Гидротермальный способ получения биорезорбируемого керамического материала
Владельцы патента RU 2678812:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)
Изобретение относится к гидротермальному способу получения биорезорбируемого материала на основе гидроксиапатита (ГА) с использованием микроволнового излучения (СВЧ). Способ включает приготовление и перемешивание смеси гидроксида кальция, концентрированного 60-80 %-ного раствора ортофосфорной кислоты и воды, при соблюдении необходимого значения pH среды в процессе, с последующим воздействием в течение 20 мин СВЧ-излучения и прокаливанием продукта синтеза. При этом СВЧ-воздействие на исходные компоненты проводят с мощностью 1305 Вт в гидротермальной установке при температуре 100°C и давлении 5 атм и прокаливание продукта синтеза при 800°C в течение 4 ч. Технический результат заключается в разработке способа получения биорезорбируемого керамического двухфазного материала, используемого для медицинского назначения, в том числе для замещения костных тканей. 2 ил., 1 пр.
Изобретение относится к гидротермальному способу получения биорезорбируемого материала на основе гидроксиапатита (ГА) с использованием микроволнового (СВЧ) излучения. Биорезорбируемый керамический материал может использоваться в медицине, а именно для укрепления зубной эмали, в качестве наполнителя зубного каркаса, как биосовместимый слой на имплантатах и как основной компонент композиционного материала. Применение микроволнового излучения в ходе синтеза ГА значительно упрощает и сокращает время и затраты для его получения. В ходе гидротермального микроволнового жидкофазного синтеза при небольшом содержании воды получается смесь фосфатов кальция: преимущественно гидроксиапатита и трикальцийфосфата (ТКФ). Низкая растворимость керамического материала на основе ГА, используемого в медицинских целях, является главным недостатком, поэтому смесь ГА с ТКФ, полученная гидротермальным способом обладает повышенной растворимостью в жидкостях организма относительно чистого гидроксиапатита.
Известен способ получения гидроксиапатита (заявка РФ № 93012609, МПК С01B25/22, опубл. 20.03.1996). Способ относится к технологии получения неорганических материалов, в частности гидроксиапатита, используемого в медицине, а также в качестве наполнителя или сорбента в газожидкостной хроматографии. Предлагаемый способ включает смешение суспензии гидроксида кальция с водным раствором фосфорной кислоты при последовательном прохождении реакционной смеси через две зоны, при этом в первой зоне поддерживается pH, равный 10,0-11,0, и скорость движения потока 0,8-1,5 м/с, а во второй зоне суспензию разбавляют в 400-500 раз и возвращают в первую зону, обеспечивая 4-5-кратную циркуляцию реакционной смеси в замкнутом цикле за 10-20 мин. Продукт отделяют фильтрованием и высушивают. Способ обеспечивает повышение выхода гидроксиапатита при улучшении его качества и повышении чистоты фазового состава.
Недостатками указанного способа являются то, что синтез осуществляется путем последовательного, а затем повторного (4-5-кратного) прохождения реакционной смеси через две зоны циркуляционной установки, технологическая сложность способа, обусловленная наличием многих контролируемых параметров процесса, что значительно увеличивает время проведения синтеза и способ не содержит стадию прокаливания продукта.
Известен способ получения гидроксиапатита (заявка РФ № 92007479, МПК С01B25/32, опубл. 20.01.1996). Способ используется в химической промышленности при производстве гидроксилапатита кальция как исходного материала для изготовления биоактивной керамики, применяемой в стоматологии, протезировании, ортопедии. Для достижения чистого фазового состава готовят суспензию 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 массы продукта подвергается двойной переработке при 600-700 °С в течение 20-30 мин и при 1000-1400 °С в течение 1-4 ч. В качестве гидроксилсодержащего компонента используются гидроксиды кальция, стронция, циркония, алюминия и др.
Недостатком указанного способа является то, что гидроксилсодержащий компонент (гидроксиды кальция, стронция, циркония, алюминия и др.) в количестве 10-12 мас.% от массы продукта добавляется на стадии сушки продукта, фазовый состав которого не указывается, и то, что для обработки целевого продукта необходима высокая температура и длительность процесса, обуславливающие нежелательные энергетические затраты.
Известен способ, который относится к области получения биологически активных фармацевтических и медицинских материалов, являющихся компонентами лекарственных средств, и может быть использовано в стоматологии и хирургии (патент РФ № 2406693, МПК С01B25/32, опубл. 20.12.2010). Способ получения суспензии гидроксиапатита осуществляют путем смешивания 0,04 N водного раствора гидроксида кальция и 0,2 N раствора фосфорной кислоты при их объемном соотношении, равном (3,75÷4):1, при комнатной температуре, причем перемешивание осуществляют в течение 15 минут. Технологически простой способ обеспечивает выход готового продукта с высокой степенью дисперсности и чистоты.
Недостатком указанного способа является то, что суспензия гидроксиапатита получается при комнатной температуре перемешиванием водных растворов гидроксида кальция и фосфорной кислоты в течение 15 минут без контроля рН в реакционной смеси и фазового состава целевого продукта.
В качестве прототипа выбран способ, описанный авторами Коротченко Н.М., Рассказова Л.А., Осмольская Е.О. (патент РФ № 2596739, МПК C01B25/32, опубл. 10.09.2016). Этот способ получения биорезорбируемого материала с использованием СВЧ-излучения включает в себя следующие стадии: приготовление и перемешивание смеси гидроксида кальция и концентрированного 60-80 %-ного раствора фосфорной кислоты, с последующим воздействием СВЧ-излучения в течение 20 мин при периодическом перемешивании реакционной смеси и прокаливанием при 600 °С в течение 3 ч, отличающийся тем, что дополнительному СВЧ-воздействию подвергают смесь реагентов с оптимально подобранным количеством воды, которое поддерживает необходимое pH среды при синтезе, а также тем, что СВЧ-нагрев осуществляют в течение 20 мин мощностью 450-700 Вт при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Гидроксид кальция | 25,69-30,31 |
| Фосфорная кислота | 20,41-25,59 |
| Вода | Остальное |
Недостатком известного cпособа является то, что все образцы кроме фазы гидроксиапатита Ca5(PO4)3OH содержат примесные фазы кислого пирофосфата кальция CaH2P2O7 и гидрофосфата кальция CaHPO4, и СВЧ-нагрев осуществляется в результате микроволнового воздействия мощностью 450-700 Вт.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения биорезорбируемого керамического двухфазного материала с размерами частиц и соотношениями ГА/β-ТКФ, полностью удовлетворяющими требованиям ГОСТа, предъявляемым к фосфатам кальция, используемых для медицинского назначения, в том числе для замещения костных тканей.
Поставленная задача решается тем, что гидротермальный способ получения биорезорбируемого керамического материала, включает приготовление и перемешивание смеси гидроксида кальция, концентрированного 60-80 %-ного раствора ортофосфорной кислоты и воды, при соблюдении необходимого значения pH среды в процессе, с последующим воздействием в течение 20 мин СВЧ-излучения и прокаливанием продукта синтеза. В отличие от прототипа в заявляемом способе СВЧ-воздействие на исходные компоненты проводят с мощностью 1305 Вт в гидротермальной установке при температуре 100 °С и давлении 5 атм, и прокаливание продукта синтеза при 800 °С в течение 4 ч. при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Гидроксид кальция | 22,18 |
| Ортофосфорная кислота | 17,62 |
| Вода | Остальное |
Ниже приведены примеры конкретного осуществления изобретения.
Пример осуществления изобретения:
В расчете на 5 г биорезорбируемого материала на основе ГА и ТКФ. В реакционный сосуд (автоклав) вносится навеска 3,685 г сухого гидроксида кальция марки х.ч., затем по каплям добавляют 2,64 мл 72 %-ого раствора ортофосфорной кислоты (плотность 1,542 г/см3), 10 мл дистиллированной воды и раствор гидроксида аммония для создания рН 10-11. Автоклав со смесью помещается в гидротермальную установку, в которой с помощью программы устанавливаются температура 100 °С, давление 5 атм, смесь подвергается в течение 20 минут СВЧ-воздействию мощностью 1305 Вт. После чего полученная смесь просушивается в сушильном шкафу при температуре 90 °С в течение 15 часов, затем прокаливается в течение 4 часов в муфельной печи при температуре 800 °С.
Качественный и количественный фазовый состав синтезированного образца определяли с помощью метода рентгенофазового анализа (РФА).
На фиг. 1 «Дифрактограмма полученного образца» представлены результаты РФА, которые подтверждают, что исследуемый образец имеет высокую степень кристалличности и состоит из двух фаз: ГА и ТКФ, со значительным преобладанием первого.
Размеры агрегированных частиц определяли по микрофотографиям, полученным методом сканирующей электронной микроскопии на растровом электронном микроскопе HITACHI TM-3000 при ускоряющем напряжении 15 кВ, в условиях режима снятия зарядки с образца (электронная пушка 5∙10ˉ2 Па; камера для образца 30–50 Па).
На фиг. 2 «Микрофотография поверхности полученного образца» показано, что частицы имеют размеры от 1,9 до 2,68 мкм.
Для оценки биорезорбируемости навеску синтезированного образца поместили в физиологический раствор (водный раствор хлорида натрия с массовой долей 0,9 %) и оставили на неделю для установления гетерогенного равновесия, после чего методом комплексонометрического титрования в присутствии аммиачного буфера и индикатора эриохрома черного Т устанавливали равновесную концентрацию ионов кальция в насыщенном растворе при 25 °С. Результаты показали, что растворимость образца составляет (4,2 ± 0,3) × 10ˉ3 моль/л, в то время как растворимость чистого ГА (1,6 ± 0,1) × 10ˉ3 моль/л.
Гидротермальный способ получения биорезорбируемого керамического материала, включающий приготовление и перемешивание смеси гидроксида кальция, концентрированного 60-80 %-ного раствора ортофосфорной кислоты и воды, при соблюдении необходимого значения pH среды в процессе, с последующим воздействием в течение 20 мин СВЧ-излучения и прокаливанием продукта синтеза, отличающийся тем, что СВЧ-воздействие на исходные компоненты проводят с мощностью 1305 Вт в гидротермальной установке при температуре 100°C и давлении 5 атм и прокаливание продукта синтеза при 800°C в течение 4 ч при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| гидроксид кальция | 22,18 |
| ортофосфорная кислота | 17,62 |
| вода | остальное. |
