RU2588525C1 - Способ получения наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита - Google Patents
Способ получения наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита Download PDFInfo
- Publication number
- RU2588525C1 RU2588525C1 RU2014150230/05A RU2014150230A RU2588525C1 RU 2588525 C1 RU2588525 C1 RU 2588525C1 RU 2014150230/05 A RU2014150230/05 A RU 2014150230/05A RU 2014150230 A RU2014150230 A RU 2014150230A RU 2588525 C1 RU2588525 C1 RU 2588525C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbonate
- calcium hydroxide
- calcium
- aqueous solution
- ions
- Prior art date
Links
- 239000011575 calcium Substances 0.000 title claims abstract description 113
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 35
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate dianion Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 title claims abstract description 28
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 20
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 20
- 230000002950 deficient Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title abstract description 4
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L Calcium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 51
- 239000000920 calcium hydroxide Substances 0.000 claims abstract description 51
- 229910001861 calcium hydroxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 51
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 40
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 40
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 30
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims abstract description 27
- -1 carbonate ions Chemical class 0.000 claims abstract description 24
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 23
- PRKQVKDSMLBJBJ-UHFFFAOYSA-N Ammonium carbonate Chemical compound N.N.OC(O)=O PRKQVKDSMLBJBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 239000001099 ammonium carbonate Substances 0.000 claims abstract description 21
- 235000012501 ammonium carbonate Nutrition 0.000 claims abstract description 21
- 239000000047 product Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims abstract 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 19
- 229960005069 Calcium Drugs 0.000 claims description 18
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 17
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 claims description 17
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 9
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 8
- 229960003563 Calcium Carbonate Drugs 0.000 claims description 4
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxyl anion Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 claims 1
- 238000010257 thawing Methods 0.000 claims 1
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 abstract description 20
- 210000000988 Bone and Bones Anatomy 0.000 abstract description 17
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 abstract description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000012567 medical material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 abstract 1
- 230000004936 stimulating Effects 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 12
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 10
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 9
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H Tricalcium phosphate Chemical class [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 8
- 239000012065 filter cake Substances 0.000 description 8
- 239000012047 saturated solution Substances 0.000 description 8
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 7
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M NaHCO3 Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 5
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 description 5
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 5
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 description 5
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N Calcium nitrate Chemical compound [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 125000005587 carbonate group Chemical group 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 4
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- MNNHAPBLZZVQHP-UHFFFAOYSA-N diammonium hydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].[NH4+].OP([O-])([O-])=O MNNHAPBLZZVQHP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- 238000004438 BET method Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 229910052586 apatite Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005070 ripening Effects 0.000 description 2
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 description 2
- 240000002234 Allium sativum Species 0.000 description 1
- 210000004369 Blood Anatomy 0.000 description 1
- 229910014497 Ca10(PO4)6(OH)2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017488 Cu K Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000003743 Erythrocytes Anatomy 0.000 description 1
- 206010019851 Hepatotoxicity Diseases 0.000 description 1
- 210000003734 Kidney Anatomy 0.000 description 1
- RLJMLMKIBZAXJO-UHFFFAOYSA-N Lead(II) nitrate Chemical compound [O-][N+](=O)O[Pb]O[N+]([O-])=O RLJMLMKIBZAXJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000004185 Liver Anatomy 0.000 description 1
- 208000008466 Metabolic Disease Diseases 0.000 description 1
- 241001653766 Neolaugeria resinosa Species 0.000 description 1
- 210000003324 RBC Anatomy 0.000 description 1
- 241000700159 Rattus Species 0.000 description 1
- ZSDSQXJSNMTJDA-UHFFFAOYSA-N Trifluralin Chemical compound CCCN(CCC)C1=C([N+]([O-])=O)C=C(C(F)(F)F)C=C1[N+]([O-])=O ZSDSQXJSNMTJDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000008351 acetate buffer Substances 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000908 ammonium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 239000003462 bioceramic Substances 0.000 description 1
- 239000000560 biocompatible material Substances 0.000 description 1
- 239000002977 biomimetic material Substances 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 230000000711 cancerogenic Effects 0.000 description 1
- 231100000357 carcinogen Toxicity 0.000 description 1
- 239000003183 carcinogenic agent Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000006285 cell suspension Substances 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 230000001413 cellular Effects 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 231100000739 chronic poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010192 crystallographic characterization Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000001784 detoxification Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 230000002431 foraging Effects 0.000 description 1
- 235000004611 garlic Nutrition 0.000 description 1
- 239000000383 hazardous chemical Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000304 hepatotoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000001990 intravenous administration Methods 0.000 description 1
- RVPVRDXYQKGNMQ-UHFFFAOYSA-N lead(2+) Chemical compound [Pb+2] RVPVRDXYQKGNMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 201000007270 liver cancer Diseases 0.000 description 1
- 230000035800 maturation Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 239000012452 mother liquor Substances 0.000 description 1
- 238000002703 mutagenesis Methods 0.000 description 1
- 231100000350 mutagenesis Toxicity 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic Effects 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning Effects 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920003196 poly(1,3-dioxolane) Polymers 0.000 description 1
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение может быть использовано в производстве медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии, и в качестве сорбентов для адсорбции ионов тяжелых металлов. Для получения монофазного нанокристаллического кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита Са10-d(PO4)6-x(CO3)x(OH)2+x-2d, где d - степень дефицитности Са2+, а х - степень замещения CO3 2-, величина которой не ниже 0,76, но не выше 1,21, готовят водный раствор композиции гидроксид кальция/карбонат аммония с использованием 0,08-0,16% водного раствора гидроксида кальция. К указанному раствору после перемешивания в течение 10-15 минут и отстаивания до полного растворения гидроксида кальция добавляют расчетное количество карбоната аммония для получения готового продукта с массовым содержанием карбонат-ионов от 5 до 8 мас.% и молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-) ниже 1,67. Затем к композиции гидроксид кальция/карбонат аммония приливают 10-20% раствор ортофосфорной кислоты со скоростью 0,5-5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксид кальция/карбонат аммония при условии поддержания рН реакционной смеси выше 11. Осуществляют отстаивание для завершения процесса фазообразования, выделение и высушивание осадка. После сушки продукта до постоянной массы его подвергают измельчению. Изобретение позволяет получать наноразмерный продукт с высокой биоактивностью, со средним размером кристаллов от 8 нм до 70 нм, удельной поверхностью 90-200 м2/г и сорбционной емкостью к ионам тяжелых металлов до 1720 мг/г. 3 ил., 4 табл., 7 пр.
Description
Изобретение относится к способам получения высокочистых порошков наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита (далее Сад-КГА), которые могут быть использованы для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии, и в качестве сорбентов для адсорбции ионов тяжелых металлов.
В настоящее время синтетический гидроксиапатит Ca10(PO4)6OH2 (далее ГА) и материалы на его основе находят широкое применение в стоматологии, реконструктивно-восстановительной костной хирургии, ортопедии в качестве заменяющего материала для поврежденных зубов и костей [Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of HA-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants //J. Mater. Res. Soc. 1998. V.13. №1. P.94-103]. Многочисленные исследования подтверждают биологическую совместимость ГА с организмом, а также его близкие показатели физических и химических свойств [Bauer I W, Li S. P., Han Y. C. and Yin L. M. Internalization of hydroxyapatite nanoparticles in liver cancer cells //J Mater Sci: Mater Med. 2008. V.19. P.1091-1095.; Abdel-Gawad E. I. and Awwad S. Biocompatibility of Intravenous Nano Hydroxyapatite in Male Rats //Nat. and Sci.2010.V.8. P.60-68].
Благодаря высокой адсорбционной способности по отношению к ионам тяжелых металлов в настоящее время материалы на основе ГА представляют большой интерес к использованию в качестве сорбентов для решения таких экологических проблем как очистка сточных вод, утилизация промышленных отходов, восстановление загрязненных почв [Janga, S. H., Jeonga,Y.G., Mina, B.G., Lyoob, W.S. and Leea, S.L. Preparation and lead ion removal property of hydroxyapatite polyacrylamide composite hydrogels //J. Hazardous Materials. 2008. V.159. P.294-3002]. Кроме того, гидроксиапатиты могут успешно применяться для извлечения ионов тяжелых металлов из крови и восстановления функциональности печени и почки [Removal of Lead Nitrate Toxicity //Journal of American Science. 2011. Vol.7. №.1. P. 105-119 Abdel-Gawad E.I., Awwad S.A. In-vivo and in-vitro prediction of the efficiency of Nano-Synthesized Material in].
Было установлено, что ГА в живых организмах не находится в чистом виде, а всегда содержит в своей структуре примеси, преимущественно карбонат-ионы, благодаря их способности адаптироваться к постоянно меняющимся условиям внутренней среды. Карбонатные группы, содержащиеся в кости (около 4-8% по массе), находятся в нестабильном положении, замещая либо ОН--группы (А-тип замещения), либо (РО4)3--группы (В-тип замещения). Для костной ткани характерен смешанный АВ-тип замещения [Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука 2005. 204c]. По результатам исследований ряда работ выяснено, что в костях и зубах ГА не является чистым, стехиометрическим Ca10(PO4)6(OH)2 с молярным соотношением Ca/P=10/6=1,67 [Elliott, J. C. Structure and chemistry of the apatites and other calcium orthophosphates //Elsevier: Amsterdam, Holland. 1994. 404p; Dorozhkin, S. V. Calcium orthophosphates //J. Mater. Sci. 2007. V.42. P.1061-1095; Dorozhkin, S. V. Calcium orthophosphates in nature, biology and medicine //Materials. 2009. V.2. P.399-498].
В основном можно считать, что апатит биологического происхождения является кальций-дефицитным карбонатсодержащим с молярным соотношением Ca/(P+CO3)<1,67.
В связи с вышеизложенным синтез высокобиосовместимого наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита для медицинских целей, а также в качестве высокоэффективного сорбента ионов тяжелых металлов для детоксикации организма человека и восстановления окружающей среды является весьма актуальным.
Известен способ получения карбонатсодержащего гидроксиапатита (далее КГА) по патенту EP 0722772 A1, опубликованному 24.07.1996 г., путем нагрева стехиометрического ГА в среде углекислого газа из атмосферного воздуха при примерно 900°С в течение несколько дней. Это трудно контролируемый процесс, который, с одной стороны, приводит к получению КГА с низким коэффициентом замещения, с другой стороны, не всегда получают однофазные образцы. При этом карбонат-анионы замещаются в неоптимальные позиции т.е. в А-позиции, а не в В-позиции, что соответствует получению биомиметического материала подобного биоапатиту.
Известен также способ получения КГА методом осаждения из водных растворов, описанный в источнике J. C. Merry, I. R. Gibson, S. M. Best, W. Bonfield. Synthesis and characterization of carbonate hydroxyapatite (Journal of materials science: materials in medicine. 1998. V.9. P.779-783.), где в качестве источника ионов кальция и фосфат-ионов использовали четырехводный нитрат кальция - Са(NO3)2·4H2O и гидрофосфат аммония - (NH4)2HPO4. Реакцию проводили при температуре 20°С, а рН поддерживали на уровне ≥ 11 за счет добавления раствора гидроксида аммония. Источником карбонат-ионов являлся гидрокарбонат натрия NaHCO3, который добавлялся к раствору гидрофосфата аммония до синтеза. Синтез осуществляли добавлением по каплям смеси растворов гидрофосфата аммония и гидрокарбоната натрия к раствору нитрата кальция. Полученную суспензию ставили для старения на 24 часа. Затем осадок тщательно промывали дистиллированной водой, отфильтровали под вакуумом с последующим высушиванием и измельчением. Недостатками данного способа являются низкая термостабильность продукта при обжиге/спекании, т.е. потеря больших количеств ионов карбоната при нагревании, и трудность за контролем степени замещения карбоната. Кроме того, полученные частицы КГА имеют большой размер и, следовательно, низкую удельную поверхность, а также происходит негативное дополнительное замещение ионов Na+или NH4 +в структуре гидроксиапатита.
В патенте EP 0722773 A1 (опубликован 24.07.1996 г.) описан метод получения КГА А-типа, у которого карбонат-анионы замещались только по позиции ОН-групп в структуре ГА. К недостатку данного метода относится несходство по структуре полученных образцов к биоапатиту природной кости.
В патенте EP 0625490 A1 (опубликован 23.11.1994 г.) предложен метод получения КГА, который имеет молярное соотношение Са/Р близко к 1,66. В качестве источника ионов СО3 2- использовали Na2CO3. Недостаток данного метода состоит в том, что вместе с карбонат-ионами в кристаллической решетке ГА идет нежелательное примесное замещение катионов Na+.
В патенте WO1994008458 A1 (опубликован 28.04.1994 г.) описан способ получения КГА, где исходные реагенты смешивали так, чтобы сформировать гидроксиапатитный цемент при комнатной или физиологической температуре. Источником карбонат-ионов является твердый карбонат кальция СаСО3. Полученный материал представляет собой низкокристаллический или аморфный апатит, который содержит нежелательные ионы натрия.
Патент EP 0342932 A1 (опубликован 23.11.1989 г.) описывает способ получения КГА путем добавления Ca(OH)2 и СаСО3 к суспензии CaHPO4. Ионы CO3 2-, которые вводятся в реакционную смесь, находятся в виде нерастворимого CaCO3, а не в виде раствора. Молярное соотношение Са/Р согласно этому патенту всегда меньше 1,67. После спекания при температуре от 1000°С до 1100°С содержание карбоната полученного материала уменьшается менее 0,1%. Недостаток данного метода заключается в том, что полученный продукт содержит в своем составе примесь CaCO3 и высокая температура спекания.
В патенте WO 2001083367 A2 (опубликован 08.11.2001 г.) получали КГА путем выдерживания кальция фосфата в сверхкритическом или конденсированном диоксиде углерода. Недостатком данного способа являются техническая сложность и крайне высокая стоимость, которые не позволяют организовать массовое производство продукта.
Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в патенте US 6582672B1 (опубликован 24.06.2003 г. ). Указанный способ получения монофазного КГА включает синтез КГА методом осаждения при рН 10,5-11 путем смешения водных растворов реагентов, содержащих ионы СО3 2-, РО4 3- и Са2+. Причем реагенты вводятся в реакционную смесь при условии обеспечения молярного соотношения Са/Р выше 1,67, содержание СО3 2-, замещенного в Б-позиции или в А и Б позициях, не должно быть выше 5%. Углекислый газ барботируют в деионизированную воду в течение 30 минут, затем к этому раствору прибавляют ортофосфорную кислоту. В полученную смесь при постоянном перемешивании добавляют по каплям суспензию Са(ОН)2 со скоростью 5,5 мл/мин, рН реакционной смеси поддерживают в интервале 10,5-11 путем добавления концентрированного аммиака. Полученную суспензию после синтеза продолжают перемешивать в течение 2 часов и затем оставляют для старения около 12 часов. Вся реакция проходит при комнатной температуре. Осадок фильтруют, промывают дистиллированной водой для удаления избытка аммиака с последующим высушиванием при 80°С в течение 12 часов. После чего высушенный фильтр-корж извлекают, измельчают в мелкий порошок. Частицы порошка имеют средний размер ниже 100 мкм. Это способ позволяет получать монофазовый карбонатсодержащий гидроксиапатит, не содержащий ионы Na+, NH4 +. Основными недостатками данного способа являются низкое содержание карбонат-ионов, трудность точного контроля степени замещения СО3 2-, а кристаллохимическая формула полученного карбонатсодержащего гидроксиапатита не соответствует формуле кальций-дефицитного гидроксиапатита. Кроме того, частицы КГА, полученные данным методом, имеют большой средний размер около 100 мкм.
Задачей данного изобретения является разработка способа получения монофазного наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита наиболее близкого по химическому составу и структуре к природной кости с высокими биоактивностью и удельной поверхностью при молярном соотношении Са/(Р+СО3 2-)<1,67.
Технический результат:
- получение монофазного продукта Сад-КГА наиболее близкого по химическому составу и структуре к природной кости формулы Ca10-d(PO4)6-x(CO3)x(OH)2+x-2d, где d - степень дефицитности Са2+; х - коэффициент или степень замещения карбоната в интервале от 0,76 до 1,21, а массовое содержание карбонат-ионов от 5% до 8%;
- в полученном Сад-КГА молярное соотношение Са/(Р+СО3 2-)<1,67, средний размер кристаллов от 8 нм до 70 нм, удельная поверхность 90-200 м2/г, что обеспечивает повышенную биоактивность и адсорбционную способность готового продукта.
Для решения поставленной задачи получения монофазного наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита предложен способ получения Сад-КГА, включающий синтез путем осаждения из водного раствора реагентов, содержащих ионы СО3 2-, РО4 3- и Са2+, отстаивание при комнатной температуре для завершения процесса фазообразования, выделение осадка и высушивание до постоянной массы с последующем измельчением.
Способ включает следующие новые признаки:
- готовят водный раствор композиции гидроксид кальция/карбонат аммония с использованием 0,08-0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция и расчетного количества карбоната аммония для получения готового продукта с массовым содержанием карбонат-ионов от 5 до 8 мас.% и молярным соотношением Са/(Р+СО3 2-) ниже 1,67;
- приливают раствор ортофосфорной кислоты со скоростью 0,5-5 мл/мин на литр водного раствора к композиции гидроксид кальция/карбонат аммония;
- рН реакционной смеси поддерживают выше 11.
В качестве поставщика ионов СО3 2- использовали карбонат аммония, который позволяет более точно контролировать содержание СО3 2- в полученном продукте и вносит вклад в поддержание значения рН реакционной смеси.
Количество карбонат-ионов в продукте составляет от 5 до 8 мас.%, что соответствует оптимальному содержанию карбонат-ионов в природной кости. При этом не требуется проведения контроля содержания карбонат-ионов, что обусловливается точной навеской (NH4)2CO3.
Скорость приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты менее 0,5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксида кальция и карбоната аммония нецелесообразна из-за крайне большой длительности процесса синтеза.
Скорость приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты более 5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксида кальция и карбоната аммония приводит к возможности получения продукта с большой дефектностью в структуре, т.к. при быстром приливании кислоты карбонат-ионы не успевают встраиваться в структуру гидроксиапатита, большая часть их адсорбируется на поверхности образовавшихся кристаллов.
Молярное соотношение Са/(Р+СО3 2-) выше или равно 1,67, нецелесообразно из-за того, что не дает возможность получить кальций-дефицитный карбонатсодержащий гидроксиапатит и может приводить к появлению побочных продуктов, например СаСО3, Са3(РО4)2.
Если молярное соотношение Са/(Р+СО3 2-) меньше 1,67 вызывается не из-за дефицита Са, а из-за увеличения содержания замещенных карбонат-ионов в дополнительных позициях, то структура полученного гидроксиапатита не соответствует структуре природной кости.
Значение рН реакционной смеси, поддерживающееся выше 11 благодаря использованию насыщенного раствора гидроксида кальция и карбоната аммония, обеспечивает большое количество гидроксильных групп, что позволяет получить продукт с более завершенной структурой.
Теоретическое обоснование предложенного изобретения заключается в следующем.
Карбонатсодержащие кальций-дефицитные гидроксиапатиты могут быть представлены формулой:
Ca10-d(PO4)6-x(CO3)x(OH)2+x-2d, где d - степень дефицитности Са2+; х - коэффициент или степень замещения СО3 2-.
При этом наличие 5-8 мас.% карбоната в составе костной ткани является принципиально важным для формирования полноценной естественной кости с требуемыми строением и функционалом. Для обеспечения необходимого содержания карбоната и кальция в синтетическом карбонатсодержащем гидроксиапатите степень замещения СО3 2- в синтезируемом продукте должна быть в пределах х=0,76-1,21, а молярное соотношение Са/(Р+CO3 2-) ниже 1,67.
В предлагаемом способе источником карбонат-ионов является (NH4)2CO3, который добавляют в раствор гидроксида кальция. В результате диссоциации в реакционную смесь поступают свободные карбонат-ионы по реакции:
(NH4)2CO3 →2NH4 ++CO3 2- (1)
Далее свободные ионы CO3 2- сразу вступают в реакцию с избытком ионов Са2+с образованием малорастворимого карбонат кальция по реакции:
Са2++СО3 2- → СaCO3↓ (2)
и тем самым уходят из реакционного объема.
Затем в реакционную смесь начинают с заданной скоростью дозировать раствор ортофосфорной кислоты. В этот период происходит формирование промежуточного продукта - аморфного фосфата кальция
3Са2++2PО4 3- → Сa3(PO4)2↓ (3)
Аморфный фосфат кальция затем трансформируется в термодинамически наиболее устойчивое и самое малорастворимое соединение в системе:
гидроксиапатит СаО-Р2O5-Н2O.
Поскольку CaCO3 является наиболее растворимым соединением в этом ряду, то по мере формирования новой фазы Са3(РO4)2 и далее ГА карбонат кальция начинает растворяться с высвобождением в объем раствора ионов CO3 2-. Новообразующаяся фаза фосфата кальция, адсорбируя карбонат-ионы и гидроксильные ионы, образует карбонатсодержащий гидроксиапатит.
СaCO3↓ → Са2++СО3 2- (4)
(3-x/2)Сa3(PO4)2+(1-d+3x/2)Са2++xСО3 2-+(2+x-2d)OH- → Ca10-d(PO4)6-x(CO3)x(OH)2+x-2d (5)
Предложенный способ характеризуют следующие фигуры.
Фиг. 1. Дифрактограмма РФА образца Сад-КГА с молярным соотношением Са/(Р+СО3 2-)=1,50, полученного при степени замещения карбоната х=0,76 и содержании СО3 2- равном 5 мас.%;
Фиг. 2. Ик-спектр образца Сад-КГА с молярным соотношением Са/(Р+СО3 2-)=1,50, полученного при степени замещения карбоната х=0,76 и содержании СО3 2- равном 5 мас.%;
Фиг. 3. Дифрактограмма РФА образца Сад-КГА с молярным соотношением Са/(Р+СО3 2-)=1,67, полученного при степени замещения карбоната х=1,21 и содержании СО3 2- равном 8 мас.%.
Фиг. 1 и 3 были получены на дифрактометре Rigaku Ultima IV (Япония) с детектором D/teX Ultra. Съемку проводили в кварцевых кюветах в режиме на отражение (геометрия Брегга-Брентано) с использованием Cu Kα-излучения (длина волны λ=1.54178 
). Параметры работы генератора: ускоряющее напряжение 40 кВ, ток трубки 250 мА. Параметры съемки интервал углов 2θ=5-85°, шаг по 2θ=0.02°, скорость регистрации спектров 3°/мин. Качественный анализ полученных рентгенограмм и профильный анализ спектров, определение значений параметров решетки проводили с помощью программы PDXL Qualitative Analysis при использовании баз данных ICDD (PDF 2008).
Фиг. 2 была снята на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 6700 (Thermo Electron Corporation, США) с детектором МСТ-А (50 мкм). ИК-спектры поглощения образцов регистрировали в диапазоне 400-4000 см1 со следующими параметрами: число сканов пробы 32; число сканов 32; разрешение 4,000; усиление 8,0; скорость зеркала 0,6329; диафрагма 100,00. Анализ полученных ИК-спектров, определение значений волновых чисел проводили с помощью программного комплекса OMNIC (версия 7.3) при использовании автофильтра, базовой коррекции.
Описание способа поясняется примерами.
Пример 1
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са9(PO4)5,24(CO3)0,76(ОН)0,76 с молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-)-1,50, степенью дефицитности Са2+ d=1 и степенью замещения карбоната x=0,76, что соответствует около 5 мас.% CO3 2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,1753 г (NH4)2CO3.
Затем 11,69 мл 10%-ного раствора H3PO4 помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 0,5 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)2 и (NH4)2CO3 в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Сад-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Дифрактограмма РФА полученного образца Сад-КГА с молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-)=1,50, полученного при степени замещения карбоната х=0,76, что соответствует 5 мас.% CO3 2-, представлена на фиг. 1, ИК-спектр образца Сад-КГА с молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-)=1,50 и х=0,76 представлен на фиг. 2.
Пример 2
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са9(PO4)5(CO3)1(ОН)1 с молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-) - 1,50, степенью дефицитности Са2+ d=1 и степенью замещения карбоната х=1,0, что соответствует около 6,5 мас.% CO3 2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 20 мас.%.
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2306 г (NH4)2CO3.
Затем 5,54 мл 20%-ного раствора H3PO4 помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 1 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)2 и (NH4)2CO3 в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Сад-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Пример 3
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са9(PO4)4,79(CO3)1,21(ОН)1,21 с молярным отношением Са/(Р+CO3 2-) - 1,50, степенью дефицитности Са2+ d=1 и степенью замещения карбоната х=1,21, что соответствует около 8,0 мас.% CO3 2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,08 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
Навеску гидроксида кальция массой 0,8 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,08%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,1394 г (NH4)2CO3.
Затем 5,35 мл 10%-ного раствора H3PO4 помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/(NH4)2CO3, со скоростью 3,5 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)2 и (NH4)2CO3 в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Сад-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Пример 4
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са9,36(PO4)5,24(CO3)0,76(ОН)1,48 с молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-) - 1,56, степенью дефицитности Са2+ d=0,64 и степенью замещения карбоната х=0,76, что соответствует около 5,0 мас.% CO3 2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 15 мас.%.
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,1685 г (NH4)2CO3.
Затем 7,31 мл 15%-ного раствора H3PO4 помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 1 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)2 и (NH4)2CO3 в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Сад-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Пример 5
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са9,36(PO4)5(CO3)1(ОН)1,72 с молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-) - 1,56, степенью дефицитности Са2+ d=0,64 и степенью замещения карбоната x=1,0, что соответствует около 6,5 мас.% CO3 2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2218 г (NH4)2CO3.
Затем 10,75 мл 10%-ного раствора H3PO4 помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 5 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)2 и (NH4)2CO3 в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Сад-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм
Пример 6
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са9,36(PO4)4,79(CO3)1,21(ОН)1,93 с молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-) - 1,56, степенью дефицитности Са2+ d=0,64 и степенью замещения карбоната х=1,21, что соответствует около 8,0 мас.% CO3 2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2683 г (NH4)2CO3.
Затем 10,29 мл 10%-ного раствора H3PO4 помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 2 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)2 и (NH4)2CO3 в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Сад-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Пример 7
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы с молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-) - 1,67 и степенью замещения карбоната х=1,21, что соответствует около 8,0 мас.% CO3 2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2511 г (NH4)2CO3.
Затем 9,64 мл 10%-ного раствора H3PO4 помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 1 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)2 и (NH4)2CO3 в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Сад-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Дифрактограмма РФА образца Сад-КГА с молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-)=1,67, полученного при степени замещения карбоната х=1,21, что соответствует 8 мас.% CO3 2-, представлена на фиг. 3.
Физико-химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-7, приведены в табл.1.
| Таблица 1 Физико-химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-7 |
||||||
| Образец | Массовая доля СО3 2-, % | Степень замещения СО3 2-, х | Молярное соотношение Са/(Р+СО3 2-) | Количество фаз | Параметры решетки, нм | |
| Ось - а | Ось - с | |||||
| Пример 1 | 5 | 0,76 | 1,50 | 1 | 9,418 | 6,901 |
| Пример 2 | 6,5 | 1,0 | 1,50 | 1 | 9,424 | 6,905 |
| Пример 3 | 8 | 1,21 | 1,50 | 1 | 9,415 | 6,908 |
| Пример 4 | 5 | 0,76 | 1,56 | 1 | 9,428 | 6,906 |
| Пример 5 | 6,5 | 1,0 | 1,56 | 1 | 9,434 | 6,895 |
| Пример 6 | 8 | 1,21 | 1,56 | 1 | 9420 | 6,911 |
| Пример 7 | 8 | 1,21 | 1,67 | 2 | 9,397 | 6,916 |
Текстурные характеристики образцов, полученных по примерам 1-7,
приведены в табл.2.
| Таблица 2 Текстурные характеристики образцов, полученных по примерам 1-7 |
|||
| Образец | Средний размер кристаллов, нм | Удельная поверхность, м2/г | Кристалличность, % |
| Пример 1 | 42,3 | 151,2 | 92,3 |
| Пример 2 | 35,7 | 201,3 | 94,7 |
| Пример 3 | 7,95 | 167,4 | 90,5 |
| Пример 4 | 36,8 | 165,8 | 91,2 |
| Пример 5 | 73,9 | 174,0 | 87,8 |
| Пример 6 | 24,6 | 184,2 | 89,8 |
| Пример 7 | 17,7 | 91,0 | 92,0 |
Определение удельной поверхности, объема и среднего размера пор материалов по методу БЭТ проводили на автоматизированной сорбционной установке TriStar II 3020 производства Micromeritics (США) с использованием объемного варианта сорбционного метода. Удельная поверхность была рассчитана по изотерме низкотемпературной сорбции паров азота по одноточечному методу БЭТ в точке P/Po=0,3189. Образцы были выдержаны в инертном газе азота и гелия с одновременным обеспечением нагрева образцов при температуре 95°С.
Известно, что поверхностный заряд наноразмерных частиц, наряду с их размером и формой, являются важными характеристиками ГА, определяющими процессы клеточной адсорбции. В этом аспекте частицы гидроксиапатита, обладающие отрицательно заряженной поверхностью, имеют заметное преимущество [Yingchao Han et al. Nanosize and Surface Charge Effects of Hydroxyapatite Nanoparticles on Red Blood Cell Suspensions //ACS Appl. Mater. Interfaces. 2012. V.4. №9. P. 4616-4622]. Измерение величины и знака дзета-потенциала частиц КГА после созревания осуществляли методом электрофореза на анализаторе Zetasizer Nano ZS фирмы Malvern Instruments.
Значения дзета-потенциала частиц КГА в виде гидрогеля после 24 часов выдерживания в маточном растворе (время созревания) представлены в табл.3
| Таблица 3. Дзета-потенциал образцов КГА |
||||
| Образец | Молярное соотношение Са/(Р+СО3 2-) | рН после синтеза | рН после созревания | Значение дзета-потенциала, мВ. |
| Пример 1 | 1,50 | 11,60 | 11,10 | -27,8 |
| Пример 5 | 1,56 | 11,62 | 11,13 | -15,7 |
| Пример 7 | 1,67 | 11,76 | 11,33 | +12,3 |
Проблема загрязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов в настоящее время особенно значима. Соединения тяжелых металлов являются распространенными компонентами выбросов транспорта и многих предприятий различных отраслей промышленности. Среди ионов тяжелых металлов наиболее опасными загрязнителями считаются ионы свинца, так как его техногенное накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Путем миграции по пищевым цепям ионы Pb2+попадают в организм человека, вызывая единовременные или хронические отравления, и приводят к серьезным нарушениям процессов обмена веществ и жизненно важных функций организма [Herbert L. Needleman, Christine McFarland, Roberta B. Ness, Stephen E. Fienberg, Michael J. Tobin. Bone lead levels in adjudicated delinquents A case control study //J. Neurotoxicology and Teratology. 2002. V.24. P. 711-717; Sharma A., Sharma V., Kansal L. Amelioration of lead-induced hepatotoxicity by Allium sativum extracts in Swiss albino mice //Libyan J. of Med. 2010. V.5. P. 4621-4630]. Одним из наиболее опасных последствий действия ионов свинца считается его способность замещать кальций в костях и быть постоянным источником отравления в течение длительного времени [Silbergeld E.K. Facilitative mechanisms of lead as a carcinogen //Mutation Research: Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 2003. V.533. P. 121-133].
Сорбцию ионов свинца на полученных образцах изучали при комнатной температуре при 25±2°С с использованием ацетатного буферного раствора при рН=5,5. В качестве поставщика ионов Pb2+был выбран Pb(CH3COO)2·3H2O. В химические стаканы емкостью 100 мл, содержащие навески 0,1±0,0010 г исследуемых образцов, помещали по 50 мл модельных растворов с разными концентрациями ионов Pb2+в диапазоне концентраций Pb2+от 40 до 4800 мг/л. Определение равновесных концентраций ионов свинца и ионов кальция в модельных растворах было проведено после 48 часов экспозиции.
Концентрацию ионов свинца определяли на вольтамперометрическом анализаторе АКВ-07МК с твердотельным электродом (компания Аквилон, Россия). Для определения концентрации ионов свинца была использована методика с пределом обнаружения 0,2 мг/дм3; диапазон тока - 5000 мА; время накопления - 10 с.
Данные о сорбционной емкости полученных образцов, представленные в табл.4, определили графическим путем, строя график зависимости отношения равновесной концентрации ионов свинца С к величине сорбции Г от величины сорбции Г, используя традиционное
уравнение Лэнгмюра 
и его преобразованное уравнение в линейной форме 
где Г- величина сорбции, мг/г; V - объем раствора ионов свинца, мл; C - равновесная концентрация ионов свинца, мг/л; Cо - исходная концентрация ионов свинца, мг/л; Го - сорбционная емкость, мг/г; k - константа адсорбции, характеризующая степень сродства данного иона к сорбции по Ленгмюру.
| Таблица 4 Сорбционная емкость образцов, полученных по примерам 1-6, по отношению к ионам тяжелых металлов (при рН=5,5) |
|||
| Образец | Массовая доля СО3 2-, % | Молярное соотношение Са/(Р+СО3 2-) | Сорбционная емкость к ионам Pb2+, мг/г |
| Пример 1 | 5 | 1,50 | 1689 |
| Пример 2 | 6,5 | 1,50 | 1724 |
| Пример 3 | 8 | 1,50 | 1720 |
| Пример 4 | 5 | 1,56 | 1697 |
| Пример 5 | 6,5 | 1,56 | 1686 |
| Пример 6 | 8 | 1,56 | 1650 |
Из табл.4 следует, что в зависимости от степени дефицитности и содержания карбоната сорбционная емкость синтетических образцов Сад-КГА по отношению к ионам Pb2+составляет до 1720 мг/г, что превышает почти в 5 раз сорбционную емкость немодифицированного гидроксиапатита [Bailliez S., Nzihou А., Beche А., Flamant G. Removal of lead (Pb) by hydroxyapatite sorbent //Trans IChemE, Part B, Process Safety and Environmental Protection. 2004.V. 82. №2.Р. 175-180].
Таким образом, приведенные примеры подтверждают возможность осуществления предложенного способа с достижением заявленного технического результата:
- получение монофазного продукта Сад-КГА наиболее близкого по химическому составу и структуре к природной кости формулы Ca10-d(PO4)6-x(CO3)x(OH)2+x-2d, где d - степень дефицитности Са2+; х - коэффициент или степень замещения карбоната в интервале от 0,76 до 1,21, а массовое содержание карбонат-ионов от 5% до 8%;
- повышенную биоактивность и адсорбционную способность в полученном Сад-КГА с удельной поверхность 90-200 м2/г, что обеспечивается за счет молярного соотношения Са/(Р+СО3 2-)<1,67 и среднего размера кристаллов от 8 нм до 70 нм.
Claims (1)
-
Способ получения монофазного наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са10-d(PO4)6-x(CO3)x(OH)2+x-2d, где d - степень дефицитности Са2+, а х - степень замещения CO3 2-, величина которой не ниже 0,76, но не выше 1,21, включающий синтез путем осаждения из водного раствора реагентов, содержащих ионы CO3 2-, PO4 3- и Са2+, для чего сначала готовят водный раствор композиции гидроксид кальция/карбонат аммония с использованием 0,08-0,16% водного раствора гидроксида кальция, к которому после перемешивания в течение 10-15 минут и отстаивания до полного растворения гидроксида кальция добавляют расчетное количество карбоната аммония для получения готового продукта с массовым содержанием карбонат-ионов от 5 до 8 мас.% и молярным соотношением Са/(Р+CO3 2-) ниже 1,67, затем к композиции гидроксид кальция/карбонат аммония приливают 10-20% раствор ортофосфорной кислоты со скоростью 0,5-5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксид кальция/карбонат аммония при условии поддержания рН реакционной смеси выше 11, проводят отстаивание при комнатной температуре для завершения процесса фазообразования, выделение осадка и высушивание до постоянной массы с последующим измельчением.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2588525C1 true RU2588525C1 (ru) | 2016-06-27 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110446686A (zh) * | 2017-03-21 | 2019-11-12 | 国立大学法人九州大学 | 碳酸钙块的制造方法 |
| RU2736048C1 (ru) * | 2020-04-24 | 2020-11-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Способ получения наноразмерного гидроксиапатита |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001083367A2 (en) * | 2000-04-28 | 2001-11-08 | Abonetics 2000 Limited | A process for the preparation of carbonated biomedical materials |
| RU2179437C2 (ru) * | 1999-08-19 | 2002-02-20 | Ооо Нпф "Медкам" | Аморфный, карбонированный и фторированный гидроксиапатит для зубных паст и способ его получения |
| EP1042222B1 (en) * | 1997-12-22 | 2002-03-27 | Abonetics Limited | Process for the preparation of magnesium and carbonate substituted hydroxyapatite |
| US6582672B1 (en) * | 1997-12-22 | 2003-06-24 | Apatech Limited | Method for the preparation of carbonated hydroxyapatite compositions |
| RU2500840C1 (ru) * | 2012-07-16 | 2013-12-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" | Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1042222B1 (en) * | 1997-12-22 | 2002-03-27 | Abonetics Limited | Process for the preparation of magnesium and carbonate substituted hydroxyapatite |
| US6582672B1 (en) * | 1997-12-22 | 2003-06-24 | Apatech Limited | Method for the preparation of carbonated hydroxyapatite compositions |
| RU2179437C2 (ru) * | 1999-08-19 | 2002-02-20 | Ооо Нпф "Медкам" | Аморфный, карбонированный и фторированный гидроксиапатит для зубных паст и способ его получения |
| WO2001083367A2 (en) * | 2000-04-28 | 2001-11-08 | Abonetics 2000 Limited | A process for the preparation of carbonated biomedical materials |
| RU2500840C1 (ru) * | 2012-07-16 | 2013-12-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" | Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110446686A (zh) * | 2017-03-21 | 2019-11-12 | 国立大学法人九州大学 | 碳酸钙块的制造方法 |
| RU2736048C1 (ru) * | 2020-04-24 | 2020-11-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Способ получения наноразмерного гидроксиапатита |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2909061T3 (es) | Proceso para producir un reactivo de tipo fosfato cálcico | |
| KR100898218B1 (ko) | 세라믹입자군 및 그 제조방법 그리고 그 이용 | |
| JP6677428B1 (ja) | リン酸アルミニウム化合物 | |
| RU2500840C1 (ru) | Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита | |
| JP2014223569A (ja) | 水溶液からの元素除去方法および除去元素保管方法 | |
| EP3544641B1 (en) | Biomimetic apatite nanopowder composition | |
| JP2004075445A (ja) | 酸化チタン・アパタイト複合体及びその製造方法 | |
| Song et al. | In situ synthesis of silicon-substituted biphasic calcium phosphate and their performance in vitro | |
| Afonina et al. | Synthesis of whitlockite nanopowders with different magnesium content | |
| RU2588525C1 (ru) | Способ получения наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита | |
| Azami et al. | Calcium fluoride/hydroxyfluorapatite nanocrystals as novel biphasic solid solution for tooth tissue engineering and regenerative dentistry | |
| KR100972537B1 (ko) | 방사선을 이용한 나노 크기의 고순도 베타-인산삼칼슘분말의 제조방법 | |
| JP6882816B1 (ja) | リン酸アルミニウム化合物およびその製造方法、並びに、タンパク質精製用担体およびそれを用いたタンパク質精製方法 | |
| Sasani et al. | Characterization of rod-like high-purity fluorapatite nanopowders obtained by sol-gel method | |
| Kamaei et al. | Preparation and characterization of strontium-fluorapatite nanopowders by sol-gel method | |
| EP3786109A1 (en) | Hydroxyapatite | |
| RU2580728C1 (ru) | Способ получения монофазного кристаллического кремний-замещенного гидроксилапатита | |
| Manzola et al. | A comparative study of the defluoridation efficiency of synthetic dicalcium phosphate dihydrate (DCPD) and lacunar hydroxyapatite (L-HAp): An application of synthetic solution and Koundoumawa field water | |
| RU2555337C1 (ru) | Способ получения нанокристаллического силикатзамещенного карбонатгидроксиапатита | |
| RU2179437C2 (ru) | Аморфный, карбонированный и фторированный гидроксиапатит для зубных паст и способ его получения | |
| RU2714188C1 (ru) | Способ получения окрашенного однофазного пирофосфата кальция | |
| Bakunova et al. | Silicon-containing hydroxylapatite nanopowders | |
| Herradi et al. | Physicochemical study of magnesium zinc codoped-hydroxyapatite | |
| Bogya et al. | Preparation and characterization of silicate hydroxyapatites used for copper sorption | |
| Kalbarczyk et al. | Synthesis of hydroxyapatite derived from agricultural waste and its applications as an adsorbent for heavy metal removal from wastewater |