Способ получения гидроксилапатита кальция

 

Изобретение относится к области неорганической химии и направлено на получение материала, являющегося неорганической составляющей костных и зубных тканей человека. Область применения: медицина (пломбировочные материалы, протезы), косметика (пудры, тон, дезодоранты). Способ осуществляется твердофазным синтезом исходной смеси, включающей кислородосодержащие соединения кальция (Cа) и фосфора (P). Состав исходной смеси берут с отклонением от стехиометрического (1,670≅ Ca/P≅1,700). Полученный материал промывают дистиллированной водой. В качестве реактивов используют CаO, CaCO₃ и фосфаты кальция или аммония: Ca₂P₂O₇, CaHPO₄·2H₂O, CaHPO₄, Ca(H₂PO₄)₂, Ca₃(PO₄)₂, Ca(H₂PO₄)₂·H₂O, (NH₄)₃PO₄, (NH₄)₂HPO₄, (NH₄)H₂PO₄ . Предлагаемый способ позволяет воспроизводимо получать однофазный гидроксилапатит без примеси ТКФ. 1 табл.

Изобретение относится к области неорганической химии и направлено на получение материала, являющегося неорганической составляющей костных и зубных тканей позвоночных, в том числе человека. Предпочтительная область применения - пломбировочные пасты, композиты - аналоги костной ткани (протезирование), косметические препараты (пудры, дезодоранты).

Существует большое количество способов получения гидроксилапатита (ГА). Все они могут быть разделены на следующие группы: 1. Метод осаждения из растворов.

2. Гидротермальный метод.

3. Метод твердофазного синтеза.

1. К первой группе относится, например, способ, предложенный Aoki Hideki в "Trans. J.W.R.I." 1988, v.17, N 1, рр 107-112 и заключающийся в том, что в суспензию, содержащую в 1 л дистиллированной воды 0,5 моль гидроксида кальция при интенсивном перемешивании прикапывают в течение 1-2 ч раствор фосфорной кислоты - в 1 л дистиллированной воды 0,3 моль - до полной нейтрализации раствора (рН 7). Полученная гелеобразная субстанция перемешивается в течение 5 ч и выдерживается в течение недели при 20^оС для старения. Осадок фильтруют, высушивают при 80^оС и прокаливают 3 ч при 800^оС. Полученный продукт должен иметь соотношение Са/Р = 1,67 и представляет собой ГА.

Общим с заявляемым техническим решением является лишь совпадение отдельных исходных компонентов.

Эта группа методов требует кубометровых объемов растворов для получения количеств ГА, превышающих 1 кг, и значительного времени, что следует отнести к причинам, препятствующим получению значительных количеств ГА в лабораторных условиях.

2. Используя гидротермальный метод, Hattori Takeo, Inadate Jasuhiko, Kato Tomoyshi в "J. Mater. Sci. Lett." 1989, v.8, N 3, рр. 305-306, получают ГА следующим образом: пирофосфат кальция (Са₂Р₂О₇) помещают в трубку из золота длиной 40 мм, добавляют воду или раствор аммиака с рН 11,8-11,9 в количестве, достаточном для смачивания 50-60% шихты. После герметизации трубку помещают в автоклав и нагревают со скоростью 10 град/мин до 450^оС. Добавление аммиака приводит к увеличению скорости реакции. Чистый ГА образуется при выдерживании смеси 120 ч при 450^оС и 70 МПа. При увеличении времени выдержки увеличивается выход продукта. Более чистый материал получается при 500^оС, 80 МПа и 96 ч выдержки.

Общим с заявляемым техническим решением является совпадение отдельных исходных компонентов и наличие тепловой обработки.

Метод требует специальной установки, без которой синтез ГА невозможен.

3. К методу твердофазного синтеза ГА относится способ H. Monmo, M. Goto, H. Nakayama, H. Hashimoto в "Gypsum and Lime", 1986, v. 202, рр. 17-21, выбранный за прототип. Смесь пирофосфата кальция (Са₂Р₂О₇) и карбоната кальция (СаСО₃) в соотношении Са/Р = 1,66 (6) после гомогенизации подвергали отжигу на воздухе при 700^оС (27 ч), 800-900^оС (46 ч) и 1150^оС (17 ч) с промежуточными перетираниями. После завершения отжига образуется ГА. Обобщающая химическая реакция такова: 3Са₂Р₂О₇ + 4СаСО₃ + Н₂О_→Са₁₀(РО₄)6(ОН)₂ + 4СО₂ Общим с заявляемым техническим решением является полное совпадение режима твердофазного синтеза и совпадение отдельных исходных компонентов.

Причиной, препятствующей воспроизводимому получению однофазного ГА, является риск малейшего отклонения от стехиометрии смеси на каждой стадии синтеза. Отклонение от стехиометрического состава в меньшую сторону приводит к образованию примесной фазы - трикальцийфосфата (ТКФ) - Са₃(РО₄)₂ (Са/Р =1,500), избавиться от которого затем чрезвычайно трудно. Отсутствие даже малых количеств ТКФ в материале, на основе которого изготовляются пломбы и протезы, существенно, так как ТКФ обладает большей растворимостью в живой ткани, чем ГА, что приводит к понижению качества замещенных участков зубов и костей.

На решение этой задачи и направлено изобретение. Технический результат заключается в создании способа воспроизводимого получения чистого ГА, не загрязненного примесью ТКФ.

Указанный способ заключается в том, что исходную смесь реактивов, включающую кислородные соединения кальция (Са) и фосфора (Р), синтезируют при тех же условиях, что и в прототипе: 700^оС (27 ч), 900^оС (46 ч) и 1150^оС, отличаясь от прототипа тем, что состав исходной смеси берут с отклонением от стехиометрического, которое составляет 1,670≅Са/Р≅1,700. Полученный материал промывают дистиллированной водой. В качестве исходных компонентов могут быть взяты не только карбонат кальция (СаСО₃) и пирофосфат кальция (Са₂Р₂О₇), как в прототипе, но и оксид кальция - СаО, фосфаты кальция и аммония (СаНРО₄˙2Н₂О, СаНРО₄, Са(Н₂РО₄)₂, Са(Н₂РО₄)₂˙Н₂О, Са₃(РО₄)₂, (NH₄)₃РО₄, (NH₄)Н₂РО₄).

Физическая сущность изобретения заключается в том, что, отклоняясь от стехиометрического состава как в одну, так и в другую сторону, мы получаем двухфазный материал. Однако, в случае Са/Р < 1,66(6) - примесной фазой является ТКФ, отделить который от ГА практически невозможно, а в случае Са/Р > 1,66(6) - примесной фазой является СаО, легко отмываемый от ГА дистиллированной водой.

Обоснуем интервалы заявляемого параметра, а именно 1,670≅Са/Р≅1,700. Величина нижней границы гарантирует, что в качестве примеси не будет образовываться ТКФ. Верхняя граница составляет 1,700, так как увеличение ее выше этого значения приведет к возрастанию весового содержания СаО в материале, что увеличит время промывания материала, не улучшив его качества. Таким образом, установленные границы являются оптимальными.

Реализация изобретения рассматривается в примерах 1-6.

В таблице приведены результаты рентгенофазного анализа.

Проведены серии экспериментов по исследованию возможности синтеза ГА для 27 вариантов исходных компонентов. Приведем химические реакции некоторых из них: 1. 10СаСО₃ + 6(NH₄)₂HPO₄ =Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + 12NH₃ + 10CO₂ + 8H₂O 2. 10CaO + 6(NH₄)₃PO₄ = Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + 18NH₃ + 8H₂O 3. 6CaHPO₄˙2H₂O + 4CaCO₃ =Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + 4CO₂ + 14H₂O 4. 6CaHPO₄ + 4CaO = Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + +2H₂O 5. 3Ca(H₂PO₄)₂˙H₂O + 7CaCO₃=Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + 7CO₂ + 8H₂O 6. 3Ca₃(PO₄)₃ + CaCO₃ + H₂O=Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + CO₂
7. 6(NH₄)H₂PO₄ + 10CaCO₃=Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + 6NH₃ + 10CO₂ + 8H₂O
В результате химических реакций образуется ГА и улетучивающиеся вещества. При нарушении стехиометрии образуются либо ТКФ, либо СаО.

П р и м е р 1. Шихту состава Са/Р = 1,650 после гомогенизации подвергали трехстадийному отжигу при Т = 700, 900 и 1150^оС в течение 27, 46 и 17 ч соответственно с промежуточным перемешиванием на каждой стадии. Полученный материал содержит примесь ТКФ.

П р и м е р 2. Шихту состава Са/Р =1,66(6) после гомогенизации подвергали трехстадийному отжигу при Т = 700, 900 и 1150^оС в течение 27, 46 и 17 ч соответственно с промежуточным перемешиванием на каждой стадии. Полученный материал содержит следы ТКФ.

П р и м е р 3. Шихту состава Са/Р = 1,670 после гомогенизации подвергали трехстадийному отжигу при Т = 700, 900 и 1150^оС в течение 27, 46 и 17 ч соответственно с промежуточным перемешиванием на каждой стадии. Полученный материал содержит примесь СаО. После промывания дистиллированной водой материал представляет однофазный ГА.

П р и м е р 4. Шихту состава Са/Р = 1,680 после гомогенизации подвергали трехстадийному отжигу при Т = 700, 900 и 1150^оС в течение 27, 46 и 17 ч соответственно с промежуточным перемешиванием на каждой стадии. Полученный материал содержит примесь СаО. После промывания дистиллированной водой материал представляет однофазный ГА.

П р и м е р 5. Шихту состава Са/Р = 1,700 после гомогенизации подвергали трехстадийному отжигу при Т = 700, 900 и 1150^оС в течение 27, 46 и 17 ч соответственно с промежуточным перемешиванием на каждой стадии. Полученный материал содержит примесь СаО. После промывания дистиллированной водой материал представляет однофазный ГА.

П р и м е р 6. Шихту состава Са/Р = 1,710 после гомогенизации подвергали трехстадийному отжигу при Т = 700, 900 и 1150^оС в течение 27, 46 и 17 ч соответственно с промежуточным перемешиванием на каждой стадии. Полученный материал содержит примесь СаО. После промывания дистиллированной водой получен однофазный ГА, однако требуется двукратное промывание.

Как видно из таблицы, предлагаемый способ позволяет получить ГА без примеси ТКФ, что подтверждает правильность выбранного диапазона Са/Р.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИЛАПАТИТА КАЛЬЦИЯ твердофазным синтезом, заключающийся в отжиге исходной смеси, включающей кислородсодержащие соединения кальция и фосфора, отличающийся тем, что в качестве исходной смеси берут комбинации CaO, CaCO₃, Ca₂P₂O₇, CaHPO₄ × 2H₂O, CaHPO₄, Ca(H₂PO₄)₂, Ca(H₂PO₄)₂ × H₂O, Ca₃(PО₄)₂, (NH₄)₃PO₄, (NH₄)₂HPO₄, (NH₄)H₂PO₄
с отклонением состава от стехиометрического, составляющим 1,670 ≅ Ca/P ≅ 1,700, и по окончании синтеза полученный материал промывают дистиллированной водой.