WO2014014392A2 - Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита - Google Patents

Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита Download PDF

Info

Publication number
WO2014014392A2
WO2014014392A2 PCT/RU2013/000781 RU2013000781W WO2014014392A2 WO 2014014392 A2 WO2014014392 A2 WO 2014014392A2 RU 2013000781 W RU2013000781 W RU 2013000781W WO 2014014392 A2 WO2014014392 A2 WO 2014014392A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
silicon
calcium hydroxide
aqueous solution
hydroxyapatite
molar ratio
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000781
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2014014392A3 (ru
Inventor
Михаил Александрович ТРУБИЦЫН
Наталья Георгиевна ГАБРУК
Ван Дат ДОАН
Ван Тхуан ЛЕ
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Publication of WO2014014392A2 publication Critical patent/WO2014014392A2/ru
Publication of WO2014014392A3 publication Critical patent/WO2014014392A3/ru

Links

Classifications

    • 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
    • C01B25/322—Preparation by neutralisation of orthophosphoric acid

Definitions

  • the invention relates to a technology for the production of inorganic materials, namely, to a method for producing nanocrystalline silicon-substituted hydroxyapatite, which can be used to produce medical materials that stimulate the restoration of bone defects, including in dentistry.
  • HAP hydroxyapatite
  • Hydroxyapatite can be considered a crystallochemical analogue of the mineral component of the tissues of the skeleton of animals and people, and in this regard, it successfully serves as the basic component of synthetic materials for orthopedics and dentistry. Therefore, synthetic HAP is the most biocompatible calcium orthophosphate, which is reported to be often prepared using ceramic technology and used as bone substitution material in porous, granular, plasma-sprayed and compacted forms. [1] However, hydroxyapatite ceramics do not dissolve very well in the body and do not resorb within a reasonable period of time. [2] The suggested time for perfectly complete resorption of these materials is from 1 month to 3 years, during which they will be replaced with new bones. Therefore, increasing the rate of integration with bone tissue and the bioactivity of hydroxylapatite-based materials is an important task.
  • hydroxyapatite A promising direction for increasing the resorbability and osteoinduction of calcium phosphate materials is the chemical modification of hydroxyapatite, primarily by producing silicon- or silicate-substituted hydroxyapatite, then Si- ⁇ . It has been established that hydroxyapatite modified with silicate anions promotes improved proliferation of osteoblasts and the growth of extracellular matrix, accelerated bone mineralization [4 - 5]. Silicon-substituted hydroxyapatites are most often described by the formula:
  • HAP precipitate was heat treated at 1200 ° C in for 2 hours in an atmosphere of air.
  • the disadvantage of this method is the low degree of substitution of silicon x ⁇ 1, which corresponds to a silicon content of 0.8 - 1.5 mass%, and on the other hand, the appearance of impurity phases, for example, calcium oxide or tricalcium phosphate after heat treatment when using higher degrees of substitution, for example, at x> 1.
  • the specified method involves the synthesis of Si- ⁇ by precipitation at a pH of at least 9 from an aqueous solution of reagents containing phosphoric acid, calcium hydroxide and tetraethylorthosilicate (hereinafter TEOS). Moreover, the reagents are introduced into the reaction mixture, provided that the molar ratio of Ca / P in the range from 2.05 to 2.55, the content of silicon atoms in the range from 2.9 to 6 mass% and the molar ratio. Ca / (P + Si) in the range of 1.50 to 1.66.
  • the phosphoric acid solution is placed in a dropping funnel and added dropwise to the calcium hydroxide / TEOS composition over a period of about 60-120 minutes.
  • the reaction mixture is stirred for 2 hours and then left to age for about 24 hours. The whole reaction takes place at room temperature. Then the suspension is filtered using a Buchner funnel using filter paper and a vacuum pump. After removing the filtrate, the wet filter is cake is placed in a drying oven and dried at 90 ° C for 2 days. After that, the dried filter cake is removed, ground into fine powder using a mortar and pestle, and then placed in a chamber furnace and heated in an atmosphere of air to maximum temperatures from 400 ° C to 900 ° C for one hour. The heating rate is 2.5 ° C / min, the cooling rate is 10 ° C / min.
  • This method allows to obtain polycrystalline pure or monophasic silicon-substituted hydroxyapatite, consisting of particles of 0.05 - 5 ⁇ m in size (or 50 - 5000 nm, respectively), having a relatively high dissolution rate and the ability to extract sufficient amounts of silicon in solution.
  • the advantage of the silicon-substituted hydroxyapatite of this invention is its higher solubility compared to ceramic silicon-substituted hydroxyapatite and conventional unmodified hydroxyapatite, as well as a higher yield of silicon upon contact with the solution. It is also noted that when the silicon-substituted hydroxyapatite is kept in physiological saline, the concentration of calcium ions remains unchanged or increases. This compares it favorably with hydroxyapatites with a low level of silicon substitution, for which the calcium content in physiological saline decreases during the same period of time.
  • the specific surface area of the silicon-substituted hydroxyapatite powder obtained by this method is from 10 to 90 m 2 / g, which significantly exceeds the specific surface area of conventional hydroxyapatite powder after heating the samples at the same temperature.
  • the specific surface area of the silicon-substituted hydroxyapatite powder obtained by this method is 27 m / g, and the specific surface area of the corresponding unsubstituted hydroxyapatite powder is 13 m 2 / g.
  • a method for producing Si ⁇ including synthesis by precipitation from an aqueous solution of reagents containing phosphoric acid, calcium hydroxide and tetraethylorthosilicate at a pH of at least 9 and a molar ratio of Ca / P in the range from 2.0 to 2.5, settling to complete the phase reversal process mations, isolating the precipitate, drying and heat-treating the precipitate, the synthesis of lead by pouring a 10-20% solution of phosphoric acid at a rate of 0.2 - 0.8 ml / min.
  • the method includes the following new features:
  • the flow rate of a 10-20% phosphoric acid solution is less than 0.2 l / min. per liter of an aqueous solution of the composition of calcium hydroxide and tetraethylorthosilicate is impractical due to the extremely low yield of the finished product.
  • the flow rate of a 10-20% phosphoric acid solution is more than 0.8 l / min. per liter of aqueous solution of the composition of calcium hydroxide and tetraethylorthosilicate leads to the possibility of obtaining an unstable unstoichiometric silicon-substituted hydroxyapatite with a violated principle of electroneutrality, which can further decompose upon heating to form tricalcium phosphate — Ca 3 (P0 4 ) 2 , calcium hydroxide — Ca (OH) 2, or calcium oxide — CaO.
  • the theoretical justification of the proposed invention is as follows. Silicon-substituted hydroxyapatites can be represented by the formula — Ca (P0 4 ) 6 .
  • L is the coefficient or degree of substitution of silicon.
  • the presence of up to 5-6 mass% silicon in the composition of bone tissue is fundamentally important for the formation of a full-fledged natural bone with the required structure and functionality.
  • the source of silicate ions is tetraethylorthosilicate (TEOS), which is added to the solution of calcium hydroxide.
  • TEOS tetraethylorthosilicate
  • free silicate ions enter the reaction mixture by the reaction:
  • This part of the polymerized silicon can no longer participate in the isomorphic substitution of phosphorus, but is deposited on solid particles of a suspension of calcium hydroxide or on the surface of already formed crystallites of unsubstituted hydroxyapatite.
  • side products for example, unstable chiometric hydroxyapatite Caio-5 (TO 4 ) 6 -x (Si0 4 ) x (OH) 2-x , with a violation of the principle of electroneutrality, which can then decompose with the formation of tricalcium phosphate - Ca 3 (P0 4 ) 2 , calcium hydroxide - Ca (OH) 2 or calcium oxide — CaO.
  • the IR absorption spectra of the samples were recorded in the range 400–4000 cm ⁇ 1 with the following parameters: number of scans 32; number of scans 32; resolution 4,000; gain 8.0; mirror speed 0.6329; aperture 100.00. Analysis of the obtained IR spectra, the determination of the wave numbers was carried out using the OMNIC software package (version 7.3) using an autofilter, basic correction.
  • the resulting colloidal solution was filtered using a Buchner funnel, using filter paper and a vacuum pump. Then the filter cake was quantitatively transferred to a porcelain dish and dried at 90 ° C in an oven to constant weight. After that, Si- ⁇ was ground into a fine powder using a mortar and pestle and placed in a muffle furnace, where it was heat treated at 300 ° C for 2 hours, the heating rate was 10 ° C / min.
  • the resulting colloidal solution was filtered using a Buchner funnel, using filter paper and a vacuum pump. Then the filter cake was quantitatively transferred to a porcelain dish and dried at 90 ° C in an oven to constant weight. After that, Si- ⁇ was ground into a fine powder using a mortar and pestle and placed in a muffle furnace, where it was heat treated at 350 ° C for 2 hours, the heating rate was 10 ° C / min.
  • the resulting colloidal solution was filtered using a Buchner funnel, using filter paper and a vacuum pump. Then precipitate with the filter was quantitatively transferred to a porcelain dish and dried at 90 ° C in an oven to constant weight. After that, Si- ⁇ was ground into a fine powder using a mortar and pestle and placed in a muffle furnace, where it was heat treated at 300 ° C for 2 hours, the heating rate was 10 ° C / min.
  • the resulting colloidal solution was filtered using a Buchner funnel, using filter paper and a vacuum pump. Then the filter cake was quantitatively transferred to a porcelain dish and dried at 90 ° C in an oven to constant weight. After that, Si- ⁇ was ground into a fine powder using a mortar and pestle and placed in a muffle furnace, where it was heat treated at 370 ° C for 2 hours, the heating rate was 10 ° C / min.
  • the resulting colloidal solution was filtered using a Buchner funnel, using filter paper and a vacuum pump. Then the filter cake was quantitatively transferred to a porcelain dish and dried at 90 ° C in an oven to constant weight. After that, Si- ⁇ was ground into a fine powder using a mortar and pestle and placed in a muffle furnace, where it was heat-treated at 300 ° C.
  • the resulting colloidal solution was filtered using a Buchner funnel, using filter paper and a vacuum pump. Then the filter cake was quantitatively transferred to a porcelain dish and dried at 90 ° C in an oven to constant weight. After that, Si- ⁇ was ground into a fine powder using a mortar and pestle and placed in a muffle furnace, where it was heat treated at 300 ° C for 2 hours, the heating rate was 10 ° C / min.
  • the resulting colloidal solution was filtered using a Buchner funnel, using filter paper and a vacuum pump. Then the filter cake was quantitatively transferred to a porcelain dish and dried at 90 ° C in an oven to constant weight. After that, Si- ⁇ was ground into a fine powder using a mortar and pestle and placed in a muffle furnace, where it was heat treated at 250 ° C for 2 hours, the heating rate was 10 ° C / min.
  • the yield of silicon after aging in SBF-solution approximately corresponds to the silicon yield for the sample in example 6, where the silicon content is two times lower.
  • the yield of silicon in the SBF solution is one and a half times lower, which is evidence of a decrease in bioactivity as a result of heat treatment at temperatures below 300 ° C.
  • Nanocrystalline hydroxylapatite was obtained by “wet synthesis” by adding a 20% aqueous solution of phosphoric acid (H 3 P0 4 ) to a saturated solution of calcium hydroxide Ca (OH) 2 at a rate of 1 ml / min.
  • the reaction equation can be represented as follows:
  • This phosphoric acid solution was placed in a dropping funnel and calcium hydroxide / TEOS was added dropwise to the reaction composition over 60 minutes (feed rate of a 2% solution of H 3 P0 4 - 16 ml / min).
  • the pH of the reagent mixture was checked and the pH remained above 10.
  • the reaction mixture was stirred for 2 hours and then left to age for about 24 hours. The whole reaction took place at room temperature.
  • the suspension was filtered using a Buchner funnel, using filter paper and a vacuum pump. After the filtrate was removed and a wet filter cake was obtained, it was placed in an oven and dried at 90 ° C for 2 days. After that, the dried filter cake was removed and ground into powder using a mortar and pestle. This powder was then placed in a muffle laboratory furnace, where it was heated in an atmosphere of air to 900 ° C with holding for one hour. Heating rate was 2.5 ° C / min, the cooling rate was 10 ° C / min.
  • the silicon content in the solution was determined by x-ray fluorescence method using a Spectroscan analyzer.
  • Table 1 presents the physicochemical characteristics of the samples obtained in examples 1-9
  • Patent US20100173009A Silicate-substituted hydroxyapatite. I. R. Gibson et al.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Dental Preparations (AREA)

Abstract

Способ получения монофазового нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита, который может быть использован для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии, относится к технологии получения неорганических материалов. Синтез кремнийсодержащего гидроксиапатита со степенью замещения кремнием x=1-2 и молярного отношения Ca/(P+Si) близким к 1,67 ведут методом осаждения из водного раствора реагентов, содержащих ортофосфорную кислоту, гидроксид кальция и тетраэтилортосиликат при pH не менее 9 и молярном отношении Ca/P в диапазоне от 2,0 до 2,5. Готовят композицию из 0,08-0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция и тетраэтилортосиликата. Раствор ортофосфорной кислоты с 10-20%-ной концетрацией приливают со скоростью 0,2 - 0,8 мл/мин, на литр водного раствора композиции гидроксид кальция/тетраэтилортосиликат. Отстаивают для завершения процесса фазообразования, выделяют осадок и высушивают его. Термообработку ведут при температуре не ниже 300C, но не более 400C.

Description

Способ получения нанокристаллического кре нийза ещенного гидро сиапатита Область техники
Изобретение относится к технологии получения неорганических материалов, а именно, к способу получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита, который может быть использован для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии.
Предшествующий уровень техники
В последние годы в медицинской практике с целью замены, восстановления или реставрации поврежденных костей и суставов в качестве биосовместимых имплантатов весьма эффективно используются кальций-фосфатные материалы.
Ограниченные источники аутогенных материалов, а также риски, связанные с использованием аллогенных или ксеногенных материалов, сделали актуальным широкое применение в стоматологической и ортопедической практике синтетических костнопластических материалов. Решающим фактором при выборе подобных синтетических материалов является то, что они должны быть максимально биосовместимыми и биологически активными материалами, способными к полноценной интеграции в естественный процесс ремоделирования костной ткани.
Одним из наиболее востребованных костнопластических синтетических материалов кальций-фосфатного состава среди разработанных в течение последних 30-40 лет является гидроксиапатит (далее ГАП), который соответствует химической формуле Са10(РО4)6(ОН)2.
Гидроксиапатит можно считать кристаллохимическим аналогом минеральной составляющей тканей скелета животных и людей и в связи с этим он успешно служит базовым компонентом синтетических материалов для ортопедии и стоматологии. Поэтому синтетический ГАП является наиболее биосовместимым ортофосфатом кальция, который, как сообщается, часто готовят по керамической технологии и в качестве костнозамещающего материала применяют в поризованной, гранулированной, плазменнонапыленной и компактированной формах. [1] Однако гидроксиапатитовая керамика не очень хорошо растворяется в организме и не резорбирует в течение разумного периода времени. [2] Предлагаемое время для идеально полной резорбции этих материалов составляет от 1 месяца до 3 лет, в течение которых они будут замещены на новые кости. Поэтому повышение скорости интеграции с костной тканью и биоактивности материалов на основе гидроксилапатита является важной задачей.
Одним из путей решения этой проблемы является синтез наноразмерного гидроксиапатита с последующей термической обработкой ниже температуры спекания. Поэтому для получения наноразмерного ГАП сегодня наибольшее распространение получили методы, основанные на осаждении гидроксиапатита из щелочных водных растворов реагентов, содержащих в стехиометрическом соотношении ионы кальция и фосфат-ионы. Подобный метод, в частности, изложен в патенте РФ N° 2342938. [3]
Вместе с тем, последние результаты клинической апробации препаратов медицинского назначения, приготовленных с использованием ГАП, отвечающего формуле Саю(Р04)б(ОН)2, показывают, что такой материал, наряду с явными преимуществами обладает рядом недостатков: недостаточной скоростью биорезорбции in vivo и остеоиндукцией, т.е. слабым стимулирующим воздействием на рост новой костной ткани.
Перспективным направлением повышения резорбируемости и остеоиндукции кальций-фосфатных материалов является химическое модифицирование гидроксиапатита, прежде всего, путем получения кремний- или силикатзамещенного гидроксиапатита, далее Si-ΓΑΠ. Установлено, что гидроксиапатит, модифицированный силикат-анионами, способствует улучшенной пролиферации остеобластов и росту внеклеточного матрикса, ускоренной минерализации костной ткани [4 - 5]. Кремнийзамещенные гидроксиапатиты чаще всего описываются формулой:
Figure imgf000004_0001
, где х - коэффициент или степень замещения кремния.
Известен способ получения кремнийзамещенного гидроксиапатита путем осаждения из водного раствора реагентов [6], где в качестве источника ионов кальция и фосфат-ионов использовали гидроксид кальция - Са(ОН)2 и ортофосфорную кислоту - Н3РО4. Реакцию между ними проводили при комнатной температуре, а рН поддерживали на уровне 10,5 за счет добавления гидроксида аммония. Кремний в состав ГАП вводили с использованием тетраацетата кремния - Si (СН3СОО)4. Материал был приготовлен по стехиометрии ГАП при условии, что кремний замещает позиции фосфора в кристаллической решетке, а молярное отношение Са/(Р + Si) равно 1,67. Осадок ГАП термообрабатывали при 1200°С в течение 2 часов в атмосфере воздуха. Недостатком этого способа, с одной стороны, является невысокая степень замещения кремния х < 1, что соответствует содержанию кремния в материале 0,8 - 1,5масс%, а с другой - появление примесных фаз, например, оксида кальция или трикальцийфосфата после термообработки при использовании более высоких степеней замещения, например, при х > 1.
Известен также способ получения кремнийзамещенного гидроксиапатита. согласно которому готовили порошки методом осаждения из водных растворов, используя соотношение Са/(Р + Si) равное 1,67. [7] Порошки содержали карбонат. После прокаливания, были получены апатиты свободные от карбонатов. Используя химическую формулу
Ca10(PO4)6-,(SiO4 OH)2^ , где 0 < х <2
для прокаленных декальцинированных продуктов, авторы способа сообщают, что поведение порошков кремнийсодержащего гидроксиапатита с х > 1 очень отличается от композиций с х < 1. Если при коэффициенте замещения на силикат-ионы J < 1 после прокаливания был получен Si-ΓΑΠ свободный от карбонатов, то у порошков с коэффициентом замещения х > 1 при нагреве выше 700°С одновременно появилось две фазы: гидроксиапатит и α-трикальцийфосфат, что как и в вышеуказанном способе [6] является существенным недостатком.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, описанный в патенте US20100173009A1 [8].
Указанный способ включает синтез Si-ΓΑΠ методом осаждения при рН не менее 9 из водного раствора реагентов, содержащих ортофосфорную кислоту, гидроксид кальция и тетраэтилортосиликат (далее ТЭОС). Причем реагенты вводятся в реакционную смесь при условии обеспечения молярного отношения Са/Р в диапазоне от 2,05 до 2,55, содержания атомов кремния в диапазоне от 2,9 до 6 масс% и молярного отношения. Са/(Р + Si) в диапазоне от 1,50 до 1,66. Раствор ортофосфорной кислоты помещают в капельную воронку и добавляют по каплям в композицию гидроксид кальция/ТЭОС, в течение примерно 60- 120 минут. Реакционную смесь перемешивают в течение 2 часов, а затем оставляют для старения около 24 часов. Вся реакция проходит при комнатной температуре. Затем суспензию отфильтровывают с помощью воронки Бюхнера с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. После удаления фильтрата мокрый фильтр- корж помещают в сушильный шкаф и сушат при 90°С в течение 2 дней. После чего высушенный фильтр-корж извлекают, измельчают в мелкий порошок с использованием ступки и пестика, а затем помещают в камерную печь и нагревают в атмосфере воздуха до максимальных температур от 400°С до 900°С в течение одного часа. Скорость нагрева 2,5°С/мин, скорость охлаждения 10°С/мин.
Этот способ позволяет получать поликристаллический чистый или монофазовый кремнийзамещенный гидроксиапатит, состоящий из частиц размером 0,05 - 5 мкм (или 50 - 5000 нм соответственно), обладающий относительно высокой скоростью растворения и способностью извлекать достаточные количества кремния в раствор.
Указывается, что преимуществом кремнийзамещенного гидроксиапатита этого изобретения является более высокая растворимость по сравнению с керамическим кремнийзамещенным гидроксиапатитом и обычным немодифицированным гидроксиапатитом, а также более высокий выход кремния при контакте с раствором. Также отмечается, что при выдерживании кремнийзамещенного гидроксиапатита в физиологическом растворе концентрация ионов кальция остается неизменной или увеличивается. Это выгодно отличает его от гидроксиапатитов с низким уровнем замещения кремния, для которых содержание кальция в физиологическом растворе снижается в тот же период времени.
Сообщается, что удельная поверхность порошка кремнийзамещенного гидроксиапатита, получаемого с помощью данного способа составляет от 10 до 90 м2 / г, что существенно превышает удельную поверхность порошка обычного гидроксиапатита после нагревания образцов при той же температуре. Например, после нагрева при 900°С удельная поверхность порошка кремнийзамещенного гидроксиапатита, полученного с помощью данного способа составляет 27 м /г, а удельная поверхность соответствующего порошка незамещенного гидроксиапатита составляет 13 м2 / г.
В то же время в описании указывается, что использование молярного отношения Са/(Р + Si) = 1 ,667 и выше, может после нагрева при 900°С приводить к появлению двух фаз: фазы Si - ГАП и 2-ой нежелательной фазы - СаО. Кроме того, отмечается, что такой кремнийзамещенный гидроксиапатит может быть представлен формулой:
Cai0-s(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x, где δ представляет дефицит кальция, поскольку молярное отношение Са / (Р + Si) имеет значение меньше, чем 1,667. Таким образом, основными недостатками данного технического решения является недостаточная биоактивность полученного продукта, т.е. недостаточно высокая скорость растворения в физиологических средах, невозможность получения стабильного монофазового кремнийсодержащего гидроксиапатита с коэффициентом замещения х в диапазоне от 1 до 2 при молярном отношении реагентов Са/(Р + Si) = 1,67, и, как следствие, нестехиометричность такого продукта из-за дефицита катионов кальция. А, как известно, недостаток кальция в костных тканях человека и животных может приводить к более серьезным проблемам, чем дефицит кремния. Также следует иметь ввиду, что у кремнийсодержащих гидроксиапатитов, отвечающих формуле Cai0-5(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x, нарушается принцип электронейтральности. Это, в свою очередь, является основной причиной нестабильности подобных соединений и объясняет их склонность к деструкции с выделением побочных примесных фаз, особенно при нагревании.
Задачей изобретения является создание способа получения монофазового нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита с повышенной биоактивностью и со степенью замещения кремния х = 1 - 2, при молярном отношении Са/(Р + Si) близким к 1,67.
Технический результат:
- получение стехиометричного монофазового Si-ΓΑΠ со средним размером кристаллов 9,95-12,53 нм, удельной поверхностью 108,97-132,58 м2/г, что обеспечивает повышенную биоактивность готового продукта;
- получение стабильного монофазового продукта формулы Саю(Р04)б-Л:(8104)х(ОН)2.х , где 1 <х <2, при нагревании которого не образуются побочные фазы.
Сущность изобретения
Дня решения поставленной задачи получения стабильного монофазового нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита со степенью замещения кремния х = 1 - 2, что соответствует содержанию кремния до 6% масс, при молярном отношении Са/(Р + Si) близким к 1,67, предложен способ получения Si-ΓΑΠ, включающий синтез путем осаждения из водного раствора реагентов, содержащих ортофосфорную кислоту, гидроксид кальция и тетраэтилортосиликат при рН не менее 9 и молярном отношении Са/Р в диапазоне от 2,0 до 2,5, отстаивание для завершения процесса фазообразования, выделение осадка, высушивание и термообработку осадка, причем синтез ведут путем приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты со скоростью 0,2 - 0,8 мл/мин. на литр водного раствора композиции гидроксид кальция /тетраэтилортосиликат, приготовленной с использованием 0,08 - 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция и расчетного количества тетраэтилортосиликата для получения готового продукта со степенью замещения кремнием х = 1-2 и молярным отношением Са/(Р + Si) равным 1,67, а термообработку ведут при температуре не ниже 300°С но не более 400°С.
Способ включает следующие новые признаки:
- скорость приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты составляет 0,2
- 0,8 мл/мин. на литр водного раствора композиции, приготовленной с использованием 0,08
- 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция и расчетного количества тетраэтилортосиликата для получения готового продукта;
- термообработку осадка ведут при температуре не ниже 300°С, но не более 400°С, т.к. термообработка ниже 300°С приводит к снижению биоактивности готового продукта, а выше 400°С - нецелесообразно из-за дополнительных энергозатрат.
Использование водного раствора гидроксида кальция с концентрацией менее 0,08 масс% нецелесообразно по экономическим причинам из-за крайне низкого выхода готового продукта.
Получение и использование истинного водного раствора гидроксида кальция с концентрацией более 0,16% масс нецелесообразно из-за низкой растворимости гидроксида кальция.
Скорость приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты менее 0,2 л/мин. на литр водного раствора композиции гидроксида кальция и тетраэтилортосиликата нецелесообразно из-за крайне низкого выхода готового продукта.
Скорость приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты более 0,8 л/мин. на литр водного раствора композиции гидроксида кальция и тетраэтилортосиликата приводит к возможности получения нестабильного нестехиометричного кремнийзамещенного гидроксиапатита
Figure imgf000008_0001
с нарушенным принципом электронейтральности, который далее при нагревании может разлагаться с образованием трехкальциевого фосфата - Са3(Р04)2, гидроксида кальция - Са(ОН)2 или оксида кальция - СаО. Теоретическое обоснование предложенного изобретения заключатся в следующем. Кремнийзамещенные гидроксиапатиты могут быть представлены формулой - Са (Р04)6.
Figure imgf000009_0001
, где Л: - коэффициент или степень замещения кремния. При этом наличие до 5- 6 масс % кремния в составе костной ткани является принципиально важным для формирования полноценной естественной кости с требуемыми строением и функционалом. Для обеспечения необходимого содержания кремния и кальция в синтетическом кремнийзамещенном гидроксиапатите коэффициент замещения кремнием в синтезируемом продукте должен быть в пределах х = 1 - 2, а молярное отношение Са/(Р + Si) близким к 1,67.
Однако, если природный гидроксиапатит, отвечающий этим характеристикам, успешно формируется в костях человека и животных, то получение подобного монофазового и стабильного синтетического Si-ΓΑΠ, как следует из данных зарубежных и отечественных авторов до сих пор остается нерешенной технической проблемой. Формально для синтеза кремнийзамещенного ГАП данного состава в щелочной раствор с рН более 9 (как источник групп ОН") должны быть внесены или присутствовать в требуемом соотношении свободные ионы кальция, фосфат-ионы и силикат-ионы. Однако силикат-ионы, в отличие от ионов Са2+ и Р0 3", имеют особое химическое поведение в водных растворах, а именно высокую склонность к полимеризации с образованием олигомеров и далее частиц коллоидного кремнезема. Причем скорость полимеризации при прочих равных параметрах возрастает по мере увеличения концентрации ионов Si04 4" и снижении щелочности среды.
В предлагаемом способе, как и в прототипе, источником силикат-ионов является тетраэтилортосиликат (ТЭОС), который добавляют в раствор гидроксида кальция. В результате щелочного гидролиза ТЭОС в реакционную смесь поступают свободные силикат-ионы по реакции:
(C2H50)4Si + 40Н" -> Si04 4" + 4С2Н5ОН (1)
Далее свободные ионы Si04 4" сразу вступают в реакцию с избытком ионов Са2+ с образованием малорастворимого силиката кальция по реакции:
2Са2+ + Si04 4"^ Ca2Si0 , (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 Са3(Р04)2, который затем трансформируется в термодинамически наиболее устойчивое и самое малорастворимое соединение в системе СаО-Р205-Н20 - гидроксиапатит (ГАП). Поскольку Ca2Si04 является наиболее растворимым соединением в этом ряду, то по мере формирования новой фазы Са3(Р04)2 и далее ГАП, силикат кальция начинает растворяться с высвобождением в объем раствора ионов Si04 4". Эти силикат ионы встраиваются в кристаллическую решетку новообразующейся фазы с образованием кремнийзамещенного гидроксиапатита.
ЗСа2+ + 2Р04 3"^ Са3(Р04)2 (3) Ca2Si04 2Са2+ + Si04 4" (4) 3Ca3(P04)2+ Са2++ xSi04 4" + (2-х)ОН" -> Ca,0(PO4)6.x(SiO4)x(OH)2-x j + хР04 3" (5)
При получении стехиометричного монофазового Si-ΓΑΠ со степенью замещения х = 1 - 2 (до 6% масс. Si) с учетом вышерассмотренного химизма принципиально важно вести процесс синтеза на всех этапах таким образом, чтобы максимально синхронизировать скорости протекания сопряженных процессов (3) - (5). Если часть ионов Si04 4" после деструкции Ca2Si04 не успевает встраиваться в структуру ГАП, то происходит быстрая их полимеризация с образованием олигомеров и наночастиц коллоидного кремнезема. Эта часть заполимеризованного кремния уже не может участвовать в изоморфном замещении фосфора, а осаждается на твердых частицах суспензии гидроксида кальция или на поверхности уже образовавшихся кристаллитов незамещенного ГАП. В результате наряду с фазой кремнийзамещенного гидроксиапатита возникают побочные продукты, например нестабильный нестехиометричный гидроксиапатит Caio-5(TO4)6-x(Si04)x(OH)2-x, с нарушенным принципом электронейтральности, который далее может разлагаться с образованием трехкальциевого фосфата - Са3(Р04)2, гидроксида кальция - Са(ОН)2 или оксида кальция - СаО.
Краткий перечень фигур
Предложенный способ характеризуют следующие фигуры:
Фиг.1. Дифрактограмма РФА образца Si-ΓΑΠ при степени замещения кремнием х=2, Фиг. 2. Дифрактограмма РФА образца Si-ΓΑΠ при степени замещения кремнием х=1 Фиг.З. ИК-спектр образца Si-ΓΑΠ при х=2. Фиг.4. ИК-спектр образца Si-ΓΑΠ при х=1.
Рентгенографические исследования проводили на дифрактометре Rigaku Ultima IV (Япония) с детектором D/teX Ultra. Сьемку проводили в режиме на отражение (геометрия Брегга-Брентано) с использованием Си Ка излучения (длина волны Х=1.54178 А°}. Параметры работы генератора: ускоряющее напряжение 40 кВ, ток трубки 250 мА. Съемку проводили в кварцевых кюветах. Для закрепления порошковых образцов не использовали растворители. Параметры съемки интервал углов 2Θ = 5-85°, шаг по 20Θ 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).
Качественный анализ Si-ΓΑΠ на наличие карбонат-ионов в тех или иных позициях кристаллической структуры был проведен при помощи ИК-спектроскопии 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 см"1 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.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Пример 1
Синтез кремнийзамещенного гидроксиапатита с молярным отношением Са/(Р + Si) - 1,67 и степенью замещения на кремний х=2 ( около 5,8 масс%. Si или 19 масс%. силикат- иона) в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,08 масс%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 20 масс%.
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 0,44 мл ТЭОС (0,42 г, со=99%) и раствор интенсивно перемешивали с помощью электрической мешалки еще в течение 5-10 минут.
1,72 мл ортофосфорной кислоты (1 ,96 г 20% конц. Н3Р04) помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/ТЭОС, со скоростью 0,6 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты, проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 10, в связи с высоким молярным соотношением Са/Р используемых реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для старения около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре.
Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 90°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Si-ΓΑΠ измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и помещали в муфельную печь, где его термообрабатывали при 300°С в течение 2 часов, скорость нагрева 10°С/мин. Дифрактограмма РФА образца Si-ΓΑΠ, полученного при степени замещения кремнием х=2 представлена на фиг.1, ИК-спектр образца Si-ΓΑΠ при х=2 представлен на фиг.З,
Пример 2
Синтез кремнийзамещенного гидроксиапатита с молярным отношением Са/(Р + Si) - 1,67 и степенью замещения на кремний х=2 ( около 5,8 масс%. Si или 19 масс%. силикат- ионов) в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 масс%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 масс%.
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 0,88 мл ТЭОС (0,84 г, со=99%) и водный раствор интенсивно перемешивали с помощью электрической мешалки еще в течение 5-10минут.
7,4 мл ортофосфорной кислоты (7,84 г 10% конц. Н3Р04) помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/ТЭОС, со скоростью 0,6 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты, проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 10, в связи с высоким молярным соотношением Са/Р используемых реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для старения около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре.
Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 90°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Si-ΓΑΠ измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и помещали в муфельную печь, где его термообрабатывали при 350°С в течение 2 часов, скорость нагрева 10°С/ мин.
Пример 3
Синтез кремнийзамещенного гидроксиапатита с молярным отношением Са/(Р + Si) - 1,67 и степенью замещения на кремний х = 2 (около 5,8 масс% Si или 19 масс% силикат- ионов) в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 масс%, а скорость подачи 10%-го водного раствора ортофосфорной кислоты в реакционную смесь- 0,8 мл/мин.
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 0,88 мл ТЭОС (0,84 г, ω=99%) и водный раствор интенсивно перемешивали с помощью электрической мешалки еще в течение 5-10минут.
7,4 мл ортофосфорной кислоты (7,84 г 10% конц. Н3Р04) помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция ТЭОС, со скоростью 0,8 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты, проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 10, в связи с высоким молярным соотношением Са/Р используемых реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для старения около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре.
Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 90°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Si-ΓΑΠ измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и помещали в муфельную печь, где его термообрабатывали при 300°С в течение 2 часов, скорость нагрева 10°С/мин.
Пример 4
Синтез кремнийзамещенного гидроксиапатита с молярным отношением Са/(Р + Si) - 1,67 и степенью замещения на кремний х=2 (около 5,8 масс%. Si или 19 масс%. силикат- ионов) в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 масс%, а скорость подачи 10%-го водного раствора ортофосфорной кислоты в реакционную смесь- 0,2 мл/мин.
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 добавили 0,88 мл ТЭОС (0,84 г, ω=99%) и водный раствор интенсивно перемешивали с помощью электрической мешалки еще в течение 5-10минут.
Затем 7,4 мл ортофосфорной кислоты (7,84 г 10% конц. Н3Р04) помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/ТЭОС, со скоростью 0,2 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты, проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 10, в связи с высоким молярным соотношением Са/Р используемых реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для старения около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре.
Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 90°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Si-ΓΑΠ измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и помещали в муфельную печь, где его термообрабатывали при 370°С в течение 2 часов, скорость нагрева 10°С/мин.
Пример 5 Синтез кремнийзамещенного гидроксиапатита с молярным отношением Са/(Р + Si) - 1 ,67 и степенью замещения на кремний х=2 (около 5,8 масс%. Si или 19 масс%. силикат- ионов) в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0, 16 масс%, а скорость подачи 10%-го водного раствора ортофосфорной кислоты - 1 ,0 мл/мин.
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 добавили 0,88 мл ТЭОС (0,84 г, ω=99%) и водный раствор интенсивно перемешивали с помощью электрической мешалки еще в течение 5-10минут.
Затем 7,4 мл ортофосфорной кислоты (7,84 г 10% конц. Н3Р04) помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/ТЭОС, со скоростью 1 ,0 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты, проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 10, в связи с высоким молярным соотношением Са/Р используемых реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для старения около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре.
Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 90°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Si-ΓΑΠ измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и помещали в муфельную печь, где его термообрабатывали при 300°С.
Из таблицы 1 видно, что повышение скорости добавления ортофосфорной кислоты приводит к появлению второй фазы.
Пример 6
Синтез кремнийзамещенного гидроксиапатита с молярным отношением Са/(Р + Si) - 1 ,67 и степенью замещения на кремний х=1 ( около 2,85 масс%. Si или 9,35 масс%. силикат-ионов) при концентрации водного раствора гидроксида кальция - 0, 16 масс% и скорости подачи 10%-го водного раствора ортофосфорной кислоты в реакционную смесь- 0,6 мл/мин. 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 добавили 0,44 мл ТЭОС (0,42 г, ω=99%) и водный раствор интенсивно перемешивали с помощью электрической мешалки еще в течение 5-10минут.
Затем 9,3 мл ортофосфорной кислоты (9,80 г 10% конц. Н3Р04) помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/ТЭОС, со скоростью 0,6 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты, проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 10, в связи с высоким молярным соотношением Са/Р используемых реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для старения около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре.
Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 90 °С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Si-ΓΑΠ измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и помещали в муфельную печь, где его термообрабатывали при 300°С в течение 2 часов, скорость нагрева 10°С/мин.
Дифрактограмма РФА образца Si-ΓΑΠ, полученного при степени замещения кремнием х=1 представлена на фиг.2, а ИК-спектр образца Si-ΓΑΠ при х=1 на фиг.4
Пример 7
Синтез кремнийзамещенного гидроксиапатита с молярным отношением Са/(Р + Si) - 1,67 и степенью замещения на кремний х=2 ( около 5,8масс%. Si или 19 масс%. силикат- иона) в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,08% масс, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 20% масс.
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 0,44 мл ТЭОС (0,42 г, ω=99%) и раствор интенсивно перемешивали с помощью электрической мешалки еще в течение 5-10 минут.
1,72 мл ортофосфорной кислоты (1,96 г 20% конц. Н3Р04) помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/ТЭОС, со скоростью 0,6 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты, проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 10, в связи с высоким молярным соотношением Са/Р используемых реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для старения около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре.
Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 90 °С в сушильном шкаф до постоянной массы. После этого Si-ΓΑΠ измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и помещали в муфельную печь, где его термообрабатывали при 250°С в течение 2 часов, скорость нагрева 10°С/мин.
Из таблицы 2 видно, что выход кремния после выдерживания в SBF-растворе, несмотря на высокое содержание кремния в образце равное 5,8 масс%, примерно соответствует выходу кремния для образца по примеру 6, где содержания кремния в два раза ниже. А по сравнению с оптимальными составами по примерам 1-4, с таким же содержанием кремния в образце, выход кремния в SBF-раствор в полтора раза ниже, что является подтверждением снижения биоактивности в результате термоотбработки при температуре ниже 300°С.
Пример 8
Синтез немодифицированного гидроксиапатита по патенту РФ Ν° 2342938
В связи с тем, что ряд характеристик немодифицированного наногидроксиапатита не был указан в описании данного изобретения их определяли опытным путем. Нанокристаллический гидроксилапатит был получен с помощью «мокрого синтеза» добавлением 20%-го водного раствора ортофосфорной кислоты (Н3Р04) в насыщенный раствор гидроксида кальция Са(ОН)2 со скоростью 1 мл/мин. Уравнение реакции можно представить следующим образом:
10Са(ОН)2 + 6Н3Р04 = Caio(P04)6(OH)2| + 18Н20
Конечное значение рН доводилось до величины 10,2. Реакционная смесь отстаивалась в течение 24 часа для завершения протекающих процессов кристаллизации. Синтезированная 2% водная суспензия высушивалась в сушильном шкафу при 95°С, затем полученные порошки термообрабатывали в муфельной печи при 350°С в течение 2 часов для дегидратации кристаллов ГАП и его кристаллизации.
Пример 9 (по прототипу)
Синтез кремнийзамещенного гидроксиапатита по патенту US20100173009A1 В связи с тем, что ряд характеристик подобного кремнийзамещенного гидроксиапатита не был указан в описании данного изобретения, их определяли опытным путем. Для этого, в соответствии со способом приведенном в этом изобретении, проводили синтез кремнийзамещенного гидроксиапатита с молярным отношением Са/Р - 2,5, молярным отношением Са/(Р + Si) - 1,67 и содержанием кремния около 5,8 мас% (19 масс%. силикат-иона).
0,495 моль гидроксида кальция (36,679 г) добавляли к 1000 мл дистиллированной воды и водную суспензию перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут. Затем 0,099 моль тетраэтилортосиликата (ТЭОС) (20,800 г, ω=99%) добавили непосредственно при перемешивании в суспензию гидроксида кальция. Эту смесь перемешивали в течение 5-10 минут. Приготовление 2%-ного раствора ортофосфорной кислоты - 0,198 моль ортофосфорной кислоты (22,828 г 85% конц. Н3Р04) добавляли в 1000 мл дистиллированной воды и перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 5-10 минут. Этот раствор ортофосфорной кислоты помещали в капельную воронку и добавляли по каплям в реакционную композицию гидроксид кальция/ТЭОС, в течение 60 минут (скорость подачи 2%-ного раствора Н3Р04 - 16 мл/мин). После добавления раствора ортофосфорной кислоты, проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 10. Реакционную смесь перемешивали в течение 2 часов, а затем оставляли для старения около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Затем суспензию отфильтровали с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. После того, фильтрат был удален и был получен мокрый фильтр-корж, его помещали в сушильный шкаф и сушили при 90 °С в течение 2 дней. После этого высушенный фильтр-корж извлекали и измельчали в порошок с использованием ступки и пестика. Этот порошок далее помещали в муфельную лабораторную печь, где его нагревали в атмосфере воздуха до 900°С с выдержкой в течение одного часа. Скорость нагрева составляла 2,5 °С/мин, скорость охлаждения - 10°С/мин.
Полученные образцы по примерам 1-9 были подвергнуты исследованиям на определение удельной поверхности, объема и среднего размера пор, а также биоактивности.
Определение удельной поверхности, объема и среднего размера пор материалов осуществлялось по методу БЭТ на автоматизированной сорбционной установке TriStar II 3020 производства Micromeritics (США). Использовался объемный вариант сорбционного метода. Удельная поверхность рассчитывалась по изотерме низкотемпературной сорбции паров азота по одноточечному методу БЭТ в точке Р/Ро = 0.318937093. Образцы были выдержаны инертном газе азота и гелия с одновременным обеспечением нагрева образцов при температуре 350°С.
Определение биоактивности осуществляли следующим образом: точную навеску 0,3 г образца помещали в 50 мл SBF-раствора, моделирующего межтканевую жидкость организма( рН= 7,4; катионы: Na+ - mM, К+ - 5 тМ, Са2+ - 2,5 тМ, Mg2+ - 1,5 тМ; анионы: СГ - 125 гаМ, НС03 " - 27 тМ, НР04 2" - 1 тМ, S04 2" - 0,5 тМ). Время экспозиции - 1час.
Содержание катионов кальция в растворе Са2+ определяли комплексонометрическим методом с помощью раствора 0,005Н Трилона Б, индикатора Эриохром черного Т. Объем аликвоты =10мл.
Содержание кремния в растворе определяли рентгенофлюоресцентным методом с использованием анализатора «Спектроскан».
В таблице 1 представлены физико- химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-9
Физико-химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-9
Таблица 1.
Образец Массовая Степень Молярное Молярное Кол- Параметры решетки,нм доля Si, % замещения отношение отношение во
Si, Са/Р Ca/P+Si фаз ось - а ось - с
Пример 1 5,8 1 х=2 2 2,5 1,67 1 0,9430 0,9430
Пример 2 5,8 / х=2 2 2,5 1,67 1 0,9435 0,9435
Пример 3 5,8 / х=2 2 2,5 1,67 1 0,9433 0,9433
Пример 4 5,8 / х=2 2 2,5 1,67 1 0,9432 0,9432
Пример 5 5,8 / х=2 2 2,5 1,67 2 0,9429 0,9429 Пример 6 2,85/ х=1 1 2,0 1 ,67 1 0,9428 0,9428
Пример 7 5,8 / х=2 2 2,5 1,67 1 0,9434 0,9434
Пример 8 по 0 0 1,67 1
патенту РФ 0,9414 0,9414 М>23429381
Пример 9 5,8 /х=2 2 2,5 1 ,67 2 0,9431 0,6933 (по прототипу)
Показатели свойств образцов, полученных по примерам 1-9
Таблица 2.
Figure imgf000020_0002
*SBF-pacTBop (англ. synthetic body fluid) - среда, моделирующая межтканевую жидкость организма
Из таблиц 1 и 2 видно, что поставленная задача по созданию способа получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита со степенью замещения кремния х = 1 - 2, что соответствует содержанию кремния до 6% масс, при молярном отношении Са/(Р + Si) близким к 1,67 и с последующей термической обработкой ниже температуры спекания, решена, и при реализации предложенного способа достигнут заявленный технический результат, заключающийся в том, что получен стехиометричный монофазовый Si-ΓΑΠ формулы
Figure imgf000020_0001
, где 1 < х <2, со средним размером кристаллов 9,95-12,53 нм, удельной поверхностью 108,97-132,58 м2/г и повышенной биоактивностью, при нагревании которого не образуются побочные фазы.
Литература.
1. Баринов СМ., Комлев B.C. Биокерамика на основе фосфатов кальция. - М.:
Наука, 2005. - 187 с.
2. С.Р.А.Т Klein et al, J. Biomed. Mater. Res., 1983, 17, 769.
3. Патент РФ JN° 2342938, МПК(2006.01): A61K33/42, A61K33/06, A61K9/10, A61K6/033, A61L27/12, B82B3/00 ,C01B25/32, опубликован 10.01.2009г
4. N. Patel, S. М. Best, W. Bonfield et al. A comparative study on the in vivo behavior of hydroxyapatite and silicon substituted hydroxyapatite granules. Journal of materials science: Materials in medicine 13 (2002), p. 1 199-1206
5. N. Patel et al. In vivo assessment of hydroxyapatite and silicate-substituted
hydroxyapatite granules using an ovine defect model. Journal of materials science: Materials in medicine 16 (2005), p.429-440.
6. I. R. Gibson, S. M. Best, and W. Bonfield. Chemical characterization of silicon- substituted hydroxyapatite. Journal of Biomedical Materials Research, 44:422^128, 1999.
7. Palard et al. Journal of Solid State Chemistry, 181 (2008), p. 1950-1960
8. Патент US20100173009A1. Silicate-substituted hydroxyapatite. I. R. Gibson et al.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пункт 1. Способ получения монофазового нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита, включающий синтез кремнийсодержащего гидроксиапатита методом осаждения из водного раствора реагентов, содержащих ортофосфорную кислоту, гидроксид кальция и тетраэтилортосиликат при рН не менее 9 и молярном отношении Са/Р в диапазоне от 2,0 до 2,5, отстаивание для завершения процесса фазообразования, выделение осадка, высушивание и термообработку осадка, отличающийся тем, что синтез ведут путем приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты со скоростью 0,2 - 0,8 мл/мин. на литр водного раствора композиции гидроксид кальция /тетраэтилортосиликат, приготовленной с использованием 0,08 - 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция и расчетного количества тетраэтилортосиликата для получения готового продукта со степенью замещения кремнием х равным 1-2 и молярным отношением Са/(Р + Si) близким к 1,67, а термообработку ведут при температуре не ниже 300°С, но не более 400°С.
PCT/RU2013/000781 2012-07-16 2013-09-06 Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита WO2014014392A2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012130118/05A RU2500840C1 (ru) 2012-07-16 2012-07-16 Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита
RU2012130118 2012-07-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2014014392A2 true WO2014014392A2 (ru) 2014-01-23
WO2014014392A3 WO2014014392A3 (ru) 2014-03-20

Family

ID=49711086

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000781 WO2014014392A2 (ru) 2012-07-16 2013-09-06 Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2500840C1 (ru)
WO (1) WO2014014392A2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816361C1 (ru) * 2023-07-19 2024-03-28 Общество с ограниченной ответственностью БиоФАРМАХОЛДИНГ Способ получения низкощелочного материала на основе природного гидроксиапатита из костной ткани

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2555337C1 (ru) * 2014-05-13 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" Способ получения нанокристаллического силикатзамещенного карбонатгидроксиапатита
RU2580728C1 (ru) * 2014-12-10 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" Способ получения монофазного кристаллического кремний-замещенного гидроксилапатита
RU2635189C1 (ru) * 2016-07-18 2017-11-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Способы получения кремнийзамещенного гидроксиапатита и биоактивного покрытия на его основе
RU2675866C1 (ru) * 2018-03-14 2018-12-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Способ получения композиционного сорбента
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
RU2759294C1 (ru) * 2021-03-24 2021-11-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» Биологически активное вещество с эффектом разрушения биоплёнок бактерий

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100173009A1 (en) * 2009-01-08 2010-07-08 Iain Ronald Gibson Silicate-substituted hydroxyapatite

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2426690C2 (ru) * 2006-05-30 2011-08-20 Косвелл С.П.А. Биологически активные наночастицы замещенного карбонатом гидроксиапатита, способ их получения и включающие их композиции

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100173009A1 (en) * 2009-01-08 2010-07-08 Iain Ronald Gibson Silicate-substituted hydroxyapatite

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MUNIR G. ET AL.: 'Novel Patterning of Silicon-Substituted Hydroxyapatite.' BIOCERAMICS DEVELOPMENT AND APPLICATIONS vol. 1, 2011, pages 1 - 4 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2816361C1 (ru) * 2023-07-19 2024-03-28 Общество с ограниченной ответственностью БиоФАРМАХОЛДИНГ Способ получения низкощелочного материала на основе природного гидроксиапатита из костной ткани

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014014392A3 (ru) 2014-03-20
RU2500840C1 (ru) 2013-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5740314B2 (ja) ケイ酸塩置換ヒドロキシアパタイト
Rodrıguez-Lorenzo et al. Influence of fluorine in the synthesis of apatites. Synthesis of solid solutions of hydroxy-fluorapatite
Carta et al. Synthesis and structural characterization of P2O5–CaO–Na2O sol–gel materials
RU2500840C1 (ru) Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита
Carta et al. Sol–gel synthesis of the P 2 O 5–CaO–Na 2 O–SiO 2 system as a novel bioresorbable glass
EP1907337B1 (en) Process for making a calcium phosphate-based biomedical material
Padmanabhan et al. Rapid synthesis and characterization of silicon substituted nano hydroxyapatite using microwave irradiation
El Yacoubi et al. Characterization of silicon-substituted hydroxyapatite powders synthesized by a wet precipitation method
EP2029481B1 (en) Biomedical materials
Soulié et al. Development of a new family of monolithic calcium (pyro) phosphate glasses by soft chemistry
Furukawa The formation of strontium apatites through alkaline hydrolysis of strontium hydrogen phosphate and their crystallographic characterization
WO2015052495A1 (en) Group 2 metal phosphates
Tsyganova et al. Role of Mg 2+, Sr 2+, and F–ions in octacalcium phosphate crystallization
Yokota et al. Fabrication and biological evaluation of hydroxyapatite ceramics including bone minerals
Jokic et al. The influence of silicon substitution on the properties of spherical-and whisker-like biphasic α-calcium-phosphate/hydroxyapatite particles
Medvecky et al. Nanohydroxyapatite prepared from non-toxic organic Ca2+ compounds by precipitation in aqueous solution
RU2736048C1 (ru) Способ получения наноразмерного гидроксиапатита
US20230270915A1 (en) Calcium-deficient silicate-substituted calcium phosphate apatite compositions and methods
RU2714188C1 (ru) Способ получения окрашенного однофазного пирофосфата кальция
RU2580728C1 (ru) Способ получения монофазного кристаллического кремний-замещенного гидроксилапатита
RU2588525C1 (ru) Способ получения наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита
Dahlan et al. Synthesis of Chicken Eggshell Based Nanofluorapatite Using Sonochemical and Microwave-Assisted Precipitation Methods.
Szurkowska et al. biomaterials engineering, Ceramics International
Ibrahim et al. Influence of Si-substitution on the conversion of Hydroxyapatite Nano-particles into β-Tricalcium phosphate
Nwe et al. Preparation and Characterization of Apatitic Biphasic Calcium Phosphate

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: A20150006

Country of ref document: BY

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13819858

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2