Способ получения гидроксилапатита кальция

 

Использование: в химической промышленности в производстве гидроксилапатита кальция как исходного материала для изготовления биоактивной керамики для применения в стоматологии, протезировании, ортопедии. Сущность изобретения: с целью достижения чистого фазового состава приготавливается суспензия гидроокиси кальция с фосфорной кислотой, приливаемой по каплям до pH 9-11, после фильтрации и сушки продукт в присутствии гидроксилсодержащего компонента в количестве 10-12 мас.% от веса продукта подвергается двойной переработке при 600-700^oC в течение 20-30 мин и при 1000-1400^oC в течение 1-4 ч. В качестве гидроксилсодержащего компонента используются гидрооксиды кальция, стронция, циркония, алюминия и др. 1 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к химической и медицинской промышленности и может быть использовано в производстве гидроксилапатита кальция как исходного материала для изготовления биоактивной керамики, которая в настоящее время активно начинает применяться в стоматологии, протезировании зубов, ортопедии, изготовлении стекол, паст, адсорбентов.

Гидроксилапатит кальция является наиболее перспективным биоматериалом, так как он обеспечивает достаточную прочность и пористость керамики, кроме того, его состав идентичен минеральной части костной ткани и эмали, не имеет антигенных свойств и не вызывает микроцентарной воспалительной реакции, поэтому может служить материалом для различного рода имплантантов.

В современной стоматологии и ортопедии гидроксилапатит кальция вытесняет металлы и другие традиционно применяемые материалы (J. Amplantol, 1987, 13, N 1, c. 120-127; Med. Progr. Technol. 1982, N 9, 129-136).

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в обеспечении технологии получения гидроксилапатита кальция, пригодного для изготовления биоактивной керамики, имплантантов, пломбировочных паст и др. Необходимым свойством гидроксилапатита кальция, обеспечивающим его использование как высококачественного биоматериала, является чистота его фазового состава. Химический состав должен соответствовать формуле Ca₁₀(OH)₂(PO₄)₆.

Синтез кальцийфосфатных соединений в системе CaO-P₂O₅-H₂O характеризуется зависимостью от условий реакции (среда, температура, концентрация, соотношение и т.п.) и большим количеством промежуточных соединений (Ca(H₂PO₄)₂, CaHPO₄, Ca₃(PO₄)₂, Ca₁₀(OH)₂(PO₄)₆ и т.д.). Поэтому способы получения гидроксилапатита с чистым фазовым составом направлены на разработку условий реакции и последующей обработки для доведения материала до оптимального состава и качества в процессе образования керамики.

Известен режим гидротермального синтеза гидроксилапатита из пирофосфата и оксида кальция (J. Amer. Ceram. Soc. 1990, 73, N 6, 1803-1805). Соотношение исходных компонентов в смеси выбирают таким образом, чтобы соотношение Ca/P было равно 1,67. Синтез проводят в золотых ампулах диаметром 3 мм и длиной 40 мм при температуре 623-723К в атмосфере азота по давлением 30-70 мПа в течение 1-120 ч. Фазовый состав продукта контролируют рентгенофазовым анализом. Сложность и дороговизна такого синтеза не позволяет организовать массовое производство продукта.

Известен способ получения гидроксилапатита смешиванием растворов диаммонийфосфата и нитрата кальция (J. Amer. Ceram. Soc. 1989, 72, N 8, 1476-1478). Смесь при барботировании аргоном выдерживали при pH 11 в течение 48 ч при комнатной температуре. При сложности технологии этот способ не позволяет достигнуть достаточной фазовой чистоты продукта, конечный продукт загрязнен побочными фазами CaHPO₄, Ca₃(PO₄)₂, технология требует длительной отмывки от водорастворимых промежуточных продуктов реакции.

Также известен способ получения гидроксилапатита кальция со сферическими частицами, используемого в качестве насадки в хроматографических колонках (заявка Японии N 1234308, C 01 B 25/32 G 01 N 30/48, 19.09.89).

Способ включает смешивание порошков дикальцийфосфата и карбоната кальция при молярном соотношении 3: 2 и последующее прокаливание при 700-1400^oC в атмосфере, содержащей пар. Способ не позволяет получить материал с достаточно чистым фазовым составом, продукт загрязнен исходными компонентами и, как правило, трикальцийфосфатом за счет недостаточного контакта смеси с парами воды. Способ сложен в аппаратурном оформлении.

Известен способ получения гидроксилапатита приготовлением суспензии пирофосфата кальция, оксида кальция и хлорида кальция (заявка Японии N 63-1000007, C 01 B 25/32, 02.05.88). Молекулярное соотношение Ca/P в смеси составляет 1,3-1,9. Реакцию проводят в щелочной среде при 100^oC с последующей прокалкой продукта. Гидроксилапатит, полученный по этому способу, содержит фазы, не соответствующие соотношению Ca/P 1,66.

Известен также способ получения гидроксилапатита путем смешивания дикальцийфосфата (CaHPO₄·2H₂O) и карбоната кальция с соблюдением соотношения Ca/P 1,4-1,75, измельчением и перемешиванием смеси в присутствии воды с последующей сушкой и прокаливанием продукта при 500-1350^oC (заявка Японии N 63-66790, C 04 B 35/00, 38/00; A 06 L 27/00, 22.12.88). Гидроксилапатит, полученный по этому способу, содержит примесные фазы других фосфатов кальция.

Известен способ повышения фазовой чистоты гидроксилапатита кальция путем его обжига в восстановительной среде, содержащей водяные пары при изготовлении керамики (заявка Японии N 61-58422, C 04 B 35/00; A 61 C 8/00, 11.12.86).

Способ сложен в аппаратурном оформлении, весьма чувствителен к условиям прокаливания, среда должна очень строго контролироваться, в противном случае появляются другие фазы фосфатов кальция.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения гидроксилапатита кальция для биоактивной керамики ("Le//Jntereeram", 1989, 38, N 2, 22-23).

Способ включает приготовление водной суспензии гидроокиси кальция с фосфорной кислотой, приливаемой по каплям при pH 7,3-8,0 с последующим фильтрованием продукта.

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные существенные признаки.

Приготовление водной суспензии гидроокиси кальция с фосфорной кислотой, приливаемой по каплям до контролируемого значения pH с последующей фильтрацией. Эти приемы позволяют провести реакции с наименьшим содержанием побочных соединений.

Недостатком прототипа является то, что состав получаемого гидроксилапатита не соответствует оптимальному. При использовании известных приемов происходят реакции: При этом целевой продукт загрязнен побочными фазами фосфатов кальция, а также не достигается достаточное внедрение в состав продукта ионов кальция до соотношения Ca/P 1,66 и гидроксил-ионов (OH^-).

Цель изобретения получение гидроксилапатита кальция с чистым фазовым составом, пригодного для изготовления биокерамики различного назначения (имплантанты, зубные цементы пломбы и пр.). Достижение цели подтверждается постоянством молекулярных соотношений Ca/P в смеси и в конечном продукте, равном 1,66-1,67, а также результатом рентгенофазового анализа основного критерия чистоты продукта.

Поставленная цель достигается приготовлением суспензии гидроокиси кальция с фосфорной кислотой, приливаемой по каплям до pH 9-11 с последующим фильтрованием, сушкой, термообработкой при 600-700^oC в течение 20-30 мин в присутствии соединений, содержащих гидроксид-ион (гидроксиды кальция, стронция, циркония, алюминия и т.д.), взятых в количестве 10-12 мас. от веса продукта и дополнительным прокаливанием при 1000-1400^oC в течение 1-4 ч.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки.

Приливание фосфорной кислоты до pH 9-11 предупреждает образование побочных фаз CaHPO₄, Ca₃(PO₄)₂.

Термообработка высушенного продукта реакции гидроксида кальция и фосфорной кислоты при 600-700^oC в присутствии соединений, содержащих гидроксид-ион в количестве 10-12 мас. от веса продукта реакции обеспечивает полное формирование гидроксилапатита состава Ca₁₀(OH)₂(PO₄)₆.

Дополнительное прокаливание продукта при 1000-1400^oC в течение 1-4 ч способствует окончательному встраиванию гидроксид-иона в решетку гидроксилапатита, а также достижению необходимых для биокерамики физических свойств отсутствию потери массы, прочность, пористость и т.д.

Способ поясняется фиг. 1-7.

Возможность осуществления изобретения с использованием совокупности заявляемых признаков подтверждается примерами.

Пример 1 (по прототипу). В колбу емкостью 5,0 л заливают 2,5 л дистиллированной воды, при перемешивании вводят 450 г гидроксида кальция. Отдельно берут 250 мл фосфорной кислоты концентрацией 780 г/л, разбавляют в два раза водой и по каплям добавляют в суспензию гидроксида кальция до значения pH 7,3. Суспензию отфильтровывают, высушивают и анализируют на содержание фаз.

Согласно данным рентгенофазового анализа непрокаленный продукт содержит три фазы гидроксилапатит Сa₁₀(OH)₂(PO₄)₆, дикальцийфосфат CaHPO₄ и трикальцийфосфат Ca₃(PO₄)₂ (фиг. 1), причем при низких значениях pH в качестве примесной фазы образуется преимущественно дикальцийфосфат при pH 8 - трикальцийфосфат. Продукт после прокаливания имеет плохо сформированные кристаллы за счет слабого внедрения групп OH^- в кристаллическую решетку (фиг. 2), Ca/P 1,4.

Пример 2. В колбу емкостью 5,0 л заливают 2,5 л дистиллированной воды, при перемешивании вводят 460-500 г гидроксида кальция. Отдельно берут 250 мл фосфорной кислоты концентрацией 780 г/л, разбавляют в два раза водой и по каплям добавляют в суспензию гидроксида кальция до значения pH 9. Суспензию отфильтровывают, высушивают и подвергают прокалке в присутствии гидроксида кальция, взятого в количестве 12 мас. от веса продукта, при 600^oC в течение 20 мин, затем прокаливают при 1100^oC в течение 3 ч. Соотношение Ca/P составляет 1,65. Результаты рентгенофазового анализа представлены на фиг. 3.

Примеры 3-6 выполняются аналогично примеру 2, достигаемые результаты в зависимости от заявляемых признаков приведены в таблице.

Выбор граничных значений параметров обусловлен тем, что снижение pH менее 9 приводит к появлению побочных фаз CaHPO₄ и Ca₃(PO₄)₂, снижение температуры и времени первой термообработки ниже 600^oC и 20 мин, а также уменьшение дополнительно вводимого гидроксилсодержащего компонента менее 10% от веса продукта приводят к тому, что гидроксил-ионы, входящие в состав гидроксилсодержащего компонента, не полностью отщепляются и не встраиваются в решетку в достаточной степени.

Уменьшение температуры и времени второй термообработки ниже 1000^oC и 1 ч соответственно влияют на физические свойства продукта, кристаллическая решетка плохо сформирована. Отсюда отрицательное влияние на такие параметры, как прочность и пористость.

Увеличение перечисленных параметров выше заявленных нецелесообразно, так как в заявленных интервалах достигается поставленная цель.

Использование заявляемого изобретения позволит организовать промышленный выпуск материалов для ортопедии, стоматологии, различного рода имплантантов и др. а также решить проблему хирургического восстановления костных образований человеческого тела.

Формула изобретения

1. Способ получения гидроксилапатита кальция, включающий приготовление суспензии гидроокиси кальция с фосфорной кислотой, приливаемой по каплям до контролируемого значения pН с последующим фильтрованием, отличающийся тем, что кислоту приливают до pН 9 11, высушенный продукт реакции гидроокиси кальция и фосфорной кислоты в присутствии гидроксилсодержащего компонента, взятого в количестве 10 12% к массе продукта, подвергают двойной термообработке при 600 700^oС в течение 20 30 мин и при 1000 1400^oС в течение 1 4 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве гидроксилсодержащего компонента используют гидроксиды кальция, стронция, циркония, алюминия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8