RU2736048C1 - Способ получения наноразмерного гидроксиапатита - Google Patents
Способ получения наноразмерного гидроксиапатита Download PDFInfo
- Publication number
- RU2736048C1 RU2736048C1 RU2020114700A RU2020114700A RU2736048C1 RU 2736048 C1 RU2736048 C1 RU 2736048C1 RU 2020114700 A RU2020114700 A RU 2020114700A RU 2020114700 A RU2020114700 A RU 2020114700A RU 2736048 C1 RU2736048 C1 RU 2736048C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbonate
- anions
- degree
- silicate
- substitution
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/02—Inorganic materials
- A61L27/12—Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B25/00—Phosphorus; Compounds thereof
- C01B25/16—Oxyacids of phosphorus; Salts thereof
- C01B25/26—Phosphates
- C01B25/32—Phosphates of magnesium, calcium, strontium, or barium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F11/00—Compounds of calcium, strontium, or barium
- C01F11/18—Carbonates
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Geology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Предожен способ получения однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и карбонат-анионами формулы Ca10-d(НРО4)×(РО4)6-x-y-z(СО3)y(SiO4)z(ОН)2+x+y-z-2d. nH2O, где d - степень дефицитности Са2+; у - коэффициент или степень замещения фосфат ионов карбонат-анионами, z - коэффициент или степень замещения фосфат ионов силикат-анионами и молярном соотношении , включающий приготовление композиции из нитрата кальция/лимонной кислоты/тетраэтоксисилан/карбоната аммония, для чего к раствору нитрата кальция при перемешивании добавляют раствор лимонной кислоты по молярному соотношению 10:1 и с помощью раствора гидроксида аммония рН данной системы доводят до 10-11, продолжая перемешивание, осуществляют допирование силикат- и карбонат-анионами для получения готового продукта со степенью замещения карбоната и кремния у=z=1, для чего последовательно добавляют расчетные количества сначала тетраэтоксисилана, затем карбоната аммония (NH4)2CO3 и интенсивно перемешивают в течение 5-10 минут, затем в композицию из нитрата кальция/лимонной кислоты/ТЭОС/карбоната аммония добавляют по каплям со скоростью 4÷5 мл/мин раствор гидрофосфата аммония (NH4)2HPO4 для получения готового продукта с молярным соотношением в диапазоне от 1,50 до 1,60, поддерживая рН реакционной смеси равным 10-11 с помощью гидроксида аммония, и перемешивают в течение 30 минут, отстаивают в течение 24 часов при комнатной температуре, после чего осадок отделяют, промывают и сушат при 100 - 120°С до постоянной массы с последующим измельчением. Технический результат - реализация предполагаемого изобретения обеспечивает получение БМГАП, максимально приближенного по химическому составу и структуре костям человека и животных, допированного силикат- и карбонат-анионами с регулируемой растворимостью, дисперсностью и биоактивностью формулы Ca10-d(HPO4)x(PO4)6-x-y-z(CO3)y(SiO4)z(OH)2+x+y-z-2d.nH2O, где d - степень дефицитности ионов Ca2+; y – коэффициент или степень замещения фосфат ионов карбонат-анионами, z - коэффициент или степень замещения фосфат ионов силикат-анионами. 2 табл., 5 пр., 5 ил.
Description
Заявляемое техническое решение относится к области медицины и созданию новых биоматериалов медицинского назначения, конкретно к способу получения наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, который может быть использован для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в ортопедии и стоматологии.
Терминология, используемая в рамках данной заявки
Биомиметические материалы, или биомиметики (англ. biomimetic materials или biomimetics, bioinspired materials), материалы, создаваемые на основе принципов, уже существующих в живой природе. Это макро-, микро- и наноразмерные синтетические структуры, которые представляют собой аналоги фрагментов тканей, органов или биологически активных продуктов метаболизма, повторяющих свойства живых систем;
ГАП – гидроксиапатит;
допирование (англ. doping) – внедрение небольших количеств примесей в структуру гидроксиапатита;
биорезорбция – способность растворения при контакте с межтканевыми жидкостями в организме;
остеоиндукция – стимулирующее действие при новообразовании костной ткани;
CTAB – (англ. cetyltrimethylammonium bromide) цетилтриметиламмоний бромид;
БМГАП – биомиметический гидроксиапатит;
ТЭОС – тетраэтоксисилан;
остеоинтеграция — один из видов интеграции имплантата в костную ткань. При остеоинтеграции имеется непосредственный контакт и функциональная связь между имплантатом и костной тканью, на которую осуществляется нагрузка.
модельный SBF-раствор (англ. Simulated Body Fluid) — это раствор, который аналогичен по своему химическому составу и концентрации ионов человеческой межтканевой жидкости или плазме крови человека.
В настоящее время, гидроксиапатит Са1 0(PO4)6(ОН)2 (далее ГАП) и материалы на его основе широко используются в медицинских целях: в стоматологии, реконструктивной хирургии костной ткани, ортопедии в качестве заменяющего материала для поврежденных зубов и костей, поскольку он является главной минеральной составляющей костной ткани человека и животных [Elliott J. C. Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates // ELSEVIER: Amsterdam - London - New York – Tokyo.1994. 404 p.; Dorozhkin S. V. Calcium orthophosphates in nature, biology and medicine //Materials. 2009. Vol. 2. P.399-498]. Подобные материалы обладают преимущественно высокой биосовместимостью, не вызывают аллергических реакций и для них характерно отсутствие токсического воздействия на организм. Однако существенными недостатками препаратов на основе ГАП, применяемых в настоящее время в медицинской практике, являются их неоптимальная биорезорбция и слабая остеоиндукция. Известно, что биоактивность и соответственно скорость биорезорбции гидроксиапатита можно регулировать величиной удельной поверхности за счет уменьшения размера частиц и химическим модифицированием структуры биосовместимыми ионами. Показано, что биоапатит в костях человека и животных соответствует химической формуле
Ca10-d(HPO4)x(PO4)6-x-y-z(CO3)y(SiO4)z(OH)2+x+y-z-2d.nH2O
[Данильченко С. Н. Структура и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения // Вісник Сумського державного університету. Серія Фізика, математика, механіка. 2007. №2. С. 33-59, Самусев Р. П., Селин Ю. М. Анатомия человека. Медицина. Москва, 1990. 479 с], то есть является кальций дефицитным и содержащим в своей структуре определенное количество силикат- и карбонат-анионов. По своей морфологии частицы, формирующие природный ГАП, являются наноразмерными и преимущественно сферической формы.
В последнее время большой интерес представляют исследования, направленные на синтез биомиметического гидроксиапатита (далее БМГАП), структура которого максимально приближенного к биоапатиту.
Известно, что карбонат-ионы содержатся в кости человека и животных в наибольшем количестве от 2 до 8% масс. [Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. -М.: Наука, 2005. 204 с]. Замещение фосфат-ионов карбонат-анионами приводит к изменению степени кристалличности ГАП и уменьшению размера его кристаллов, а также повышает скорость биорезорбции [Frank-Kamenetskaya O., Kol’tsov A. Ion substitutions and non-stoichiometry of carbonated apatite-(CaOH) synthesized by precipitation and hydrothermal methods // J. of Molecular Structure. 2011. Vol. 9. P. 9-18].
Наряду с карбонат-анионами, другими широко распространенными замещенными анионами являются силикат-ионы, которые, как было обнаружено, играют немаловажную роль в физиологических процессах живых организмов. Имеются данные, что кремний связывают с процессом минерализации костей и остеопороза, синтеза коллагена [European Food Safety Authority. Opinion of the scientific panel on dietetic products, nutrition and allergies on a request from the commission related to the tolerable upper intake level of silicon // The EFSA Journal. 2004. Vol. 60. P. 1–11]. В последних исследованиях [Putlayev V., Veresov A., Pulkin M. et al. Silicon-substituted hydroxyapatite ceramics (Si-HAp): densification and grain growth through the prism of sintering theories // Mat. -wiss. u. Werkstofftech. 2006. Vol. 37, № 6. P. 416–421; Zheng Y., Dong G., Dengn C. Effect of silicon content on the surface morphology of silicon substituted hydroxyapatite bio-ceramics treated by a hydrothermal vapor method // Ceramics International. 2014. Vol. 40. P. 14661–14667] установлено, что добавление кремния в структуру ГАП способствует ускорению процесса остеоинтеграции, повышает скорость остеогенеза in vivo при имплантации кремнийсодержащей керамики.
В связи с вышеизложенным синтез наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и карбонат-анионами медицинского назначения является весьма актуальным.
Авторами Yang H., Wang Y. описан способ получения гидроксиапатита гидротермальным методом при взаимодействии водных растворов 0,13М Ca(NO3)2 и 0,06М (NH4)2HPO4. В качестве стабилизаторов с целью синергетического регулирования нуклеации и роста кристаллов гидроксиапатита использовали цитрат натрия Na3C6H5O7 и цетилтриметиламмоний бромид CH3(CH2)15N(Br)(CH3)3 (далее CTAB). [Yang H., Wang Y. Morphology control of hydroxyapatite microcrystals: Synergistic effects of citrate and CTAB // Mater. Sci. Eng. C. 2016. Vol. 62. P. 160–165]
Способ включает приготовление и перемешивание водных растворов А и Б.
Раствор А: 0,805г цитрата натрия Na3C6H5O7 и 0,47г нитрата кальция Ca(NO3)2×4H2O растворили в 15мл деионизированной воды, перемешивали в течение 12ч.
Раствор Б: 0,2 г CTAB и 0,16 г (NH4)2HPO4 растворили в 20мл деионизированной воды, pH доводили до 5 за счет добавления раствора 2М HNO3 ().
Далее раствор А по каплям вводили в раствор Б при интенсивном перемешивании с использованием магнитной мешалки. Молярное соотношение компонентов следующее: цитрат/CTAB/Ca/P = 5/1/3,07/1,846. После чего реакционную смесь переносили в тефлоновую колбу объемом 100 см3, помещали в автоклав из нержавеющей стали, затем герметизировали и выдерживали при 180°С в течение 24 часов. После естественного охлаждения автоклава до комнатной температуры выпавший осадок промывали деионизированной водой и этанолом 3 раза соответственно, а затем центрифугировали и сушили вымораживанием. Полученный материал представляет собой микросферические частицы ГАП, и эти микросферы диаметром около 4 мкм, были составлены из наностержней, морфология продуктов была однородной.
Недостатками известного способа являются:
1. Высокие временные и трудовые затраты, связанные с многостадийностью и сложностью процесса получения ГАП. Это значительно затрудняет получение продукта в больших количествах;
2. Полученные частицы ГАП имеют большой размер диаметром около 4 мкм и, следовательно, не пригоден для использования в медицинской практике.
3. Кроме того, в качестве добавок при синтезе использовали цитрат натрия, при этом может происходить дополнительное замещение ионов Na+ в структуре гидроксиапатита.
Известен также способ получения гидроксиапатита путем смешения водных растворов кальция и фосфатов [Королева М. Ю., Фадеева Е. Ю., Шкинев В. М., Катасонова О. Н., Юртов Е. В. Синтез наночастиц гидроксиапатита методом контролируемого осаждения в водной фазе // Журнал неорганической химии. 2016. Т. 61, № 6, с. 710-716], где в качестве прекурсоров ионов кальция и фосфатов использовали двухводный хлористый кальций CaCl2×2H2O и безводный двухзамещенный фосфат аммония (NH4)2HPO4, а источником цитрат-ионов был выбран цитрат натрия. Процесс синтеза ГАП осуществляли следующим образом: реакционный сосуд, содержащий 0,05М водного раствора CaCl2 и цитрат натрия, нагревали до 40°С. Затем при постоянном перемешивании в реакционную смесь добавляли 0,06М водного раствора (NH4)H2PO4 с помощью перистальтического насоса (1мл/мин), рН поддерживали постоянным 9,0 ± 0,1 добавлением раствора NH4OH. Полученную суспензию подвергали старению в течение 24 часов при комнатной температуре. Далее полученный осадок фильтровали, хорошо промывали дистиллированной водой и сушили. Данный способ позволяет получить наноразмерный гидроксиапатит и благодаря варьированию концентрации цитрата натрия, можно целенаправленно получить пластинчатые гидроксиапатиты размером от 10 до 25нм и наностержни гидроксиапатита длиной 280нм и менее.
Недостаток известного метода состоит в том, что вместе с силикатом- и карбонат-анионами в кристаллической решетке гидроксиапатита идет нежелательное примесное замещение катионов Na+ за счёт использования цитрата натрия в качестве добавки.
Наиболее близким к заявляемому способу, выбранным за прототип, является способ, описанный в патенте РФ №2555337 опубл. 10.07.2015. Указанный способ получения нанокристаллического силикатзамещенного карбонатгидроксиапатита (далее КГА), включающий смешение растворов содержащих ионы кальция, фосфата и силиката, отстаивание, фильтрование, промывку от маточного раствора и сушку, где для синтеза КГА смешивают водные растворы, содержащие четырехводный нитрат кальция Са(NO3)2×4H2O, безводный двухзамещенный фосфат аммония (NH4)H2PO4 и пятиводный метасиликат натрия Na2SiO3×5 H2O при рН на уровне 9,00 ÷12,00, а источник карбонат-ионов – из атмосферы воздуха. Процесс синтеза нанокристаллического КГА осуществляют методом осаждения: в реакционный сосуд, содержащий водный раствор Са(NO3)2 с добавкой 5мл концентрированного раствора аммиака, добавляют расчетное количество фосфатно-силикатной смеси ((NH4)H2PO4+ Na2SiO3) с помощью делительной воронки со скоростью 4,5÷5,0 мл/мин. Причем реагенты вводятся в реакционный сосуд при условии обеспечения соотношения концентрации реагентов Ca/(P+Si), равном 1,70, и доле силикат-ионов в общем количестве осадкообразующих анионов, составляющей не более 30 мол. %. После полного смешения реагентов рН реакционной среды доводят до 9÷12 и полученную суспензию подвергают старению в течение 2 суток. Вся реакцию проводят при комнатной температуре. Далее полученный осадок фильтруют, промывают дистиллированной водой 5÷8 раз и высушивают в тонком слое при температуре порядка 80°С для обеспечения постепенного обезвоживания синтетической массы. После этого полученные образцы КГА измельчают до порошкообразного состояния. Данный способ позволяет получить порошок нанокристаллического КГА, содержащий до 7.36 масс. % силикат-анионов и до 7.34 масс. % карбонат-ионов, который может быть использован для формирования кальциево-фосфатных покрытий на металлических имплантантах, а также создания новых керамических композиционных материалов для травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии.
Недостатки известного способа заключаются в том, что:
- используют метасиликат натрия Na2SiO3в качестве прекурсоров силикат-анионов в ходе синтеза КГА, при этом может происходить нежелательное примесное замещение катионов Na+ в кристаллической решетке гидроксиапатита;
- источником карбонат-ионов является CO2 из атмосферы воздуха, что затрудняет точный контроль коэффициента замещения фосфат-ионов карбонат-анионами в структуре ГАП. Следовательно кристаллическая формула полученного КГА не соответствует биомиметическому материалу подобного биоапатиту.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, максимально приближенного по химическому составу и структуре костям человека и животных.
Технический результат заключается в осуществлении поставленной задачи, а именно, реализация предполагаемого изобретения обеспечивает получение БМГАП, допированного силикат- и карбонат-анионами с регулируемой растворимостью, дисперсностью и биоактивностью формулы
Ca10-d(HPO4)x(PO4)6-x-y-z(CO3)y(SiO4)z(OH)2+x+y-z-2d.nH2O,
где d - степень дефицитности ионов Ca2+;
y – коэффициент или степень замещения фосфат ионов карбонат-анионами,
z - коэффициент или степень замещения фосфат ионов силикат-анионами.
Продукт, полученный предложенным способом, максимально близок по химическому составу и структуре костям человека и животных, в том числе за счет того, что молярное соотношение , средний размер кристаллов от 12нм до 65нм, удельная поверхность от 132,60 до 193,50 м2/г, что обеспечивает регулируемую биоактивность готового продукта;
- частицы которого имеют преимущественно сферическую форму, что является наиболее предпочтительным для предотвращения инициации провоспалительной реакции.
Поставленная задача достигается тем, что способ получения однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита допированного силикат- и карбонат-анионами формулы
Ca10-d(HPO4)x(PO4)6-x-y-z(CO3)y(SiO4)z(OH)2+x+y-z-2d.nH2O,
где d - степень дефицитности Ca2+; y – коэффициент или степень замещения фосфат ионов карбонат-анионами, z - коэффициент или степень замещения фосфат ионов силикат-анионами, включающий смешение растворов содержащих ионы кальция, фосфата и силиката, отстаивание при комнатной температуре, фильтрование, промывку от маточного раствора и сушку, включает следующие новые признаки:
- к раствору нитрата кальция при перемешивании добавляют раствор лимонной кислоты по молярному соотношению 10:1 и с помощью раствора гидроксида аммония рН данной системы доводят до 10 – 11;
- продолжая перемешивание осуществляют допирование силикат- и карбонат-анионами для получения готового продукта со степенью замещения карбоната и кремния y = z = 1 , для чего последовательно добавляют расчетные количества сначала ТЭОС, затем карбоната аммония (NH4)2CO3 и интенсивно перемешивают в течение 5-10 минут,
- затем в эту композицию из нитрата кальция/лимонной кислоты/ТЭОС/карбоната аммония добавляют по каплям со скоростью 4÷5 мл/мин раствор гидрофосфата аммония (NH4)2HPO4, для получения готового продукта с молярным соотношением в диапазоне от 1,50 до 1,60, поддерживая постоянным рН реакционной смеси с помощью гидроксида аммония, и перемешивают в течение 30 минут;
- отстаивают в течение 24 часов при комнатной температуре для завершения процесса фазообразования;
- после отделения и промывки осадка его сушат при 100 - 120°С до постоянной массы и измельчают.
Присутствие лимонной кислоты в качестве добавки в ходе синтеза БМГАП способствует ингибированию роста и агрегации кристаллов ГАП. Было обнаружено, что адсорбция цитрат-ионов на межфазовой поверхности растущих частиц ГАП обеспечивает электростатическую стабилизацию и приводит к снижению размеров частиц синтезируемого БМГАП.
Допирование силикат- и карбонат-анионами позволяет получить биомиметический гидроксиапатит, который максимально приближен по химическому составу и структуре природному биоапатиту костной ткани, что обеспечивает возможность регулировать биологическую активность продукта. При этом, в качестве поставщика карбонат-анионов использовали карбонат аммония (NH4)2CO3, что позволяет более точно контролировать содержание данных ионов в полученном продукте.
Предложенный способ характеризуют следующие фигуры
Фиг. 1. Дифрактограмма РФА образца БМГАП с молярным соотношением равным 1,5 , полученного при степени дефицитности ионов Ca2+ d=1 и коэффициентах замещения фосфат ионов карбонат- и силикат-анионами y=z=1 или 6,73 и 2,85 масс.% карбоната и кремния соответственно, в случае когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 0,48 масс. %. Рентгенофазовый анализ (РФА) исследуемых образцов БМГАП осуществляли на дифрактометре Rigaku Ultima IV с использованием СuКα - излучения (длина волны λ =1,54Å). Параметры съемки рентгенограмм: интервал углов 2θ=20-70°, шаг сканирования по 2θ - 0,02°, скорость регистрации спектров 3°/мин. Обработка данных результатов осуществляли с помощью программы PDXL Qualitative Analysis.
Фиг. 2. ИК-спектр образца БМГАП с молярным соотношением равным 1,5 , полученного при степени дефицитности ионов Ca2+ d=1 и коэффициентах замещения фосфат ионов карбонат- и силикат-анионами y=z=1 или 6,73 и 2,85 масс. % карбоната и кремния соответственно, в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 0,48 масс. %. ИК-спектры поглощения полученных порошков регистрировали на Фурье-спектрометре «IRPrestige-21» (Shimadzu, Япония) в интервале волновых чисел от 400 до 4000 см−1. Образцы готовили таблетированием с KBr;
Фиг. 3. ПЭМ-изображение образца БМГАП с молярным соотношением равным 1,5, полученного при степени дефицитности ионов Ca2+ d=1 и коэффициентах замещения фосфат ионов карбонат- и силикат-анионами y=z=1 или 6,73 и 2,85 масс. % карбоната и кремния соответственно, в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 0,48 масс. %.;
Фиг. 4. СЭМ-микрофотография порошка БМГАП с молярным соотношением равным 1,5, полученного при степени дефицитности ионов Ca2+ d=1 и коэффициентах замещения фосфат ионов карбонат- и силикат-анионами y=z=1 или 6,73 и 2,85 масс. % карбоната и кремния соответственно, в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 0,48 масс. %.;
Фиг. 5. Выход ионов кальция исследуемых образцов БМГАП по примерам 3-5 в SBF-раствор в зависимости от времени экспозиции.
Морфология и размеры частиц гидродисперсий были охарактеризованы методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на приборе JEM-2100 (JEOL Ltd., Япония). Параметры работы: ускоряющее напряжение электронной пушки U=200 кВ, разрешение δ= 0,19 нм, увеличение до х800000. В качестве подложки применяли углеродную пленку и медную сетку с круглыми отверстиями диаметром 0,1мм. Образцы в виде суспензий предварительно подвергли обработке в ультразвуковой ванне в течение 10-15 мин.
Измерение удельной поверхности (Sуд), объема и среднего размера пор полученных порошков осуществляли методом Брюнера-Эммета-Теллера на установке TriStar II 3020 («Micromeritics», США). Образцы выдерживали в инертной атмосфере азота с одновременным обеспечением нагрева при температуре 350°С. Величина удельной поверхности определена по изотерме низкотемпературной адсорбции паров азота по одноточечному методу БЭТ в точке P/Po= 0,299869104, а объем пор при P/Po = 0.983956169.
Биорезорбируемость исследуемых материалов изучали по международной стандартной методике в модельном SBF растворе. Образцы БМГАП помещали и выдерживали в SBF-растворе при 37°С в термостате в течение 14 суток. Через заданные промежутки времени определяли концентрацию ионов кальция, переходящих в раствор, методом комплексонометрического титрования. Биорезорбируемость, согласно методике, оценивали по количественному выходу ионов Са2+ (Фиг.5).
Заявляемый способ подтверждается следующими примерами.
Пример 1
Синтез наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и карбонат-анионами с молярным соотношением равным 1,5 (БМГАП 1,50), степенью дефицитности ионов Ca2+ d=1 и коэффициентами замещения фосфат ионов карбонат- и силикат-анионами y=z=1, что соответствуют 6,73 масс. % карбоната и 3,14 масс. % кремния, в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 0,048 масс. %.
Навеску 11,807г сухого кристаллогидрата Са(NO3)2×4H2O растворяют в реакторе, оборудованном верхнеприводной мешалкой в 100 мл дистиллированной воды. К этому раствору добавляют 1 мл 0,5М раствора лимонной кислоты, рН смеси доводят до 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Далее к этой композиции при постоянном перемешивании добавляют 1,23 мл ТЭОС (1,155г, ρ=0,94 г/см3), затем добавляют 0,533г (NH4)2CO3 и реакционную смесь интенсивно перемешивают в течение 5-10 минут.
Навеску 2,933г сухого (NH4)2HPO4 растворяют в 100 мл дистиллированной воды, затем полученный раствор помещают в делительную воронку и добавляют по каплям со скоростью 4÷5 мл/мин в водный раствор, содержащий композицию из нитрата кальция/лимонной кислоты/ТЭОС/карбоната аммония. При этом рН реакционной смеси поддерживается постоянным на уровне 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Реакционную смесь перемешивают в течение 30 минут, а затем отстаивают в течение 24 часов для завершения процесса фазообразования. Весь синтез проводят при комнатной температуре.
Полученный осадок отделяют с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок тщательно промывают от маточного раствора дистиллированной водой и сушат при 100 - 120°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого образцы БМГАП измельчают в мелкий порошок с использованием ступки и пестика.
Пример 2
Синтез наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и карбонат-анионами с молярным соотношением равным 1,5 (БМГАП 1,50), степенью дефицитности ионов Ca2+ d=1 и коэффициентами замещения фосфат ионов карбонат- и силикат-анионами y=z=1, что соответствуют 6,73 и 3,14 масс. % карбоната и кремния, в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 0,24 масс. %.
Навеску 11,807г сухого кристаллогидрата Са(NO3)2×4H2O растворяют в реакторе, оборудованном верхнеприводной мешалкой в 100 мл дистиллированной воды. К этому раствору добавляют 5 мл 0,5М раствора лимонной кислоты, рН смеси доводят до 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Далее к этой композиции при постоянном перемешивании добавляют 1,23 мл ТЭОС (1,155г, ρ=0,94 г/см3), затем добавляют 0,533г (NH4)2CO3 и реакционную смесь интенсивно перемешивают в течение 5-10 минут.
Навеску 2,933г сухого (NH4)2HPO4 растворяют в 100 мл дистиллированной воды, затем полученный раствор помещают в делительную воронку и добавляют по каплям со скоростью 4÷5 мл/мин в водный раствор, содержащий композицию из нитрата кальция/лимонной кислоты/ТЭОС/карбоната аммония. При этом рН реакционной смеси поддерживается постоянным на уровне 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Реакционную смесь перемешивают в течение 30 минут, а затем отстаивают в течение 24 часов для завершения процесса фазообразования. Весь синтез проводят при комнатной температуре.
Полученный осадок отделяют с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок тщательно промывают от маточного раствора дистиллированной водой и сушат при 100 - 120°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого образцы БМГАП измельчают в мелкий порошок с использованием ступки и пестика.
Пример 3
Синтез наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и карбонат-анионами с молярным соотношением равным 1,5 (БМГАП 1,50), степенью дефицитности ионов Ca2+ d=1 и коэффициентами замещения фосфат ионов карбонат- и силикат-анионами y=z=1, что соответствуют 6,73 и 3,14 масс. % карбоната и кремния, в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 0,48 масс. %.
Навеску 11,807г сухого кристаллогидрата Са(NO3)2×4H2O растворяют в реакторе, оборудованном верхнеприводной мешалкой в 100 мл дистиллированной воды. К этому раствору добавляют 10 мл 0,5М раствора лимонной кислоты, рН смеси доводят до 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Далее к этой композиции при постоянном перемешивании добавляют 1,23 мл ТЭОС (1,155г, ρ=0,94 г/см3), затем добавляют 0,533г (NH4)2CO3 и реакционную смесь интенсивно перемешивают в течение 5-10 минут.
Навеску 2,933г сухого (NH4)2HPO4 растворяют в 100 мл дистиллированной воды, затем полученный раствор помещают в делительную воронку и добавляют по каплям со скоростью 4÷5 мл/мин в водный раствор, содержащий композицию из нитрата кальция/лимонной кислоты/ТЭОС/карбоната аммония. При этом рН реакционной смеси поддерживается постоянным на уровне 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Реакционную смесь перемешивают в течение 30 минут, а затем отстаивают в течение 24 часов для завершения процесса фазообразования. Весь синтез проводят при комнатной температуре.
Полученный осадок отделяют с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок тщательно промывают от маточного раствора дистиллированной водой и сушат при 100 - 120°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого образцы БМГАП измельчают в мелкий порошок с использованием ступки и пестика.
Пример 4
Синтез наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и карбонат-анионами в присутствии цитрат-ионов с молярным соотношением
Навеску 11,807г сухого кристаллогидрата Са(NO3)2×4H2O растворяют в реакторе, оборудованном верхнеприводной мешалкой в 100 мл дистиллированной воды. К этому раствору добавляют 10 мл 0,5М раствора лимонной кислоты, рН смеси доводят до 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Далее к этой композиции добавляют 1,19 мл ТЭОС (1,118г, ρ=0,94г/см3), затем добавляют 0,516г (NH4)2CO3 и реакционную смесь интенсивно перемешивают в течение 5-10 минут.
Навеску 2,838г сухого (NH4)2HPO4 растворяют в 100 мл дистиллированной воды, затем полученный раствор помещают в делительную воронку и добавляют по каплям со скоростью 4÷5 мл/мин в водный раствор, содержащий композицию из нитрата кальция/лимонной кислоты/ТЭОС/карбоната аммония. При этом рН реакционной смеси поддерживается постоянным на уровне 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Реакционную смесь перемешивают в течение 30 минут, а затем отстаивают в течение 24 часов для завершения процесса фазообразования. Весь синтез проводят при комнатной температуре.
Полученный осадок отделяют с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок тщательно промывают от маточного раствора дистиллированной водой и сушат при 100 - 120°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого образцы БМГАП измельчают в мелкий порошок с использованием ступки и пестика.
Пример 5
Синтез наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и карбонат-анионами в присутствии цитрат-ионов с молярным соотношением равным 1,60 (БМГАП 1,60), степенью дефицитности ионов Ca2+ d=0,4 и коэффициентами замещения фосфат ионов карбонат- и силикат-анионами y=z=1, что соответствуют 6,41 и 2,99 масс. % карбоната и кремния, в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 0,48 масс. %.
Навеску 11,807г сухого кристаллогидрата Са(NO3)2×4H2O растворяют в реакторе, оборудованном верхнеприводной мешалкой в 100 мл дистиллированной воды. К этому раствору добавляют 10 мл 0,5М раствора лимонной кислоты, рН смеси доводят до 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Далее к этой композиции добавляют 1,15 мл ТЭОС (1,083г, ρ=0,94г/см3), затем добавляют 0,516г (NH4)2CO3 и реакционную смесь интенсивно перемешивают в течение 5-10 минут.
Навеску 2,750г сухого (NH4)2HPO4 растворяют в 100 мл дистиллированной воды, затем полученный раствор помещают в делительную воронку и добавляют по каплям со скоростью 4÷5 мл/мин в водный раствор, содержащий композицию из нитрата кальция/лимонной кислоты/ТЭОС/карбоната аммония. При этом рН реакционной смеси поддерживается постоянным на уровне 10-11 за счет добавления 25 масс. % NH4OH. Реакционную смесь перемешивают в течение 30 минут, а затем отстаивают в течение 24 часов для завершения процесса фазообразования. Весь синтез проводят при комнатной температуре.
Полученный осадок отделяют с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок тщательно промывают от маточного раствора дистиллированной водой и сушат при 100 - 120°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого образцы БМГАП измельчают в мелкий порошок с использованием ступки и пестика.
Физико-химические характеристики и текстурные характеристики образцов, полученных по примерам 1-5 приведены в табл. 1-2.
Таблица 1
Физико-химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-5
Таблица 2
Текстурные характеристики образцов, полученных по примерам 1-5
Средний размер кристаллитов определяли по формуле Селякова-Шеррера:
где D – размер кристаллита; n – коэффициент, зависящий от формы частицы и близкий к 1; л – длина волны излучения; в – полуширина дифракционной линии; и – дифракционный угол [Cullity B. D., Weymouth J. W.Elements of X-Ray Diffraction // Am. J. Phys. 1957. Vol. 25. P. 394–395]. Степень кристалличности Xs синтезированных образцов рассчитывали по данным рентгеновской дифрактограммы с использованием формулы:
где - интегрированная площадь под всеми пиками кристаллов и - общая интегрированная площадь под всеми пиками дифракции рентгеновских лучей при 2θ = 20 ÷ 70° [Singh G., Singh S., Prakash S. Surface characterization of plasma sprayed pure and reinforced hydroxyapatite coating on Ti6Al4V alloy // Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 205. P. 4814-4820].
Известно, что форма микроразмерных частиц ГАП также является важной для инициации провоспалительной реакции, и игольчатая форма кристаллов ГАП является наименее биосовместимой [Laquerriere P., Grandjean-Laquerriere A., Addadi-Rebbah S. et al. MMP-2, MMP-9 and their inhibitors TIMP-2 and TIMP-1 production by human monocytes in vitro in the presence of different forms of hydroxyapatite particles // Biomaterials. 2004. Vol. 25, № 13. P. 2515-24]. Также известно, что игольчатая форма кристаллов ГАП (размер 0,1–20 мкм) инициирует активацию NLRP3 инфламасомы и выраженную секрецию IL-1β макрофагами и дендритными клетками костного мозга мышей in vitro, а при внутрибрюшинной инъекции микроразмерного и субмикронного ГАП воспалительный ответ не развивался при введении частиц ГАП сравнимого размера, но гладкой сферической формы [Lebre F., Sridharan R., Sawkins M.J. et al. The shape and size of hydroxyapatite particles dictate inflammatory responses following implantation. Sci. Rep. 2017; 7(1): 2922].
Предложенный способ позволяет получать наноразмерные частицы сферической формы размером от 12 до 65нм (фиг. 3), которые согласно [Lebre F., Sridharan R., Sawkins M.J. et al. The shape and size of hydroxyapatite particles dictate inflammatory responses following implantation // Sci. Rep. 2017. Vol. 7, № 1: P. 2922] являются наиболее биосовместимыми для внутрибрюшинной инъекции.
По примерам 1-3, представленным в таблице 2 видно, что увеличение концентрации цитрат-ионов, вводимых в ходе синтеза БМГАП приводит к уменьшению размера частиц готового продукта, и как следствие, способствует повышению удельной поверхности с 132,60 до 192,50 м2/г, что позволяет успешно регулировать биосовместимость и биорезорбируемость синтезированного материала.
Таким образом, поставленная задача по созданию способа получения наноразмерного БМГАП, структура и состав которого максимально приближен по химическому составу и структуре костям человека и животных, решена, и при реализации предложенного способа достигнут заявленный технический результат, заключающийся в том, что получен БМГАП формулы Ca10-d(HPO4)x(PO4)6-x-y-z(CO3)y(SiO4)z(OH)2+x+y-z-2d.nH2O, где d - степень дефицитности ионов Ca2+; y – коэффициент или степень замещения фосфат ионов карбонат-анионами, z - коэффициент или степень замещения фосфат ионов силикат-анионами, со средним размером кристаллов от 12 до 65нм, удельной поверхностью 132,60 - 193,50 м2/г и обладающий хорошей биосовместимостью, регулируемой биорезорбцией, за счет того, что частицы БМГАП имеют сферическую форму, которая обладает лучшей биосовместимостью для предупреждения инициации провоспалительной реакции в организме.
Claims (1)
- Способ получения однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и карбонат-анионами формулы Ca10-d(НРО4)×(РО4)6-x-y-z(СО3)y(SiO4)z(ОН)2+x+y-z-2d. nH2O, где d - степень дефицитности Са2+; у - коэффициент или степень замещения фосфат ионов карбонат-анионами, z - коэффициент или степень замещения фосфат ионов силикат-анионами и молярном соотношении , включающий приготовление композиции из нитрата кальция/лимонной кислоты/тетраэтоксисилан/карбоната аммония, для чего к раствору нитрата кальция при перемешивании добавляют раствор лимонной кислоты по молярному соотношению 10:1 и с помощью раствора гидроксида аммония рН данной системы доводят до 10-11, продолжая перемешивание, осуществляют допирование силикат- и карбонат-анионами для получения готового продукта со степенью замещения карбоната и кремния у=z=1, для чего последовательно добавляют расчетные количества сначала тетраэтоксисилана, затем карбоната аммония (NH4)2CO3 и интенсивно перемешивают в течение 5-10 минут, затем в композицию из нитрата кальция/лимонной кислоты/ТЭОС/карбоната аммония добавляют по каплям со скоростью 4÷5 мл/мин раствор гидрофосфата аммония (NH4)2HPO4 для получения готового продукта с молярным соотношением в диапазоне от 1,50 до 1,60, поддерживая рН реакционной смеси равным 10-11 с помощью гидроксида аммония, и перемешивают в течение 30 минут, отстаивают в течение 24 часов при комнатной температуре, после чего осадок отделяют, промывают и сушат при 100 - 120°С до постоянной массы с последующим измельчением.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020114700A RU2736048C1 (ru) | 2020-04-24 | 2020-04-24 | Способ получения наноразмерного гидроксиапатита |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020114700A RU2736048C1 (ru) | 2020-04-24 | 2020-04-24 | Способ получения наноразмерного гидроксиапатита |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2736048C1 true RU2736048C1 (ru) | 2020-11-11 |
Family
ID=73460907
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020114700A RU2736048C1 (ru) | 2020-04-24 | 2020-04-24 | Способ получения наноразмерного гидроксиапатита |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2736048C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113913805A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-11 | 中南大学湘雅医院 | 一种冷喷涂改性层及其应用 |
RU2808468C1 (ru) * | 2022-12-31 | 2023-11-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный медицинский университет им. Н.Н. Бурденко"Министерства здравоохранения Российской Федерации | Способ выращивания кристаллов кальция карбоната и гидроксиапатита на углеродных наноструктурных имплантатах |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1999032400A1 (en) * | 1997-12-22 | 1999-07-01 | Abonetics Limited | Process for the preparation of magnesium and carbonate substituted hydroxyapatite |
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 |
RU2588525C1 (ru) * | 2014-12-11 | 2016-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Наноапатит" | Способ получения наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита |
-
2020
- 2020-04-24 RU RU2020114700A patent/RU2736048C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1999032400A1 (en) * | 1997-12-22 | 1999-07-01 | Abonetics Limited | Process for the preparation of magnesium and carbonate substituted hydroxyapatite |
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 |
RU2588525C1 (ru) * | 2014-12-11 | 2016-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Наноапатит" | Способ получения наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
FRANK-KAMENETSKAYA O., KOL’TSOV A. ION SUBSTITUTIONS AND NON-STOICHIOMETRY OF CARBONATED APATITE-(CAOH) SYNTHESIZED BY PRECIPITATION AND HYDROTHERMAL METHODS // J. OF MOLECULAR STRUCTURE. 2011. VOL. 9. P. 9-18. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113913805A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-01-11 | 中南大学湘雅医院 | 一种冷喷涂改性层及其应用 |
CN113913805B (zh) * | 2021-10-20 | 2023-08-22 | 中南大学湘雅医院 | 一种冷喷涂改性层及其应用 |
RU2808468C1 (ru) * | 2022-12-31 | 2023-11-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный медицинский университет им. Н.Н. Бурденко"Министерства здравоохранения Российской Федерации | Способ выращивания кристаллов кальция карбоната и гидроксиапатита на углеродных наноструктурных имплантатах |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hui et al. | Synthesis of hydroxyapatite bio-ceramic powder by hydrothermal method | |
Lazić et al. | The effect of temperature on the properties of hydroxyapatite precipitated from calcium hydroxide and phosphoric acid | |
Li et al. | A simple biomimetic method for calcium phosphate coating | |
Khalid et al. | Effect of surfactant and heat treatment on morphology, surface area and crystallinity in hydroxyapatite nanocrystals | |
Geng et al. | Synthesis, characterization and the formation mechanism of magnesium-and strontium-substituted hydroxyapatite | |
Zhang et al. | A simple method to tailor spherical nanocrystal hydroxyapatite at low temperature | |
Kim et al. | Sol–Gel Preparation and Properties of Fluoride‐Substituted Hydroxyapatite Powders | |
Türk et al. | Biomimetric coating of monophasic brushite on Ti6Al4V in new m-5xSBF | |
RU2500840C1 (ru) | Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита | |
Hosseini et al. | Synthesis of nanocrystalline hydroxyapatite using eggshell and trimethyl phosphate | |
RU2736048C1 (ru) | Способ получения наноразмерного гидроксиапатита | |
Malau et al. | Synthesis of hydrokxyapatite based duck egg shells using precipitation method | |
Tsyganova et al. | Role of Mg 2+, Sr 2+, and F–ions in octacalcium phosphate crystallization | |
Barandehfard et al. | Sonochemical synthesis of hydroxyapatite and fluoroapatite nanosized bioceramics | |
Prakash et al. | A comparative study on microemulsion synthesis of hydroxyapatite powders by ionic and Non-Ionic surfactants | |
Biernat et al. | Influence of low-temperature reaction time on morphology and phase composition of short calcium phosphate whiskers | |
KR100787526B1 (ko) | 마이크로파 및 pH조절에 따른 구형의 수산화아파타이트,α-tricalcium phosphate,β-tricalcium phosphate 나노분체의제조방법 | |
Medvecky et al. | Nanohydroxyapatite prepared from non-toxic organic Ca2+ compounds by precipitation in aqueous solution | |
Pandey et al. | Facile methods of preparing pure hydroxyapatite nanoparticles in ordinary laboratories | |
KR101308952B1 (ko) | 나노 크기의 β-트리칼슘포스페이트를 포함하는 골시멘트용 조성물 및 그의 제조방법 | |
Rodriguez-Chanfrau et al. | Synthesis by wet chemical method of different phases of apatites applying ultrasound | |
CN113548652A (zh) | 利用激光的磷灰石粉末合成方法 | |
Bogdanova et al. | Synthesis and study of nanosized biomaterials based on hydroxyapatite | |
Hoang et al. | Synthesis of Silicon-And Carbonate-Doped Biomimetic Hydroxyapatite in the Presence of Citrate Ions and its Physicochemical, Bioactivity Properties | |
Kubro et al. | Synthesis of calcium phosphate: influence of sintering temperature on the formation of fluorhydroxyapatite |