Способ получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия
Владельцы патента RU 2372891:
Государственное учебно-научное учреждение Химический факультет Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова (RU)
Изобретение относится к медицине. Описан способ получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия, включающий синтез порошка взаимодействием водных растворов соли кальция и гидрофосфата натрия, формование, обжиг. Согласно изобретению в качестве соли кальция используют ацетат, а мольное соотношение Са/Р для исходных растворов лежит в интервале 0,8-1,3. Способ является простым и не требует дорогостоящего оборудования. 1 табл.
Изобретение относится к области медицины, может быть использовано в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, а также в качестве носителей лекарственных средств.
В качестве биодеградируемых материалов используют фосфаты кальция с соотношением Са/Р менее 1,67. Такими фосфатами могут являться аморфный фосфат кальция (АФК), трикальцийфосфат (ТКФ), пирофосфат(ПФК), брушит [1]. В медицинской практике используют материалы на основе гидроксиапатита (ГАП), содержащего в качестве биодеградируемой фазы одну из таких фаз или их сочетание [2]. В качестве биодеградируемой фазы или деградируемого материала могут быть использованы стекла в системе СаО-Р2O5, Na2O-P2O5-CaO, K2O-P2O5-CaO, Na2O-P2O5-CaO-SiO2, K2O-P2O5-CaO-SiO2 и другие [3].
Известен способ получения биодеградируемого материала, содержащего фосфаты кальция и натрия, в том числе ренанита NaCaPO4, как одной из фаз при кристаллизации стекла в системе SiO2-Al2O3-Na2O-K2O-P2O5-F [4] или в SiO2-CaO-Na2O-P2O5-F-K2O [5]. Недостатком первого способа является присутствие оксида алюминия, осложняющее полную деградацию материала, недостатком второго способа является необходимость получения расплава при высокой (до 1650°С) температуре.
Известен способ обработки фосфатных руд с помощью карбоната натрия или хлорида калия при температурах 300-900°С, когда образование сложного фосфата кальция натрия (ренанита) происходит только при взаимодействии фосфатного камня с карбонатом натрия [6], или при обработке фосфатного камня алюмосиликатом или карбонатом натрия при 900°С [7]. Такой способ не подходит для синтеза ренанита медицинского назначения.
Известен способ получения слоистого композиционного материала, содержащего ГАП и стекло в системе Na2O-P2O5-CaO-SiO2, в котором количество сложного фосфата кальция натрия невелико и составляет не более 5% [8]. Недостатком этого способа является необходимость применения для консолидации материала метода горячего прессования, требующего сложного оборудования.
Известен способ [9] получения композиционного материала на основе сложного фосфата кальция натрия - ренанита NaCaPO4 и желатина. Размер частиц ренанита, распределенного в органической матрице, чрезвычайно велик (500-700 мкм), что нежелательно для биорезорбируемых материалов. Кроме того, синтез ренанита в этом способе включает твердофазный синтез при 1300°С в течение 16 часов. Применение высокой температуры и длительность синтеза делают такой способ экономически невыгодным.
Известен способ получения композиционного материала, содержащего различные фосфаты кальция, кварц и кристобалит, в котором в качестве временного технологического связующего используют агрессивный раствор NaOH [10].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [11], в котором керамический биодеградируемый материал на основе фосфатов кальция и натрия получают из порошка, синтезированного в результате взаимодействия водных растворов соли кальция (Са(NО3)2) гидрофосфата натрия. Полученный порошок прессуют, а затем обжигают. Недостатками этого способа являются необходимость регулирования рН дополнительным введением NaOH; использование дополнительного компонента при синтезе NaHCO3 - источника карбонат ионов и натрия; применение процедуры промывания осадка; применение лиофильной сушки в вакууме при -80°С, что требует дорогостоящего оборудования. Кроме того, полученный материал содержит устойчивую к биодеградации фазу - ГАП до 60%, что существенно снижает предел биодеградируемости материала.
Была поставлена задача разработки способа, который не содержал бы этих недостатков. Задача была решена настоящим изобретением.
В способе получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия, включающем синтез порошка взаимодействием водных растворов соли кальция и гидрофосфата натрия, формование, обжиг, согласно изобретению в качестве соли кальция используют ацетат, при этом мольное соотношение Са/Р для исходных растворов лежит в интервале 0,8-1,3, при этом синтез исходного порошка проводят из водных растворов ацетата кальция и гидрофосфата натрия при температуре 40-60°С. Концентрации исходных растворов как ацетата кальция, так и гидрофосфата натрия лежат в интервале 0,3-1,0. Соотношение Са/Р лежит в интервале 0,8-1,3. После фильтрования осадка и сушки порошок представляет собой смесь ацетата натрия и карбонатгидроксиапатита (КГАП). Образование двухфазного керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция натрия, а именно ТКФ и ренанита, происходит при обжиге сформованных прессованием образцов в интервале температур 900-1200°С в течение 2-6 часов.
Синтез порошка происходит в соответствии с формальной реакцией (1):
Синтез при температуре ниже 40°С приводит к формированию трудно фильтруемого осадка. Нагревание выше 60°С приводит к существенному понижению концентрации ацетат ионов, что неблагоприятно сказывается на уровне рН в реакционной смеси. Na2HPO4, взятый в избытке относительно соотношения Са/Р=1,67, необходимого для синтеза стехиометрического гидроксиапатита, обеспечивает в реакционной смеси формирование буферного раствора, поддерживающего рН на протяжении всего синтеза. В заявленных пределах для соотношения Са/Р 0,8-1,3 рН находится на уровне 8 и гарантирует протекание синтеза с необходимым соотношением гидроксиапатита и сопутствующих солей. При соотношении Са/Р менее 0,8 или более 1,3 возможно изменение состава буферного раствора и отклонение от необходимого уровня рН. Близость ионных радиусов Са2+ и Na+ создает условия для формирования Na-замещенного гидроксиапатита (Na-ГАП). Такое замещение требует компенсации зарядов ионной решетки, которая реализуется замещением части групп (РO4)3-. И тогда такая реакция будет записана следующим образом (реакция 2);
Таким образом после синтеза, фильтрования и сушки порошок будет состоять из Na-замещенного карбонатгидроксиапатита (Na-КГАП) и адсорбированных сопутствующих продуктов реакции, состоящих из ацетата натрия и гидрофосфата натрия.
Формирование микроструктуры и фазового состава биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция натрия происходит в процессе обжига. При этом из Na-КГАП и сопутствующего продукта образуются биорезорбируемые фазы ТКФ и ренанита (фосфата кальция натрия) (реакции 3-7). Возможно формирование некоторого количества стеклофазы из карбоната натрия и гидрофосфата натрия в системе Na2O-P2O5, которая, взаимодействуя с фосфатами кальция, может обогащаться СаО, преобразуясь в систему Na2O-P2O5-CaO. Указанный расплав интенсифицирует происходящие процессы спекания и фазообразования, а впоследствии кристаллизуется с образованием фаз ренанита и ТКФ.
Обжиг материала при температуре ниже 900°C с выдержкой при этой температуре менее 2 часов не обеспечивает получения полностью спеченного материала. Обжиг при температуре выше 1200°C с выдержкой при этой температуре более 6 часов ведет к деградации микроструктуры биодеградируемого керамического материала, связанного с аномальным ростом зерен.
Пример 1
1 л 0,5М раствора ацетата кальция 10Са(СН3СОО)2 приливают к 1 л 0,5М раствора Na2HPO4. Дополнительный регулятор рН среды не используется, так как присутствие в растворе ацетат-ионов и гидрофосфат-ионов при заданном соотношении исходных компонентов обеспечивает формирование буферной смеси.
Порошок исходной шихты после фильтрования и сушки содержит 10% сопутствующего продукта и 90% Na-КГАП Са10-х/2Nax/2(PO4)6-х(СО3)х(ОН)2. Из полученного порошка формуют образцы в виде балочек или дисков. При нагревании в течение 4 часов при 1050°С происходит образование керамического биодеградируемого материала, фазовый состав которого представлен ТКФ и ренанитом.
Аналогично были изготовлены образцы керамического биодеградируемого материала на основе ренанита при заявленных условиях (Таблица). Из таблицы следует, что при указанных условиях синтеза исходной шихты и указанных условиях термообработки формируется материал, фазовый состав которого представлен ТКФ и ренанитом. Такой материал является биодеградируемым керамическим материалом, выделяющим при взаимодействии со средой организма Na+, Ca2+, PO4 3-, из которых два последних иона являются источником компонентов для формирования ГАП in vivo.
| Таблица | ||||||
| Состав исходной шихты | Обжиг | Фазовый состав | ||||
| Са/Р, моль | Na-КГАП, % | (NaCH3COO+Na2HPO4), % | Т, °С | t, час | ||
| 1 | 0,8 | 92 | 8 | 900 | 2 | ТКФ, ренанит |
| 2 | 1,0 | 90 | 10 | 1050 | 4 | ТКФ, ренанит |
| 3 | 1,3 | 87 | 12 | 1200 | 6 | ТКФ, ренанит |
Таким образом, экспериментальные данные показывают, что применение заявленного способа позволяет получать керамический биодеградируемый материал на основе фосфатов кальция натрия, содержащего после обжига фазы ТКФ и ренанита.
Способ получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия, включающий синтез порошка взаимодействием водных растворов соли кальция и гидрофосфата натрия, формование и обжиг, отличающийся тем, что в качестве соли кальция используют ацетат кальция, при этом мольное соотношение Са/Р для исходных растворов лежит в интервале 0,8-1,3, после сушки порошок представляет собой смесь ацетата натрия и карбонатгидроксиапатита (КГАП), которые после обжига при нагревании 900-1200°С в течение 2-6 ч образуют материал, фазовый состав которого представлен трикальцийфосфатом (ТКФ) и ренанитом (NaCaPO4).
