Способ получения гидроксилапатита кальция

 

Использование: способ получения гидроксилапатита кальция может найти применение в медицине, в частности стоматологии, травматологии. Сущность способа: осуществляют взаимодействие раствора гидроокиси кальция с ортофосфорной кислотой до pH 6,5 - 8,0 реакционной смеси. Полученный осадок отделяют от маточного раствора фильтрацией, промывают его водой и сушат при 20-30^oC, при этом получают продукт типа дентина, или при 100-140^oC, при этом получают продукт типа эмали зуба человека. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к химической технологии получения различных модификаций гидроксилапатита кальция, которые могут быть использованы в медицине, в частности стоматологии, травматологии в качестве биосовместимого материала для внутрикостной имплантации.

Известен способ получения гидроксилапатита кальция путем взаимодействия нитрата кальция с дигидрофосфатом аммония в присутствии газообразного аммиака, причем на взаимодействие вначале падают 60-80% дигидрофосфата аммония, перемешивают смесь 40-60 мин, а затем вводят оставшееся количество в течение 80-90 мин, полученный осадок отфильтровывают, промывают и сушат. Содержание основного вещества (гидроксилапатита) составляет 70-73% [1] Недостатком известного способа является низкое качество целевого продукта из-за получения большого количества примесей.

Наиболее ближайшим к предлагаемому способу является способ получения гидроксилапатита (прототип), заключающийся в следующем [2] Карбонат кальция прокаливают до оксида кальция в инертной атмосфере при 800-1300^oC в течение 0,5-10 ч (преимущественно при 950-1200^oC в течение 1-5 ч), охлаждают полученный оксид кальция до температуры ниже 500^oC (преимущественно до 200^oC) в инертной атмосфере, добавляют к последнему воду (в количестве 10-100 вес.ч.) при перемешивании в инертной атмосфере в течение 0,5-96 ч (преимущественно 1-24 ч) до получения гидроксида кальция, смешивают суспензию гидроксида кальция с 1-10%-ным раствором ортофосфорной кислоты в инертной атмосфере и проводят реакцию при энергичном перемешивании в течение 0,5-200 ч (преимущественно 0,5-100 ч) при изменении pH раствора от 13,0 до 8-9, фильтруют полученный осадок, промывают его водой и сушат при 250^oC в течение 16 ч, а затем прокаливают при 850-1400^oC в течение 0,5-5 ч (преимущественно при 1250-1400^oC в течение 1-3 ч). Общее время процесса составляет 26,5-150,5 ч. Получают кристаллический гидроксилапатит кальция с содержанием основного вещества 90-96% Недостатками известного способа являются длительность и трудоемкость процесса, высокие энергозатраты на высушивание и прокаливание продукта, недостаточная чистота целевого продукта из-за примесей фосфата кальция и др. а также возможность получения только одной модификации гидроксилапатита (типа эмали).

Технической задачей изобретения является упрощение способа и повышение содержания основного вещества в продукте, а также обеспечение возможности получения различных модификаций биосовместимого гидроксилапатита кальция, близких по составу и структуре к эмали и дентину зуба человека.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения гидроксилапатита кальция, включающем растворение оксида кальция в воде с последующим взаимодействием образовавшегося гидроксида кальция с ортофосфорной кислотой, отделение осадка фильтрованием и сушку продукта, ортофосфорную кислоту добавляют до конечного pH реакционной смеси, равного 6,5-8,0, а полученный осадок высушивают при 20-30^oC для получения гидроксилапатита типа дентина или сушат при 100-140^oC для получения гидроскилапатита типа эмали. Преимущественно используют ортофосфорную кислоту в концентрации 1-5% Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Оксид кальция растворяют в воде до получения прозрачного насыщенного раствора гидроксида кальция. Добавляют 1-5%-ный раствор ортофосфорной кислоты до pH 6,5-8,0 при интенсивном перемешивании. Полученный рыхлый осадок белого цвета отделяют от маточного раствора фильтрованием, промывают его водой и высушивают при 20-30^oC, при этом получают слабо окристаллизованный гидроксилапатит типа дентина, или при 100-140^o, при этом получают высоко окристаллизованный гидроксилапатит типа эмали зуба человека. Содержание основного вещества составляет 99,0-99,9% Качество и чистоту препаратов контролируют методами рентгенографии, ИК-спектроскопии и рентгенофлюоресцентного анализа.

Определяющими отличительными признаками способа является, во-первых, то, что осаждение гидроксилапатита проводят разбавленной ортофосфорной кислотой до конечного pH реакционной смеси, равного 6,5-8,0, что позволяет получать высокочистый гидроксилапатит с заданными кристаллохимическими характеристиками. При ведении процесса нейтрализации при pH 6,5 происходит загрязнение целевого продукта примесными фазами соединений кальция, а при проведении процесса нейтрализации ортофосфорной кислотой до pH более 8,0 создаются локальные условия для вхождения в структуру гидроксилапатита карбоната кальция.

Предложенный интервал pH является оптимальным и позволяет снизить последующую температуру высушивания при получении кристаллического гидроксилапатита типа эмали до 100-140^oC. Для осаждения гидроксилапатита используют преимущественно 1-5% -ный водный раствор ортофосфорной кислоты, что позволяет более точно зафиксировать необходимое значение pH реакционной среды. При этом содержание основного вещества в целевом продукте повышается до 99,0-99,9% Высушивание целевого продукта проводят при разных температурах, что позволяет получить гидроксилапатит разной степени кристалличности, а именно при 20-30^oC, при этом получают гидроксилапатит типа дентина или при 100-140^oC, причем получают гидроксилапатит типа эмали.

При высушивании продукта при температуре ниже 20^oC удлиняется процесс сушки, что может привести к загрязнению продукта различными механическими примесями окружающей среды, а при высушивании продукта при температуре выше 30^oC падает качество целевого продукта из-за загрязнения промежуточными среднеокристаллизованными модификациями соединений кальция.

При высушивании целевого продукта ниже 100^oC не обеспечивается возможность получения высококристаллизованного гидроксилапатита, а при высушивании при температуре выше 140^oC дальнейшего улучшения структуры целевого продукта не наблюдается, в связи с чем указанное высушивание нецелесообразно из-за большого расхода электроэнергии.

В таблице представлены данные химического анализа полученных образцов гидроксилапатита (типа эмали и типа дентина) в сравнении с химическим составом биоапатита (дентина и эмали зубов человека).

Из данных таблицы видно, что получаемый согласно предлагаемому способу гидроксилапатит максимально приближен к структуре и составу биоапатита и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к искусственным имплантатам костной ткани.

Все полученные образцы гидроксилапатита прошли биологические испытания на токсичность, мутагенность и гистосовместимость.

Мутагенные характеристики гидроксилапатита исследовали с помощью метода рецессивных деталей у Drosoph. melanogast. В корм некоторых был добавлен гель, содержащий гидроксилапатит.

Цитотоксичность материалов, содержащих гидроксилапатит различной степени окристаллизованности, исследовали на культуре фибробластов линии 929. Клетки культивировали в среде RDM-1640 с добавлением гентамицина, глютатиона и эмбриональной телячьей сыворотки. По окончании культивирования жизнеспособность клеток оценивали методом восстановления тетразолиевого нитросинего с последующим исследованием на спектрофотометре.

Исследования показали, что гидроксилапатит, получаемый предлагаемым способом, не обладает цитотоксичностью. В ходе морфологического изучения тканей, окружающих имплантированный синтезированный гидроксилапатит, было установлено, что все слои эпидермиса и подкожной клетчатки реагировали на присутствие имплантанта в пределах физиологической нормы. Признаков воспалительной и аллергической реакции не выявлено.

Было проведено клиническое изучение полученных образцов гидроксилапатита (типа дентина) у 4 больных в возрасте от 17 до 44 лет, лечившихся по поводу различных травм конечностей и имевших дефекты (полости, кисты) метафизов, диафизов костей. Больным проведено заполнение дефектов костной ткани гидроксилапатитом типа дентина, заключенным в структуру биосовместимого геля. Последующее наблюдение за результатами операции в течение 6-9 мес. показало, что во всех случаях процесс остеогенеза протекал нормально, гидроксилапатит заместился полноценной костной тканью.

Таким образом, только осуществление предлагаемого способа в экспериментально подобранном оптимальном режиме позволяет получить высококачественный гидроксилапатит различных модификаций, максимально близких по составу и структуре к биоапатиту, что обеспечит возможность использовать целевой продукт в качестве костнозаменяющего материала в стоматологии, травматологии и реконструктивной костно-лицевой хирургии.

В связи с тем, что в известных научно-технических и патентных источниках аналогичного способа получения гидроксилапатита кальция не обнаружено, можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение отвечает критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Пример 1. 16,5 г оксида кальция марки "чда" растворяют в 10 л дистиллированной воды до получения насыщенного раствора гидроксида кальция Ca(OH)₂. В прозрачный насыщенный раствор Ca(OH)₂ добавляют 950 мл 1%-ного раствора ортофосфорной кислоты до pH 7,0 при интенсивном перемешивании в течение 10 мин. Выпавший белый рыхлый осадок отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и делят на две части. Одну часть высушивают при 25^oC на воздухе в течение 10 ч, получают аморфный слабокристаллизованный гидроксилапатит типа дентина зуба человека. Вторую часть осадка высушивают при 120^oC в течение 8ч, получают высокоокристаллизованный кристаллический порошок гидроксилапатита типа эмали зуба человека.

Выход гидроксилапатита 24,3 г (98,4%), чистота продукта 99,9% Полученные образцы гидроксилапатита подвергают химическому и рентгенографическому анализу. Анализ показал, что полученный гидроксилапатит по структурным характеристикам подобен биологическому апатиту, не содержит примесных фаз.

Пример 2. 16,5 г оксида кальция марки "чда" растворяют в 10 л дистиллированной воды до получения насыщенного раствора гидроксида кальция Ca(OH)₂, а затем к последнему добавляют 195 мл 5%-ного раствора ортофосфорной кислоты до pH 6,5 при интенсивном перемешивании реакционной смеси в течение 15 мин. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и делят на две части. Одну часть высушивают на воздухе при 20^oC в течение 15 ч, получают аморфный слабокристаллизованный гидроксилапатит. Вторую часть высушивают в сушильном шкафу при 100^oC в течение 10 ч, получают высокоокристаллизованный гидроксилапатит.

Выход целевого продукта 24,0 г (97,2%), чистота продукта 99,5% Данные химического и рентгенографического анализа показали отсутствие примесных фаз в структуре продукта, а также его близость по составу к биоапатиту (дентину и эмали зуба человека).

Пример 3. Способ осуществляется аналогично примеру 1, но процесс нитрализации проводят до конечного pH реакционной смеси, равного 8. При этом одну часть осадка высушивают при 30^oC в сушильном шкафу в течение 5 ч, при этом получают аморфный слабоокристаллизованный гидроксилапатит типа дентина зуба человека, а другую часть высушивают при 140^oC в течение 5 ч, получают кристаллический порошок высокоокристаллизованного гидроксилапатита типа эмали зуба человека.

Выход гидроксилапатита 24,1 г (97,6%), чистота продукта 99,6% Данные химического и рентгеноструктурного анализа показали отсутствие примесных фаз в структуре гидроксилапатита.

Использование предлагаемого способа позволяет по сравнению с прототипом снизить длительность процесса со 150 до 11-16 ч (общее время ведения процесса при получении гидроксилапатита типа дентина составляет 6-16 ч, а типа эмали 6-11 ч);
снизить энергозатраты в связи с исключением необходимости высушивания и прокаливания целевого продукта при высоких температурах (850-1400^oC);
снизить трудоемкость способа путем исключения необходимости ведения процесса в инертной атмосфере (азота, гелия или аргона);
повысить содержание основного вещества в целевом продукте до 99,5-99,9%
обеспечить возможность получения различных модификаций гидроксилапатита, а именно слабоокристаллизованного гидроксилапатита, идентичного дентину зуба человека и высоко окристаллизованного гидроксилапатита, идентичного эмали зуба человека.

Получаемый предлагаемым способом биосовместимый гидроксилапатит кальция может быть использован в медицине, в частности для травматологической, стоматологической и челюстнолицевой пластики, а также в парфюмерно-косметической промышленности в качестве наполнителя зубных паст и декоративной косметики.

Формула изобретения

1. Способ получения гидроксилапатита кальция, включающий растворение оксида кальция в воде до образования гидроксида кальция, смешивание последнего с разбавленным раствором ортофосфорной кислоты, отделение осадка фильтрованием, промывку его водой и высушивание целевого продукта, отличающийся тем, что кислоту добавляют в раствор до конечного pH реакционной смеси 6,5 8,0, а выпавший осадок высушивают при 20 30^oС для получения аморфного гидроксилапатита или при 100 140^oС для получения высоко окристаллизованного гидроксилапатита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют 1 5%-ный водный раствор ортофосфорной кислоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1