Способ получения наноразмерного порошка для биоматериалов
Владельцы патента RU 2440149:
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 площади удельной поверхности осажденные порошки, полученные в результате химического взаимодействия, выдерживают в маточном растворе в течение не менее 14 суток и промывают этанолом. После сушки получают ультродисперсные порошки с площадью удельной поверхности не менее 210 м2/г. По своему составу наноразмерные порошки состоят из гидроксиапатита и карбоната кальция. Высокая удельная поверхность порошков позволяет использовать их для получения биоматериалов с мелкодисперсной или нанокристаллической структурой. 1 табл.
Порошки на основе системы гидроксиапатит (ГА) - карбоната кальция (КК) перспективны для получения керамических материалов, применяемых в медицине в качестве матриксов для восстановления костной ткани. Варьированием концентрации компонентов возможно получение материалов с требуемой биорезорбцией, что важно для быстрого замещения дефектов костной ткани разного размера и лечения пациентов различного возраста. Основными характеристиками, определяющими использование порошковых материалов при получении керамики, являются их фазовый состав и дисперсность. За счет уменьшения размеров порошков системы ГА-КК можно получить материалы с субмикронной структурой, обладающие высокой прочностью, что способствует созданию на их основе надежных костных имплантатов и пористых матриксов для быстрого восстановления костной ткани.
Кальцийфосфатные порошки получали методом химического осаждения солей (S.Raynaud, E.Champion*, D.Bemache-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.
Наиболее близкими по техническому решению являются композиционные кальцийфосфатные порошки (патент №2367633) с атомарным соотношением Ca/P от 1,4 до 1,8 в результате химического осаждения. 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. В результате термообработки при 150-900°С формируются слабо закристаллизованные наноразмерные порошки с площадью удельной поверхности 120-200 м2/г. К недостаткам данного метода относятся: низкая площадь удельной поверхности порошков, что может приводить к формированию крупнокристаллической структуры и, как следствие, снижению прочности спеченных материалов; использование токсичного реактива - толуола; применение термообработки порошков, что повышает стоимость конечного материала. Кроме того, содержание плохорастворимых в порошках фаз - ГА и ТКФ, приводит к снижению резорбции материалов, получаемых на их основе, что приводит к нежелательному повышению времени восстановления костной ткани.
Технический результат предлагаемого изобретения - получение композиционного порошка на основе системы ГА-КК, содержащего 15-25 мас.% КК, обладающего высокой площадью удельной поверхности не менее 210 м2/г.
Технический результат достигается тем, что в способе получения наноразмерного порошка для биоматериалов, получаемого в результате химического осаждения из водных растворов с последующей промывкой в этаноле, фильтрованием и сушкой, согласно изобретению сразу после осаждения порошок подвергают старению в маточном растворе в течение не менее 14 суток и получают порошок состава 75-85 мас.% гидроксиапатита и 15-25 мас.% карбоната кальция, и площадью удельной поверхности не менее 210 м2/г.
Полученный в результате химического осаждения, сначала выдержанный в маточном растворе в течение 14 и более суток, порошок промывали этанолом, затем фильтровали и сушили до удаления жидкой фазы. Сразу после осаждения порошок состоит из слабоагрегированных частиц с низкой степенью закристаллизованности. В процессе старения в маточном растворе происходит кристаллизация аморфного осадка с образованием хорошо закристаллизованного высокодисперсного порошка. Промывка в этаноле препятствует вторичной агрегации во время сушки порошка. В результате получаются нанопорошки с площадью удельной поверхности не менее 210 м2/г.
В случае старения материалов в маточном растворе в течение меньшего времени, чем 14 суток, и использовании материалов, содержащих более 25 мас.% КК, порошки обладают меньшей величиной площади удельной поверхности (менее 200 м2/г). Использование материалов, содержащих менее 15 мас.% КК, приводит к снижению его растворимости и, как следствие, может уменьшать биорезорбцию имплантанта.
Пример 1. Порошок состава 80 мас.% ГА - 20 мас.% КК синтезировали путем смешения водных растворов гидрокарбоната и гидрофосфата аммония и водного раствора, содержащего взвесь гидроксида кальция. Осадок выдерживали в маточном растворе в течение 14 суток. После этого осадок промывали этиловым спиртом, фильтровали и сушили. Полученный порошок характеризовался площадью удельной поверхности 220 м2/г (размер частиц 5-13 нм).
Были изготовлены порошки, имеющие состав в пределах заявленного, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.
| Состав и свойства спеченных керамических композитов | |||||||
| Образец | Соотношение ГА и КК, мас.% | Время старения, сутки | Площадь удельной поверхности, м2/г | Размер частиц, нм | Растворимость на 7 сутки в физиологическом растворе мг/л, Са2+ | Примечание | |
| ГА | КК | ||||||
| 1 | 80 | 20 | 14 | 220 | 5-13 | 10 | |
| 2 | 80 | 20 | 21 | 240 | 5-10 | 10,1 | |
| 3 | 80 | 20 | 7 | 73 | 20-45 | 9,9 | |
| 4 (прототип) | 100 | 0 | - | 180 | 10-40 | Менее 3 | |
| 5 | 90 | 10 | - | 80 | 15-45 | Менее 6 | |
| 6 | 50 | 50 | 21 | 125 | 15-25 | 11 | |
| 7 | 60 | 40 | 30 | 196 | 10-35 | 10 | Непромытый в этаноле |
Способ получения наноразмерного порошка для керамических биоматериалов, применяемых в медицине в качестве матриксов для восстановления костной ткани, получаемого в результате химического осаждения из водных растворов с последующей промывкой в этаноле, фильтрованием и сушкой, отличающийся тем, что сразу после осаждения порошок подвергают старению в маточном растворе в течение не менее 14 суток и получают порошок состава 75-85 мас.% гидроксиапатита и 15-25 мас.% карбоната кальция и с площадью удельной поверхности не менее 210 м2/г.
