Способ получения гидроксилапатита

 

Изобретение относится к области химии фосфорсодержащих соединений кальция и может быть использовано в качестве медицинского материала для стоматологии, а также адсорбента и катализатора. Способ позволяет получать продукт высокой степени чистоты путем очистки исходных концентрированных растворов нитрата кальция активированным углем марки "ОУ-А" и гидрофосфата аммония пропусканием через катионит КУ-2 с последующим подщелачиванием концентрированным аммиаком очищенных растворов нитрата кальция до pH 12,0-12,5 и гидрофосфата аммония до pH 10,5-11,5 и кипячением в течение 30-90 мин образовавшейся суспензии. 2 табл.

Изобретение относится к области химии фосфорсодержащих соединений кальция, в частности к способу получения стехиометрического гидроксилапатита кальция высокой чистоты, который может быть использован в качестве медицинского материала для стоматологии, изготовления искусственных костей, а также адсорбента и катализатора.

Синтетический гидроксилапатит состава Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ получают путем медленного добавления фосфорной к кипящей суспензии Ca(OH)₂ и CaO [1] По данному способу получают в промышленных условиях до 45 кг в час продукта с мольным соотношением Ca/P 1,69 ± 0,04. Однако сам процесс многостадиен, требует специального оборудования для работы в едких средах и не дает воспроизводимых результатов по стехиометрическому (Ca/P=1,67) составу.

Известен также способ [2] получения гидроксилапатита с отношением Ca/P= 1,48^oC1,67 путем постепенно добавления CaO или Ca(OH)₂ к суспензии CaHPO₄·2H₂O и воды в атмосфере инертного газа при поддерживании величины pH=10 и температуры 5 ^oC 70^o с последующим нагревом выше 100^oC.

Гидроксилапатит с активной поверхностью можно получать, если смещение растворов солей кальция и фосфатов аммония, содержащих аммиак, проводить при 35-50^oC с поддерживанием суммарной концентрации в образовавшейся суспензии CaO+P₂O₅; равной 1,2-3,2% [3] По другому способу [4] удельную поверхность гидроксилапатита повышают, если раствор соли кальция (хлорид кальция) предварительно обрабатывают гидроксидом натрия и на взаимодействие в качестве фосфорсодержащего соединения с ним подают 70-87,5%-ную фосфорную кислту до pH 8,7-10,9.

Однако получить гидроксилапатит высокой чистоты предназначенный для медицинских целей стабильного по фазовому и примесному составу известными способами затруднительно, так как в исходном сырье, как правило, содержатся примеси металлов соосаждаемые при синтезе на поверхности гидроксилапатита, который сам по себе является активным сорбентом. Кроме того, нежелательно присутствие в исходном сырье хлорида кальция трудноотмываемых хлорид-ионов, как и соосаждение при синтезе ортофосфата кальция Ca₃(PO₄)₂, нерегулируемое количество которого приводит к различным отклонениям от стехиометрического состава гидроксилапатита.

Наиболее близким техническим решением является способ получения гидроксилапатита высокой чистоты [5] по которому раствор фосфорнокислой соли NH₄H₂PO₄ перед подачей в реактор пропускают через сильнокислую смолу с целью очистки от тяжелых металлов. Затем в закрытом реакторе проводят осаждение путем раздельного введения в нужном соотношении соединений кальция (CaCl₂), щелочи (NaOH) и очищенного раствора NH₄H₂PO₄.

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Основным недостатком является отсутствие стадии очистки исходного кальцийсодержащего сырья от токсичных примесей тяжелых металлов. Вторым недостатком является использование хлорида кальция в качестве исходного сырья и гидроксида натрия для создания щелочной среды при синтезе, содержащих небольшого размеры ионы натрия и хлорид-ионы, легко адсорбируемых активной поверхностью целевого продукта и негативно влияющих на свойства медицинской керамики на его основе.

В составе приученного по известному способу гидроксилапатита высокой чистоты отсутствуют данные о наличии в нем токсичных примесей в виде оксидов свинца, мышьяка, ртути, что так важно для характеристики медицинских реактивов.

Содержание примесей в виде оксидов кремния, алюминия, железа, никеля, цинка, кадмия, калия и натрия дано в пределах 0 ^oC 10^-2 мас. что не дает достоверной информации о микропримесном составе. Тем более, что современные спекратльные методы позволяют определять концентрации элементы в пределах 1·10^{-4 o}C 1·10^-6 мас.

Мольное отношение компонентов в основном продукте колеблется в пределах Ca/P 1,60 ^oC 1,64, что также не отвечает стехиометрическомк составу гидроксилапатита. Метод рентгенофазового анализа позволяет в целом продукте обнаруживать до 2 мол. соосаждаемого при синтезе ортофосфата кальция, что и соответствует молярному отношению Ca/P 1,64 ^oC 1,65.

В основу изобретения поставлена задача создания способа получения гидроксилапатита, в котором очищаются исходные концентрированные растворы нитрата кальция активированных углем марки "А" и гидрофосфата аммония пропусканием через катионит КУ-2, что обеспечивает высокую степень чистоты конечного продукта и за счет этого его можно использовать как медицинский материал для стоматологии, изготовления искусственных костей, а также адсорбента и катализатора.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения гидроксилапатита, содержащем смешение растворов с последующей фильтрацией, промывкой, сушкой и прокалкой полученного продукта согласно изобретению осаждение проводят из предварительно очищенных концентрированных растворов нитрата кальция активированным углем марки "А" и гидрофосфата аммония пропусканием через катионит КУ-2 с последующим подщелачиванием концентрированным аммиаком очищенных растворов нитрата кальция до pH 12,0 ± 0,5 и гидрофосфат аммония до pH 10,5 ^oC 11,5 и кипячением в течение 30-90 мин образовавшейся суспензии.

Использование предлагаемого способа синтеза гидроксилапатита позволяет достигнуть следующие результаты: 1. Очистка исходного кальцийсодержащего сырья параллельно с очисткой фосфорсодержащего сырья значительно снижает содержание токсичных примесей в составе целевого продукта гидроксилапатита.

2. Использование нитрата кальция Ca(N₃O)₂ вместо хлорида кальция CaCl₂ в качестве кальцийсодержащего сырья и раствора аммиака вместо NaOH для подщелачивания благоприятствует быстрой отмывки продукта от нитрат-ионов, что сокращает продолжительность синтеза и устраняет загрязнение его другими легко сорбируемыми ионами малого размера таким как Cl^- и Na⁺.

3. Диапазон значений pH 10,8 ^oC 11,5 по заявляемому способу для подщелачивания очищенного раствора фосфата аммония способствует образованию стехиометрического гидроксилапатита, т.к. позволяет избежать соосаждение ортофосфата кальция. Это связано с тем, что при рекомендуемом в известных способах значении pH фосфата аммония около 12 ед. pH нарушается стехиометрия в осадок в сторону избытка фосфат-аниона, особенно в концентрированных растворах (при > 0,1 моль/л), из-за сильного понижения растворимости соли при pH > 11,2, приводящего к соосаждению при синтезе Ca₃(PO₄)₂ по реакции: 4. Использование очищенных концентрированных исходных растворов при рекомендованных значениях pH повышает производительность способа получения гидроксилапатита стехиометрического состава Ca/P 1,67) высокой чистоты до одного килограмма и выше за один синтез.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в известном осаждение проводят с использованием растворов CaCl₂ и предварительно очищенного только одного исходного раствора NH₄H₂PO₄. Щелочную среду, как основное необходимое условие, регулируют только в реакторе 1%-ным раствором NaOH, а исходный раствор дигидрофосфата аммония перед пропусканием его через сильнокислую ионообменную смолу готовят методом нейтрализации ортофосфорной кислоты раствором аммиака.

В заявленном же способе используют легкодоступные исходные реактивы Ca(NO₃)₂ и (NH₄)₂HPO₄, выпускаемые отечественной химической промышленностью, что значительно упрощает способ из-за отсутствия стадии приготовления исходного фосфорсодержащего сырья. Кальций- и фторсодержащие растворы готовят перед очисткой путем растворения в воде количеств, заданных исходных соотношением. Раствор гидрофосфата аммония пропускают через катионит КУ-2, предварительно доочищенный азотной кислотной и омытый от избытка кислоты глубокодеминерализованной водой, полученной на смешанном слое ионитов. Раствор нитрата кальция чистят от примеси тяжелых металлов с помощью связывания их в комплексные соединения с люмогаллионом ИРЕА при pH=7^oC7,5 и последующим пропусканием его через активированный уголь марки "А". Активированный уголь предварительно очищают от ионов железа (III) кипячением в растворе соляной кислоты, затем окисляют его персульфатом аммония и отмывают водой от хлорид-ионов.

Очищенные фосфор- и кальцийсодержащие растворы подщелачивают концентрированным раствором аммиака марки "о.с.ч." до pH=11^oC12 и смешивают при сильном перемешивании в реакторе. Осадок после получасового кипячения образовавшейся суспензии отделяют фильтрованием, промывают горячей бидистиллированной водой до отсутствия нитрат-ионов в промывных водах, сушат при 120^oC, измельчают и прокаливают при 900^oC в течение 2 ч.

Фазовый состав полученного по заявляемому способу различной массы (100 ^oC 2000 г) целевого продукта, контролируемый методами рентгенофазового (дифрактометр ДРОН-3) и химического анализа, указывает на образование однофазного гидроксилапатита с воспроизводимым мольным отношением Ca/P 1,66 ^oC 1,67.

Содержание примесей в целевом продукте и в очищенных исходных растворах не превышает допустимого количества токсичных элементов мышьяка (As) и ртути (Hg) в медицинских материалах, а по остальным металлам: Свинца (Pb), кадмия (Cd), цинка (Zn), меди (Cu), железа (Fe) показатели значительно ниже (табл. 1).

Пример 1. Готовят отдельно исходные растворы нитрата кальция и гидрофосфата аммония растворения 1180 г Ca(NO₃)₂ · 2H₂O и 396 г (NH₄)HPO₄ в 1 л воды. Приготовленный раствор нитрата кальция подщелачивает раствором аммиака на pH-метре до значения pH 7 ^oC 7,5, добавляют в него при перемешивании 200 мл 0,1% водного раствора люмогаллиона ИРЕА (5-хлор, 3-сульфаазобензол C₁₂H₉O₆ClSN₂), выдерживают один час для полного связывания примесей, затем добавляют 22 г активированного угля марки "А", перемешивают 10 минут и выдерживают 20 мин, отфильтровывают через двойной бумажный фильтр, предварительно промытый разбавленной уксусной кислотой 1:1 и горячей бидистиллированной водой.

Активированный уголь для очистки готовят следующим образом. Обрабатывают его соляной кислотой 1: 1 при кипячении до отсутствия ионов Fe³⁺ (проба с NH₄CNS), затем промывают 8-10 раз разбавленным раствором аммиака 1:3, 2 раза 5% раствором персульфата аммония и водой до отсутствия хлорид-иона (реакция с 0,1 н раствором AgNO₃).

Очищенный раствор нитрата кальция подщелачивают концентрированным аммиаком до pH 12 (на 1 л раствора Ca(NO₃)₂ необходимо 2 л концентрированного раствора аммиака марки "о.с.ч.").

Исходный раствор гидрофосфата аммония пропускают через катионит КУ-2, предварительно доочищенный азотной кислотой (выдергиванием 12 ч в растворе азотной кислоты 1:1) и отмытый от избытка кислоты глубокодеминерализованной водой, полученной на смешанном слое ионитов. Очищенный таким образом раствор фосфата аммония подщелачивает до pH 10,8 концентрированный раствором аммиака марки "о.с.ч." (на 1 л раствора, содержащего 396 г (NH₄)₂HPO₄ необходимо 6 л концентрированного аммиака).

Осаждение гидроксилапатита проводят путем добавления при интенсивном перемещении щелочного раствора фосфата аммония к щелочному раствору нитрата кальция в течение 30 мин. Затем полученную суспензию перемешивают в течение 30 мин, кипятят 50 мин, фильтруют и отмывают горячей водой до отсутствия нитрат-ионов в промывных водах, сушат при 80 ^oC 120^oC, измельчают до необходимого размера частиц и прокаливают при (900 ± 50)^oC в течение 2 ч. Получают 500 г (выход 97%) гидроксилапатита стехиометрического состава высокой частоты.

Пример 2-3. Получают 1 кг стехиометрического гидроксилапатита высокой чистоты аналогично примеру 1. Изменяют количество исходных компонентов для приготовления растворов с последующей их очисткой: Ca(NO₃)₂ · 4H₂O 2400 г; (NH₄)₂HPO₄ 1320 г. Для очистки 2 л приготовленного из соответствующей навески раствора нитрата кальция необходимо 400 мл 0,1% водного раствора люмогаллиона и 44 г активированного угля. Для доведения такой концентрации очищенного раствора нитрата кальция до требуемого значения pH 12,0 расходуется 4 л концентрированного раствора аммиака.

В примерах 2 и 3 изменяют значения pH очищенного раствора гидрофосфата аммония, приготовленного растворением в 2 л воды 792 г безводной соли и пропущенного через ионообменную смолу КУ-2.

Подщелачивание этого раствора концентрированным раствором аммиака в количестве 13 л соответствует значению pH=11,0 (пример 2), а в количестве 15 л pH 11,5 (пример 3). Соответственно увеличивается время перемешивания до одного часа и кипячения образовавшейся до 1,5 часов. Результаты приведены в табл. 2.

Для устранения соосаждения при синтезе гидрофосфатов и изополифосфатов кальция pH раствора нитрата кальция должен соответствовать значению 11,5^oC12,5 ед. pH. Раствор гидрофосфата аммония необходимо подщелачивать до 10,8 ^oC 11,5 ед. pH с целью получения в устойчивом состоянии ортофосфат-ионов PO³₄^- необходимых для осаждения гидраксилапатита кальция. При значениях pH фосфатного раствора меньших 10,8 ед. pH происходит соосаждение ортофосфата кальция, что нарушает стехиометрию целевого продукта.

Время кипячения образовавшейся после смешения исходных растворов суспензии в интервале 30199> 90 мин необходимо для полноты протекания реакции осаждения гидроксилапатита и агрегации частиц с целью сокращения времени фильтрации осадка.

Использование предлагаемого способа синтеза гидросилапатита высокой чистоты обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: 1. Очистка исходного кальцийсодержащего сырья параллельно с очисткой фосфорсодержащего сырья значительно снижает содержание токсичных примесей в составе целевого продукта гидроксилапатита.

Использование нитрата кальция Ca(NO₃)₂ вместо хлорида кальция CaCl₂ в качестве кальцийсодержащего сырья и раствора аммиака вместо NaOH для подщелачивания благоприятствует быстрой отмывки продукта от нитрат-ионов, что сокращает продолжительность синтеза и устраняет загрязнение его другими легко сорбируемыми ионами малого размера, таким как Cl^- и Na⁺.

Диапазон значений pH 10,8^oC 11,5 по заявляемому способу для подщелачивания очищенного раствора фосфата аммония способствует образованию стехометрического гидроксилапатита, так как позволяет избежать соосаждение ортофосфата кальция. Это связано с тем, что при рекомендуемом в известных способах значение pH фосфата аммония 12 ед. pH нарушается стехиометрия в осадке в сторону избытка фосфат- аниона, особенно в концентрированных растворах (при > 0,1 моль/л), из-за сильного понижения растворимости соли при pH > 11,2, приводящего к соосаждению Ca₃(PO₄)₂ по реакции: Использование очищенных концентрированных исходных растворов при рекомендованных значениях pH повышает производительность способа получения гидроксилапатита стехиометрического состава Ca/P 1,67 высокой чистоты до одного килограмма и выше за один синтез.

Формула изобретения

Способ получения гидроксилапатита, включающий смешение очищенного раствора фосфорнокислой соли аммония, раствора кальцийсодержащего реагента и щелочного реагента с последующей фильтрацией полученной суспензии, промывкой, сушкой и прокалкой продукта, отличающийся тем, что в качестве очищенного раствора фосфорнокислой соли аммония используют предварительно пропущенный через катионит КУ-2 концентрированный раствор гидрофосфата аммония, а в качестве раствора кальцийсодержащего реагента очищенный активированным углем марки "ОУ-А" концентрированный раствор нитрата кальция, причем перед смешением подщелачивают аммиаком раствор нитрата кальция до рН 12,0 12,5, а раствор гидрофосфата аммония до рН 10,5 11,5, и полученную после смешения суспензию кипятят в течение 30 90 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1