Способ получения наноразмерного порошка на основе системы трикальцийфосфат-гидроксиапатит для синтеза керамических биоматериалов
Владельцы патента RU 2367633:
Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (RU)
Изобретение относится к медицине, в частности к кальцийфосфатным керамическим материалам, предназначенным для изготовления костных имплантатов и/или замещения дефектов при различных костных патологиях. Для снижения степени агрегированности и повышения удельной поверхности влажные порошки, полученные в результате химического взаимодействия, промывают органическими жидкостями с целью удаления избытка воды. После сушки и термообработки получают ультродисперсные кальцийфосфатные порошки с площадью удельной поверхности более 90 м2/г. Состав наноразмерных порошков по своему химическому составу близок к естественной костной ткани (соответствует системе гидроксиапатит-трикальцийфосфат). Высокая удельная поверхность порошков позволяет использовать их для получения биоматериалов с мелкодисперсной или нанокристаллической структурой.1 з.п. ф-лы
Кальцийфосфатные порошки, содержащие фазы трикальцийфосфата (ТКФ) и гидроксиапатита (ГА) используются для получения керамических материалов, применяемых в медицине в качестве прочных костных имплантатов и/или пористых матриксов для восстановления костной ткани. Основными характеристиками, определяющими использование кальцийфосфатных порошков, являются их фазовый состав и дисперсность. Уменьшение размеров кальцийфосфатных порошков позволяет получать материалы с более высокой прочностью и более высокой резорбируемостью, что способствует созданию на их основе надежных костных имплантатов и пористых матриксов для быстрого восстановления костной ткани.
Порошки системы ТКФ-ГА получали в результате смешения исходных порошков гидроксида кальция и ТКФ в полиэтиленовых барабанах корундовыми шарами в дистиллированной воде (R.RAMACHANDRA RAO, H.N.ROOPA, T.S.KANNAN Solid state synthesis and thermal stability of HAPand HAP - b-TCP composite ceramic powders // J. OF MATERIALS SCIENCE: MATERIALS IN MEDICINE 8 (1997) 511-518). Затем порошковые смеси сушили и обжигали. В результате порошки получали со средним размером более 4 мкм, что не позволяет получать керамические материалы с высокими механическими свойствами. Кроме того, механическое перемешивание не позволяет получать порошковые смеси с высокой степенью гомогенности, что может приводить как к снижению механических характеристик синтезируемых на их основе керамических материалов, так и биологических - образование в результате термообработки токсичного оксида кальция.
Наиболее близкими по техническому решению являются порошки системы ТКФ-ГА, полученные методом химического осаждения солей (S.Raynaud, E.Champion*, D.Bernache-Assollant, P.Thomas, Calcium phosphate apatites with variable Ca/P atomic ratio I. Synthesis, characterisation and thermal stability of powders // Biomaterials 23 (2002) 1065-1072) из водных растворов в результате добавления водного раствора диаммония фосфата к водному раствору нитрата кальция. Полученный влажный порошок затем фильтровали, сушили и прокаливали. В зависимости от условий осаждения, температуры прокаливания получали различные по фазовому составу агрегированные порошки с разной удельной поверхностью от 47 до 88 г/м2. Недостатком данных порошков являются невысокая удельная поверхность порошков и образование в процессе сушки и высокотемпературного обжига (выше 1000°С) прочных агрегатов. Использование таких порошков препятствует формированию нанокристаллических керамических материалов с равномерной микроструктурой и высокой прочностью.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение удельной поверхности порошков с атомарным соотношением Ca/P от 1,4 до 1,8, составы которых соответствуют системе ТКФ-ГА. Для достижения технического результата предлагается порошок, полученный в результате химического осаждения, промывать последовательно сначала водой, этанолом и затем толуолом. После фильтрования, сушки, порошок прокаливают. Для получения порошков с различным соотношением по фазовому составу в системе ТКФ-ГА, операцию осаждения ведут при разных значениях pH. Для снижения степени агрегированности и повышения удельной поверхности влажные порошки, полученные в результате химического взаимодействия, промывают водой для удаления растворимых примесей, затем этанолом для вытеснения воды из порошка и толуолом для последующего замещения этанола. При постепенном замещении содержащейся в порошке воды на этанол, этанола на толуол получают влажную суспензию из осажденного порошка и толуола. В отличие от предыдущих промывающих жидкостей толуол имеет более низкое значение поверхностного натяжения, что позволяет получать более дисперсные порошки вследствие снижения поверхностных сил, стягивающих порошки в агрегаты при их сушке. Окончательное удаление жидкости осуществляется при сушке на воздухе при 100-150°С. Формирование фазового состава осуществляется при термообработке порошков на 150-900°С, когда порошки характеризуются атомарным соотношением Ca/P от 1,48 до 1,69 и при термообработке на 900-1000°С, когда порошки характеризуются соотношением фаз ГА и ТКФ. В результате термообработки при 150-900°С формируются менее закристаллизованные наноразмерные порошки с площадью удельной поверхности 120-200 г/м2 и размером частиц 10-60 нм, при дальнейшем подъеме температуры формируются бифазные порошки с меньшим значением площади удельной поверхности - до 120 м2/г.
Пример 1. 200 мл 1М раствора нитрата кальция помещают в стакан из термостойкого стекла и добавляют 150 мл аммиака. После 5-минутного перемешивания лопастной мешалкой добавляют 200 мл 0,6М раствора гидрофосфата аммония. При смешении поддерживают pH раствора около 11. После старения в течение суток раствор отфильтровывают на воронке Бюхнера. Полученный осадок последовательно промывают этанолом и толуолом. Далее полученную суспензию переносят в фарфоровую чашку и высушивают в сушильном шкафу при 100-150°С в течение нескольких часов до удаления жидкости. Затем порошок прокаливают в муфельной печи при 600°С. Полученный порошок характеризовался площадью удельной поверхности 170 м2/г, размером частиц 10-60 нм, соотношением Ca/P=1,66-1,69.
Пример 2. Отличие от примера 1 состоит в том, что порошок термообрабатывали при 950°С. Порошок характеризовался площадью удельной поверхности 100 м2/г, размером частиц 20-40 нм. Фазовый состав соответствовал чистому ГА, без примесей.
Пример 3. Отличается от примера 1 тем, что количество нитрата кальция составляло 196 мл, аммиака 50 мл, pH поддерживали равным 9-9,5.
Полученный порошок термообрабатывают в муфельной печи при 400°С.
Полученный порошок характеризовался площадью удельной поверхности 180 м2/г, размером частиц 10-40 нм, соотношением Ca/P=1,62-1,64.
Пример 4
Отличие от примера 3 состоит в том, что полученный порошок термообрабатывают при температуре 920°С.
Порошок характеризовался площадью удельной поверхности 110 м2/г, размером частиц 20-50 нм, соотношением фаз ГА/ТКФ=75-85%/25-15%.
В случае изменения последовательности промывки порошков жидкостями или отсутствием при промывании любой из них (спирт, толуол) площадь удельной поверхности синтезированных порошков снижается до величин меньше заявочных. При термообработке порошков выше 1000°С площадь удельной поверхности получаемых порошков меньше 90 м2/г, размер частиц более 100 нм.
1. Способ получения наноразмерного порошка для синтеза керамических биоматериалов, отличающийся тем, что подвергают химическому взаимодействию нитрат кальция и гидрофосфат аммония в растворе с добавлением аммиака, осаждают влажный порошок, промывают последовательно водой, этанолом и толуолом и прокаливают при 150-900°С и получают порошок на основе трикальцийфосфат-гидроксиапатита, характеризующийся атомарным соотношением Ca/P от 1,48 до 1,69 и площадью удельной поверхности не менее 120-200 м2/г.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно прокаливают порошок при 900-1000°С и получают порошок, имеющий площадь удельной поверхности не менее 90-120 м2/г и соотношение фаз, мас.%:
трикальцийфосфат до 100
гидроксиапатит до 100
