристалличность порошков с последующим ухудшением их биоактивности.
Задачей настоящего изобретения является получение наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием выгорающих добавок с целью повышения удельной поверхности и улучшения биологической активности получаемого продукта.
Целью настоящего изобретения является получение наноразмерного биологически активного с высокой удельной поверхностью гидроксиапатита с использованием выгорающих добавок в микроволновом поле.
Поставленная задача решается тем, что способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием агар-агара в качестве выгорающей добавки включает приготовление и перемешивание водных растворов нитрата кальция, гидрофосфата аммония, аммиака и навески агар-агара с последующим воздействием СВЧ-излучения, отстаиванием, сушкой и прокаливанием, но в отличие от прототипа выгорающая добавка вводится в реакционную смесь одновременно с раствором нитрата кальция, после чего реакционная смесь подвергается воздействию СВЧ-нагрева в течение 30 минут, полученный продукт отстаивается в маточном растворе в течение 48 часов, подвергается сушке при температуре 100°C в течение 20 часов и прокаливанию при 400°C в течение 2 часов, что способствует формированию наночастиц гидроксиапатита. Размер частиц находится в интервале от 10 до 50 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нитрат кальция - 3,44;
Гидрофосфат аммония - 1,66;
Агар-агар - 0,42;
Аммиак - в количестве, необходимом для поддержания pH смеси 10-11;
Вода - остальное.
Морфология поверхности порошков ГА и их дисперсность (согласно прототипу и изобретению) определены по микрофотографиям, полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) JEOL-7500FA (увеличение 100000 и 200000). На рис. 1 представлено СЭМ-изображение поверхности порошка синтетического ГА с добавкой агар-агара (согласно прототипу).
Полученное при двухсоттысячном увеличении СЭМ-изображение показывает, что синтезированный порошок ГА состоит из мелких частиц размером менее 100 нм и позволяет рассчитать (методом секущей) дисперсность порошка синтезированного ГА.
На рис. 2 представлена микрофотография поверхности порошка синтетического ГА с добавкой агар-агара 20% (мас.) (согласно изобретению).
Методом секущей по СЭМ-изображениям определена дисперсность порошка синтезированного гидроксиапатита. На рис. 3 приведена гистограмма распределения частиц ГА с добавкой агар-агара (20%) по размерам.
Для ГА с 20% добавкой агар-агара пик локализован в диапазоне 20-40 нм. Приведенные результаты позволяют классифицировать синтезированный с добавкой агар-агара ГА как наноразмерный.
С помощью автоматического газо-адсорбционного анализатора TriStar II (3020) определены параметры пористой структуры и удельной поверхности образца ГА с добавкой агар-агара (согласно изобретению), позволившие оценить диаметр частиц (Таблица 1).
Методом трилонометрического титрования иона кальция с индикатором эриохромом черным Т найдены произведение растворимости ПР и показатель произведения растворимости рПР полученного ГА в 0,1 М растворе NaCl при 20°C (согласно изобретению):
ПР рПР
1,03·10-60 59,99±0,40
Образцы нГА с выгорающей добавкой, имеющие достаточно высокую растворимость (для сравнения ПР синтетического гидроксиапатита Са10(Р04)6(OH)2 ПР=10-117,2), характеризуются высокой биоактивностью: костные клетки быстро усваивают предложенный им в составе имплантата источник кальция и фосфора; как следствие костная ткань хорошо врастает в керамический имплантат.
Для оценки биологической активности порошка наноГА проведены тесты in vitro в течение 28 дней при 37°C. Подложки из наноГА помещались в SBF-раствор (Simulated Body Fluid), имитирующий минеральный состав, pH и концентрацию ионов внеклеточных жидкостей организма человека.
На рис. 4 (согласно заявленному изобретению) приведены кинетические кривые зависимости кумулятивной суммарной концентрации ионов кальция и магния на поверхности подложек (CCa+Mg, моль/л; τ, сут).
Из рис. 4 видно, что на поверхности подложки, изготовленной из наноразмерного гидроксиапатита в течение 28 суток активно формируется минеральный слой, что свидетельствует о биосовместимости нГА. Большой угол наклона кинетической кривой (высокая скорость процесса) на протяжении почти всего времени биомиметических исследований подтверждает биоактивность нГА. Результаты оценки скорости процесса (ΔС/Δτ, моль/(л·сутки)) представлены в таблице 2.
Оценка скорости формирования кальций-фосфатного слоя показывает активный рост его образования в первые 7 суток выдерживания в SBF-растворе, далее скорость незначительно снижается.
Факт роста кальций-фосфатного слоя на поверхности подложки нГА подтвержден также результатами сканирующей электронной микроскопии (рис. 5).
Эти факты позволяют отнести нГА к биологически активным материалам, способным формировать на своей поверхности кальций-фосфатный слой.
В расчете на 1 г наноразмерного гидроксиапатита, навеску 2,360 г сухого кристаллогидрата нитрата кальция Ca(NO3)2·4H2O растворяют в реакционном сосуде (подходящем для микроволнового излучения) в 20 мл дистиллированной воды. К нему добавляют навеску агар-агара 0,200 г. Навеску 0,792 г сухого гидрофосфата аммония растворяют в 20 мл воды, полученный раствор медленно приливают к смеси раствора нитрата кальция с агар-агаром. Концентрированным раствором аммиака NH4OH pH реакционной смеси поддерживается 10-11. Затем реакционная смесь подвергается СВЧ-воздействию в течение 30 минут мощностью 110 Вт. Полученный раствор отстаивается в течение 48 часов с целью формирования фазы гидроксиапатита, после чего отфильтровывается. Выделенная суспензия переносится в фарфоровую чашку и высушивается при температуре 100°C в течение 20 часов. Полученный порошок прокаливается при температуре 400°C в течение 2 часов для полного удаления выгорающей добавки и улучшения свойств, а именно увеличения степени кристалличности, уменьшения растворимости.
Порошок наноразмерного гидроксиапатита используется в качестве основного компонента при создании биологически активной керамики, гранул для заполнения костных дефектов, а также материала для покрытия различного рода имплантатов.
Преимущества заявленного изобретения заключаются в получении наноразмерного гидроксиапатита с улучшенными морфологическими характеристиками и в значительном повышении его биологической активности. Для полученных образцов нГА определены такие структурные параметры, как удельная поверхность и пористость, имеющие важное значение при использовании ГА в качестве материала в стоматологической и хирургической практике.
Введение агар-агара в качестве выгорающей добавки приводит к уменьшению среднего рассчитанного размера кристаллита (табл. 1) и дисперсности (рис. 3), что в свою очередь положительно сказывается на растворимости порошка нГА, биологической активности и его совместимости с живым организмом. Известно, что увеличение удельной поверхности и пористости биокерамики положительно влияет на кинетику образования кости и, следовательно, улучшает биоактивность (комплекс свойств материала, позволяющий создавать прочный непосредственный контакт с живой костью).

Claims (1)

  1. Способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием агар-агара в качестве выгорающей добавки, включающий приготовление и перемешивание водных растворов нитрата кальция, гидрофосфата аммония, аммиака для поддержания pH смеси 10-11 и навески агар-агара с последующим воздействием СВЧ-излучения, отстаиванием, сушкой и прокаливанием, отличающийся тем, что выгорающая добавка вводится в реакционную смесь одновременно с раствором нитрата кальция, с воздействием СВЧ-нагрева 30 минут, отстаиванием маточного раствора в течение 48 часов, сушкой при температуре 100°C в течение 20 часов и прокаливанием при 400°C в течение 2 часов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
    Нитрат кальция 3,44 Гидрофосфат аммония 1,66 Агар-агар 0,42 Аммиак в количестве, необходимом для поддержания pH смеси 10-11 Вода остальное
RU2014136566/05A 2014-09-10 Способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием выгорающей добавки RU2574455C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2574455C1 true RU2574455C1 (ru) 2016-02-10

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2703645C1 (ru) * 2019-06-05 2019-10-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Способ получения органомодифицированного гидроксиапатита

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101486452A (zh) * 2009-02-16 2009-07-22 重庆大学 纳米羟基磷灰石粉体的制备方法
RU2391119C1 (ru) * 2008-10-09 2010-06-10 Федеральное агентство по науке и инновациям Способ получения наночастиц фосфатов кальция, стабилизированных солевой матрицей
RU2391117C1 (ru) * 2008-09-30 2010-06-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Способ получения гидроксиапатита
CN102826524A (zh) * 2011-06-13 2012-12-19 华东理工大学 微波-超声法制备介孔羟基磷灰石纳米粒子及其应用
CN103569991A (zh) * 2012-11-21 2014-02-12 济南大学 一种纳米氟磷灰石粉体的微波辅助合成法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2391117C1 (ru) * 2008-09-30 2010-06-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Способ получения гидроксиапатита
RU2391119C1 (ru) * 2008-10-09 2010-06-10 Федеральное агентство по науке и инновациям Способ получения наночастиц фосфатов кальция, стабилизированных солевой матрицей
CN101486452A (zh) * 2009-02-16 2009-07-22 重庆大学 纳米羟基磷灰石粉体的制备方法
CN102826524A (zh) * 2011-06-13 2012-12-19 华东理工大学 微波-超声法制备介孔羟基磷灰石纳米粒子及其应用
CN103569991A (zh) * 2012-11-21 2014-02-12 济南大学 一种纳米氟磷灰石粉体的微波辅助合成法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Рассказова Л.А., Коротченко Н.М., СИНТЕЗ НАНОРАЗМЕРНОГО ГИДРОКСИАПАТИТА С ВЫГОРАЮЩИМИ ДОБАВКАМИ//Материалы Всероссийской с международным участием научной конференции "ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ", Томск, 2013 - с. 39-40. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2703645C1 (ru) * 2019-06-05 2019-10-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Способ получения органомодифицированного гидроксиапатита

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Rod-shaped hydroxyapatite with mesoporous structure as drug carriers for proteins
US8153255B2 (en) Ceramic particle group comprising sintered particles of hydroxyapatite
Landi et al. Nucleation of biomimetic apatite in synthetic body fluids: dense and porous scaffold development
KR100814730B1 (ko) 나노-매크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 다공성 생체활성유리 및 이의 합성방법
Mortazavi-Derazkola et al. Synthesis, characterization, and atenolol delivery application of functionalized mesoporous hydroxyapatite nanoparticles prepared by microwave-assisted co-precipitation method
Sánchez-Salcedo et al. Design and preparation of biocompatible zwitterionic hydroxyapatite
KR20160032230A (ko) 골형성 유도 인산 칼슘의 제조방법 및 이로부터 제조된 제품
Sheikh et al. Biomimetic matrix mediated room temperature synthesis and characterization of nano-hydroxyapatite towards targeted drug delivery
Long et al. Hierarchically nanostructured mesoporous carbonated hydroxyapatite microspheres for drug delivery systems with high drug-loading capacity
Sayed et al. 3D carboxymethyl cellulose/hydroxyapatite (CMC/HA) scaffold composites based on recycled eggshell
KR100751504B1 (ko) 나노-마크로 사이즈의 계층적 기공구조를 가지는 생체재료및 이의 합성 방법
Webler et al. Use of micrometric latex beads to improve the porosity of hydroxyapatite obtained by chemical coprecipitation method
Ozder et al. In situ synthesis and cell line studies of nano-hydroxyapatite/graphene oxide composite materials for bone support applications
Souza et al. Chitosan/Xanthan membrane containing hydroxyapatite/Graphene oxide nanocomposite for guided bone regeneration
Horta et al. Nanostructured hydroxyapatite from Hen´ s eggshells using sucrose as a template
Dou et al. Preparation of mesoporous hydroxyapatite films used as biomaterials via sol–gel technology
Afonina et al. Synthesis of whitlockite nanopowders with different magnesium content
RU2574455C1 (ru) Способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием выгорающей добавки
Anand et al. Synthesis and physico-chemical characterization of different mesoporous bioactive glass nanopowders: in-vitro SBF activity and cytotoxicity
KR20180024755A (ko) 난각과 인산-암모니아 용액을 이용한 인산칼슘계 물질의 제조방법
Natesan et al. A critical comparison on biocompatibility of different phases of sol–gel derived calcium phosphates as bone graft materials
Ma et al. Biomineralization and biomimetic synthesis of biomineral and nanomaterials
Dobrovol’skaya et al. Effect of thermal treatment on the structure and properties of hydroxyapatite
Sadat-Shojai et al. Synthesis of highly regular dandelion-like hydroxyapatite particles—a Taguchi experimental design approach
Chebodaeva et al. Influence of nanoparticles deposition conditions on the microarc coatings properties