Способ получения гидроксилапатита

 

Изобретение относится к технологии получения гидроксилапатита, который используется в медицине. Исходные растворы нитрата кальция и фосфата аммония нейтрализуют аммиаком до рН 11. В раствор нитрата кальция вводят гидроксилапатит в количестве 5 - 25 % от стехиометрического. Смешивают растворы при молярном отношении кальций/фосфор, равном 1,67. Концентрация растворов при смешивании, мол/л: нитрат кальция 0,70 - 0,90; фосфат аммония 0,20 - 0,30. Осадок фильтруют, промывают, сушат и прокаливают. Получают однофазный продукт. 1 табл.

Изобретение относится к технологии получения неорганических соединений, в частности фосфатов кальция, для медицины.

Известен способ получения гидроксилапатита (ГАП), включающий смешение водно-органических растворов растворимых солей кальция и фосфора без нагревания при мольном отношении Са/Р 1,3-1,9 и перемешивание смеси в течение длительного времени [1] Недостатками такого способа являются использование смешанного растворителя и большая продолжительность процесса.

Известен также способ быстрого осаждения гидроксилапатита из водно-этанольного раствора смешением 9-18 мМ раствора хлорида кальция и 5,4-10,8 мМ раствора дигидрофосфата натрия при рН 7,4 [2] Недостатком этого способа является низкий выход целевого продукта.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения гидроксилапатита, по которому растворы нитрата кальция (0,56 мол/л) и диаммонийфосфата (0,188 мол/л) нейтрализуют NH₄OH до рН 11-12, разбавляют водой вдвое, после чего смешивают. Образовавшийся осадок перемешивают в течение 0,08-48 ч, отделяют от раствора центрифугированием, промывают водой, сушат при 90^оС и прокаливают при 1000^оС [3] Состав прокаленного осадка зависит от продолжительности перемешивания и составляет 23-100% ГАП и 77-0% трикальцийфосфата (ТКФ) в α или β -форме.

Недостатками способа-прототипа являются низкая концентрация исходных компонентов (малый выход целевого продукта), низкая скорость фильтрации суспензии, нестабильность состава осадка, а также большая длительность процесса, необходимого для получения однофазного продукта.

Предлагаемый способ включает смешение нейтрализованных аммиаком до рН ≈ 11 растворов нитрата кальция и фосфата аммония при мольном отношении Са/Р 1,67, фильтрацию, промывку, сушку и прокаливание осадка, причем в раствор нитрата кальция предварительно вводят затравку гидроксилапатита в количестве 5-25% от стехиометрического, а концентрации растворов при смешении составляют, мол/л: нитрат кальция 0,70-0,90; фосфат аммония 0,20-0,30.

Обнаружено, что введение 5-25% затравки гидроксилапатита в раствор нитрата кальция позволяет получить хорошо фильтрующийся осадок и уменьшить продолжительность синтеза до 4ч. При этом в высушенном и прокаленном при 1000^оС продукте рентгенометрически не обнаруживается присутствие никаких примесных фаз, в том числе α и β витлокита ( α и β трикальцийфосфата).

При уменьшении количества вводимой затравки (менее 5% от стехиометрического количества) после прокаливания образуется смесь ГАП и β -ТКФ. Для получения однофазного продукта необходимо значительно увеличить время реакции. Образующаяся суспензия практически не фильтруется.

Увеличение количества вводимой затравки (более 25% от стехиометрического количества), не оказывая дополнительного положительного влияния в части фазового состава продукта, приводит к загустеванию суспензии, что ухудшает условия перемешивания и в дальнейшем уменьшает скорость фильтрации.

Уменьшение концентраций исходных компонентов менее 0,7 и 0,2 мол/л приводит к уменьшению выхода целевого продукта.

Увеличение концентрации кальция более 0,9 мол/л и фосфора более 0,3 мол/л вызывает загустевание суспензии и ухудшает режим перемешивания. Скорость фильтрации суспензии уменьшается. Кроме того, увеличение концентрации фосфата аммония выше предложенной приводит к появлению при нейтрализации осадка триаммонийфосфата, осаждению нестехиометрического гидроксилапатита, который при прокаливании дает многофазный продукт.

П р и м е р 1. 1,26 г-моля Ca(NO₃)₂^.4H₂O растворяют в 1 л дистиллированной воды, раствор нейтрализуют до рН 11, добавив 150 мл 25%-ного раствора аммиака, после чего разбавляют до 1,8 л.

0,75 г-моля (NH₄)₂HPO₄ растворяют в 1,5 л воды, раствор нейтрализуют, добавив 400 мл 25%-ного NH₄OH до рН ≈ 11, после чего доводят объем раствора до 3,0 л.

В раствор нитрата кальция при перемешивании вносят 12,65 г гидроксилапатита, затем в течение 30 мин подают раствор диаммонийфосфата (ДАФ). После смешения суспензию перемешивают еще 1,5 ч, затем отстаивают в течение 2 ч.

Осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера, по объему фильтрата и времени фильтрации рассчитывают скорость фильтрации.

Отжатый осадок промывают репульпацией водой, отфильтровывают под вакуумом, сушат при 90^оС и прокаливают при 1000^оС в муфельной печи. Прокаленный осадок измельчают и анализируют.

Выход прокаленного однофазного гидроксилапатита (Y_ГАП 139,0 г; скорость фильтрации V_ф 0,39 м³/м²ч.

П р и м е р 2. 1,44 г г-моля Са(NO₃)₂^.4H₂O растворяют в 1 л воды нейтрализуют до рН ≈11 и разбавляют водой до 1,8 л.

0,86 г-моля (NH₄)₂HPO₄ растворяют в 1,5 л воды, нейтрализуют до рН ≈ 11 и разбавляют водой до 3,45 л.

В раствор нитрата кальция вводят 14,46 г ГАП. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 159,0 г; V_ф 0,32 м³/м²ч; продукт однофазный.

П р и м е р 3. 1,62 г-моля Са(NO₃)₂^.4H₂O растворяют в 1 л воды, нейтрализуют до рН 11 и разбавляют до 1,8 л.

0,97 г-моля ДАФ растворяют в 1,5 л воды, нейтрализуют до рН ≈ 11. В нейтрализованном растворе появляется муть, которая исчезает при разбавлении раствора водой до 3,9 л. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 178,8 г; V_ф 0,27 м³/м²ч; продукт однофазный.

П р и м е р 4. Растворы нитрата кальция и ДАФ готовят как в примере 2.

В раствор Са(NO₃)₂^.4H₂O вводят 7,23 г ГАП. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 151,8 г; V_ф 0,15 м³/м²ч; продукт содержит 99% ГАП и 1% ТКФ.

П р и м е р 5. Растворы нитрата кальция и ДАФ готовят как в примере 2.

В раствор Ca(NO₃)₂ вводят 36,15 г ГАП. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 180,2 г; V_ф 0,25 м³/м²ч; продукт однофазный.

П р и м е р 6. Растворы нитрата кальция и ДАФ готовят как в примере 2.

В раствор нитрата кальция вводят 4,34 г ГАП. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 148,7 г; V_ф 0,10 м³/м²ч; продукт содержит 93% ГАП и 7% β -ТКФ.

П р и м е р 7. Растворы нитрата кальция и ДАФ готовят как в примере 2.

В раствор нитрата кальция вводят 43,38 г ГАП. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 187,8 г; V_ф 0,19 м³/м²ч; продукт однофазный.

П р и м е р 8. 1,08 г-моля Ca(NO₃)₂^.4H₂O растворяют в 1 л воды, раствор нейтрализуют до рН ≈ 11 и разбавляют до 1,8 л. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 119,1 г; V_ф 0,40 м³/м²ч; продукт однофазный.

П р и м е р 9. 1,8 г-моля Сa(NO₃)₂^.4H₂O растворяют в 1 л воды. Далее поступают как в примере 1. Пульпа вязкая, плохо перемешивается.

Y_ГАП 198,6 г; V_ф 0,16 м³/м²ч; продукт однофазный.

П р и м е р 10. Раствор Ca(NO₃)₂ готовят как в примере 2.

0,85 г-моля ДАФ растворяют в 1,5 л воды, нейтрализуют до рН ≈ 11 и разбавляют до 4,3 л. Далее поступают как в примере 2.

Y_ГАП 158,7 г; V_ф 0,33 м³/м²ч; продукт однофазный.

П р и м е р 11. Раствор Ca(NO₃)₂ готовят как в примере 2.

0,86 г-моля ДАФ растворяют в 1,5 л воды, доводят до рН ≈ 11 и разбавляют водой до 2,15 л. В процессе нейтрализации выпадает осадок триаммонийфосфата, который полностью не растворяется при разбавлении. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 158,8 г; V_ф 0,27 м³/м²ч; продукт содержит 97% ГАП и 3% β -ТКФ.

П р и м е р 12. Раствор Ca(NO₃)₂ готовят как в примере 2.

0,86 г-моля ДАФ растворяют в 1,5 л воды; доводят рН до ≈ 11 и разбавляют водой до 8,6 л. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 158,7 г; V_ф 0,12 м³/м²ч; продукт однофазный.

П р и м е р 13. Раствор Ca(NO₃)₂ готовят как в примере 2.

0,86 г-моля ДАФ растворяют в 1,5 л воды, доводят рН до ≈ 11 и разбавляют водой до 2,87 л. В процессе нейтрализации наблюдается помутнение раствора, при разбавлении осадок растворяется.

Раствор ДАФ в течение 30 мин подают в раствор нитрата кальция, суспензию перемешивают еще 1,5 ч, затем отстаивают в течение 2 ч. Осадок отделяют от раствора центрифугированием. Далее поступают как в примере 1.

Y_ГАП 144,3 г; V_ф < 0,01 м³/м²ч, продукт содержит 87% ГАП и 13% ТКФ.

П р и м е р 14. Гидроксилапатит получают как в примере 13, но время перемешивания и отстаивания составляет 6 и 18 ч соответственно.

Y_ГАП 144,4 г; V_ф < 0,01 м³/м²ч; продукт содержит 99% ГАП и 1% ТКФ.

Результаты, полученные в примерах 1-14, представлены в таблице.

Увеличение концентрации соли кальция до 1,0 мол/л (выше предложенной) приводит к значительному повышению выхода ГАП (опыт 9), но при этом образуется вязкая, плохо перемешиваемая пульпа. Скорость фильтрации уменьшается от 0,32 м³/м²ч (опыт 2) до 0,16 м³/м²ч.

В случае раствора ДАФ превышение предложенной концентрации вызывает образование значительного количества осадка триаммонийфосфата, который при разбавлении раствора полностью не растворяется (опыт 11). Вследствие этого образуется продукт нестехиометрического состава, который при прокаливании разлагается с образованием смеси гидроксилапатита и β -трикальцийфосфата (витлокита).

Уменьшение концентрации исходной соли кальция ниже предложенной нецелесообразно, так как приводит к уменьшению выхода ГАП. Скорость фильтрации суспензии и фазовый состав продукта остаются практически без изменения (опыт 8).

Уменьшение концентрации соли фосфора (при заданной концентрации кальция и отношении Са/Р, равном 1,67) вызывает необходимость значительного разбавления исходного раствора и приводит к увеличению объема образующейся суспензии и падению скорости фильтрации до < 0,1 м³/м²ч (опыт 12).

Скорость фильтрации резко уменьшается и при введении меньшего, чем предложено количества затравки гидроксилапатита. Прокаленный продукт содержит 7% β -ТКФ (опыт 6).

Введение большего, чем предложено, количества затравки нецелесообразно, так как не сказывается на качестве продукта. При этом суспензия загустевает, ухудшаются условия перемешивания, скорость фильтрации уменьшается в 1,5 раза (опыт 7).

В отсутствии затравки (опыты 13 и 14) получить однофазный продукт не удалось. Даже при увеличении времени контакта осадок-раствор до 24 ч (6 ч перемешивание, 18 ч выстаивание) прокаленной продукт представляет собой смесь β -трикальцийфосфата и гидроксилапатита (13 и 87% соответственно). Для отделения осадка использовали центрифугирование, так как скорость фильтрации менее 0,01 м³/м²ч. Выход продукта по сравнению с прототипом увеличился в 1,4 раза.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысить производительность процесса за счет увеличения выхода продукта и сокращения продолжительности осаждения и выстаивания осадка. Образующаяся суспензия ГАП может быть разделена фильтрацией под вакуумом, а получаемый после прокаливания продукт не содержит примесей α- и β -трикальцийфосфата и других фаз.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИЛАПАТИТА, включающий нейтрализацию раствором нитрата кальция и фосфата аммония аммиаком до pH 11, смешение полученных растворов при молярном отношении Сa/P 1,67, фильтрацию, промывку, сушку и прокаливание осадка, отличающийся тем, что в раствор нитрата кальция перед смешением вводят гидроксилапатит в количестве 5 25 мас. от стехиометрически получаемого, причем концентрация растворов при смешении составляет: нитрат кальция 0,70 0,90 мол/л, фосфата аммония 0,20 0,30 мол/л.

РИСУНКИ

Рисунок 1