Способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием выгорающей добавки
Владельцы патента RU 2574455:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)
Изобретение относится к способу получения порошка наноразмерного гидроксиапатита (нГА) в микроволновом поле с использованием агар-агара в качестве выгорающей добавки. Способ получения наноразмерного гидроксиаппатита в микроволновом поле включает приготовление и перемешивание водных растворов нитрата кальция, гидрофосфата аммония, аммиака для поддержания рН смеси 10-11 и навески агар-агара с последующим воздействием СВЧ-излучения в течение 30 минут, отстаиванием маточного раствора в течение 48 часов, сушкой при температуре 100°С в течение 20 часов и прокаливанием при 400°C в течение 2 часов. При этом выгорающая добавка вводится в реакционную смесь одновременно с раствором нитрата кальция. Изобретение позволяет получить наноразмерный гидроксиаппатит с высокой удельной поверхностью и улучшенной биологической активностью. 5 ил., 2 табл.
Изобретение относится к способу получения порошка наноразмерного гидроксиапатита (нГА) в микроволновом поле с использованием агар-агара в качестве выгорающей добавки. Наноразмерный ГА проявляет уникальные свойства биосовместимости и высокой биологической активности, что обуславливает его применение в различных областях медицины, таких как травматология, стоматология, ортопедия и др. Использование СВЧ-излучения во время синтеза обусловлено его хорошей проникающей способностью, в результате чего происходит нагревание облучаемого образца сразу по всему объему. Получение нГА в микроволновом поле характеризуется малым временем процесса синтеза и быстрым нагревом реакционной смеси. Присутствие выгорающей добавки агар-агара обеспечивает наноразмерность гидроксиапатита, препятствуя агрегации его частиц в момент синтеза.
Известен способ получения кремниймодифицированного гидроксиапатита с использованием СВЧ-излучения (патент РФ 2507151, C01B 25/32, опубл. 20.02.2014 г.). Способ включает приготовление и перемешивание водных растворов нитрата кальция, гидрофосфата аммония, аммиака и раствора тетраэтоксисилана в этаноле с последующим воздействием СВЧ-излучения, отстаиванием, сушкой при температуре 90°C в течение 3 часов и прокаливанием при 800°C в течение 1 часа. При этом осуществляют дополнительную СВЧ-обработку после отстаивания смеси. Причем СВЧ-нагрев осуществляют в течение 25-30 минут, мощностью 120 Вт. Соотношение компонентов следующее, в мас.%: нитрат кальция - 5,5, гидрофосфат аммония - 1,66, тетраэтоксисилан - 0,27, этанол - 0,27, аммиак - в количестве, необходимом для поддержания pH смеси 10-11, вода - остальное. Результатом является уменьшение среднего рассчитанного размера кристаллита и дисперсности, что в свою очередь положительно сказывается на растворимости порошка. Недостатком известного способа является высокая температура прокаливания, что ведет к неизбежному снижению удельной поверхности за счет агрегации частиц и увеличению степени кристалличности, что в свою очередь приводит к неизбежной потере биоактивности продукта синтеза. Завышенная температура прокаливания также создает неоправданно высокие энергетические затраты.
Известен способ получения наноразмерного порошка на основе системы трикальцийфосфат-гидроксиапатит для синтеза керамических материалов (патент РФ 2367633, C04B 35/622, опубл. 20.09.2009 г.). 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 ультрадисперсные 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).
Недостатками известного способа являются применение в ходе синтеза в качестве промывающей жидкости толуола, относящегося к классу токсичных веществ, и высокая температура прокаливания порошков, сильно снижающая биологическую активность ГА.
Известен способ получения наногидроксиапатита при взаимодействии водных растворов Ca(NO3)2 и (NH4)2HPO4. Авторами Abdalla Abdal-hay, Faheem А. Sheikh, Jae Kyoo Lim [Abdalla Abdal-hay, Faheem A. Sheikh, Jae Kyoo Lim. Air jet spinning of hydroxyapatite/poly(lactic acid) hybrid nanocomposite membrane mats for bone tissue engineering // J. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. - 2013 - №102. - P. 635-643] описан способ получения наногидроксиапатита при взаимодействии водных растворов Ca(NO3)2 и (NH4)2HPO4 (1 М и 0,6 М соответственно). Реакционную смесь перемешивали, отстаивали в течение 3 часов, затем нагревали до 90°C в течение 1,5 часов. Поддерживали постоянным pH смеси 10-11 с помощью гидроксида аммония. Полученный осадок выдерживали в течение 24 часов при комнатной температуре при постоянном перемешивании. Далее осадок фильтровали, промывали водой и этиловым спиртом до достижения pH 7, затем сушили в вакууме в течение 24 часов, после чего прокаливали при 650°C в течение 4 часов.
Недостатками известного способа являются высокие временные и трудовые затраты, связанные с многостадийностью и сложностью процесса получения ГА, а также с длительной стадией "активного синтеза" (перемешивание реакционной смеси, ее отстаивание в течение 3 ч с последующим нагреванием в течение 1,5 ч, выдерживание осадка в течение 24 ч при постоянном перемешивании, повторная сушка в течение 24 ч и прокаливание в течение 4 ч).
В качестве прототипа выбран способ, описанный авторами Рассказова Л.А., Коротченко Н.М. [Л.А. Рассказова, Н.М. Коротченко. Синтез наноразмерного гидроксиапатита с выгорающими добавками // Материалы Всероссийской с международным участием научной конференции «Полифункциональные химические материалы и технологии». 21-23 ноября 2013. Томск. С. 186-188]. Описан способ получения нГА с агар-агаром, желатином и глицерином в качестве выгорающих добавок. Порошок нГА получали при взаимодействии водных растворов Ca(NO3)2 и (NH4)2HPO4 с использованием СВЧ-излучения. Установлено, что все образцы соответствуют фазе гидроксиапатита со средним размером кристаллитов, оцененным разными методами, лежащим в интервале от 10 до 90 нм для всех порошков нГА.
Недостатком известного прототипа является использование достаточно больших температур прокаливания, что приводит к неоправданным энергозатратам, при этом увеличивается кристалличность порошков с последующим ухудшением их биоактивности.
Задачей настоящего изобретения является получение наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием выгорающих добавок с целью повышения удельной поверхности и улучшения биологической активности получаемого продукта.
Целью настоящего изобретения является получение наноразмерного биологически активного с высокой удельной поверхностью гидроксиапатита с использованием выгорающих добавок в микроволновом поле.
Поставленная задача решается тем, что способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием агар-агара в качестве выгорающей добавки включает приготовление и перемешивание водных растворов нитрата кальция, гидрофосфата аммония, аммиака и навески агар-агара с последующим воздействием СВЧ-излучения, отстаиванием, сушкой и прокаливанием, но в отличие от прототипа выгорающая добавка вводится в реакционную смесь одновременно с раствором нитрата кальция, после чего реакционная смесь подвергается воздействию СВЧ-нагрева в течение 30 минут, полученный продукт отстаивается в маточном растворе в течение 48 часов, подвергается сушке при температуре 100°C в течение 20 часов и прокаливанию при 400°C в течение 2 часов, что способствует формированию наночастиц гидроксиапатита. Размер частиц находится в интервале от 10 до 50 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нитрат кальция - 3,44;
Гидрофосфат аммония - 1,66;
Агар-агар - 0,42;
Аммиак - в количестве, необходимом для поддержания pH смеси 10-11;
Вода - остальное.
Морфология поверхности порошков ГА и их дисперсность (согласно прототипу и изобретению) определены по микрофотографиям, полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) JEOL-7500FA (увеличение 100000 и 200000). На рис. 1 представлено СЭМ-изображение поверхности порошка синтетического ГА с добавкой агар-агара (согласно прототипу).
Полученное при двухсоттысячном увеличении СЭМ-изображение показывает, что синтезированный порошок ГА состоит из мелких частиц размером менее 100 нм и позволяет рассчитать (методом секущей) дисперсность порошка синтезированного ГА.
На рис. 2 представлена микрофотография поверхности порошка синтетического ГА с добавкой агар-агара 20% (мас.) (согласно изобретению).
Методом секущей по СЭМ-изображениям определена дисперсность порошка синтезированного гидроксиапатита. На рис. 3 приведена гистограмма распределения частиц ГА с добавкой агар-агара (20%) по размерам.
Для ГА с 20% добавкой агар-агара пик локализован в диапазоне 20-40 нм. Приведенные результаты позволяют классифицировать синтезированный с добавкой агар-агара ГА как наноразмерный.
С помощью автоматического газо-адсорбционного анализатора TriStar II (3020) определены параметры пористой структуры и удельной поверхности образца ГА с добавкой агар-агара (согласно изобретению), позволившие оценить диаметр частиц (Таблица 1).
Методом трилонометрического титрования иона кальция с индикатором эриохромом черным Т найдены произведение растворимости ПР и показатель произведения растворимости рПР полученного ГА в 0,1 М растворе NaCl при 20°C (согласно изобретению):
| ПР | рПР |
| 1,03·10-60 | 59,99±0,40 |
Образцы нГА с выгорающей добавкой, имеющие достаточно высокую растворимость (для сравнения ПР синтетического гидроксиапатита Са10(Р04)6(OH)2 ПР=10-117,2), характеризуются высокой биоактивностью: костные клетки быстро усваивают предложенный им в составе имплантата источник кальция и фосфора; как следствие костная ткань хорошо врастает в керамический имплантат.
Для оценки биологической активности порошка наноГА проведены тесты in vitro в течение 28 дней при 37°C. Подложки из наноГА помещались в SBF-раствор (Simulated Body Fluid), имитирующий минеральный состав, pH и концентрацию ионов внеклеточных жидкостей организма человека.
На рис. 4 (согласно заявленному изобретению) приведены кинетические кривые зависимости кумулятивной суммарной концентрации ионов кальция и магния на поверхности подложек (CCa+Mg, моль/л; τ, сут).
Из рис. 4 видно, что на поверхности подложки, изготовленной из наноразмерного гидроксиапатита в течение 28 суток активно формируется минеральный слой, что свидетельствует о биосовместимости нГА. Большой угол наклона кинетической кривой (высокая скорость процесса) на протяжении почти всего времени биомиметических исследований подтверждает биоактивность нГА. Результаты оценки скорости процесса (ΔС/Δτ, моль/(л·сутки)) представлены в таблице 2.
Оценка скорости формирования кальций-фосфатного слоя показывает активный рост его образования в первые 7 суток выдерживания в SBF-растворе, далее скорость незначительно снижается.
Факт роста кальций-фосфатного слоя на поверхности подложки нГА подтвержден также результатами сканирующей электронной микроскопии (рис. 5).
Эти факты позволяют отнести нГА к биологически активным материалам, способным формировать на своей поверхности кальций-фосфатный слой.
В расчете на 1 г наноразмерного гидроксиапатита, навеску 2,360 г сухого кристаллогидрата нитрата кальция Ca(NO3)2·4H2O растворяют в реакционном сосуде (подходящем для микроволнового излучения) в 20 мл дистиллированной воды. К нему добавляют навеску агар-агара 0,200 г. Навеску 0,792 г сухого гидрофосфата аммония растворяют в 20 мл воды, полученный раствор медленно приливают к смеси раствора нитрата кальция с агар-агаром. Концентрированным раствором аммиака NH4OH pH реакционной смеси поддерживается 10-11. Затем реакционная смесь подвергается СВЧ-воздействию в течение 30 минут мощностью 110 Вт. Полученный раствор отстаивается в течение 48 часов с целью формирования фазы гидроксиапатита, после чего отфильтровывается. Выделенная суспензия переносится в фарфоровую чашку и высушивается при температуре 100°C в течение 20 часов. Полученный порошок прокаливается при температуре 400°C в течение 2 часов для полного удаления выгорающей добавки и улучшения свойств, а именно увеличения степени кристалличности, уменьшения растворимости.
Порошок наноразмерного гидроксиапатита используется в качестве основного компонента при создании биологически активной керамики, гранул для заполнения костных дефектов, а также материала для покрытия различного рода имплантатов.
Преимущества заявленного изобретения заключаются в получении наноразмерного гидроксиапатита с улучшенными морфологическими характеристиками и в значительном повышении его биологической активности. Для полученных образцов нГА определены такие структурные параметры, как удельная поверхность и пористость, имеющие важное значение при использовании ГА в качестве материала в стоматологической и хирургической практике.
Введение агар-агара в качестве выгорающей добавки приводит к уменьшению среднего рассчитанного размера кристаллита (табл. 1) и дисперсности (рис. 3), что в свою очередь положительно сказывается на растворимости порошка нГА, биологической активности и его совместимости с живым организмом. Известно, что увеличение удельной поверхности и пористости биокерамики положительно влияет на кинетику образования кости и, следовательно, улучшает биоактивность (комплекс свойств материала, позволяющий создавать прочный непосредственный контакт с живой костью).
Способ получения наноразмерного гидроксиапатита в микроволновом поле с использованием агар-агара в качестве выгорающей добавки, включающий приготовление и перемешивание водных растворов нитрата кальция, гидрофосфата аммония, аммиака для поддержания pH смеси 10-11 и навески агар-агара с последующим воздействием СВЧ-излучения, отстаиванием, сушкой и прокаливанием, отличающийся тем, что выгорающая добавка вводится в реакционную смесь одновременно с раствором нитрата кальция, с воздействием СВЧ-нагрева 30 минут, отстаиванием маточного раствора в течение 48 часов, сушкой при температуре 100°C в течение 20 часов и прокаливанием при 400°C в течение 2 часов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Нитрат кальция | 3,44 |
| Гидрофосфат аммония | 1,66 |
| Агар-агар | 0,42 |
| Аммиак | в количестве, необходимом для поддержания pH смеси 10-11 |
| Вода | остальное |
