Способ получения наноразмерных частиц кальция в водной среде

Изобретение относится к области химии и нанотехнологии, а именно к способу получения наноразмерных частиц кальция в водной среде, включающий помещение в дистиллированную воду, находящуюся в емкости, двух электродов, один из которых выполнен из золота или платины с нейтральным водородным числом, пропускание между электродами стабилизированного постоянного электрического тока силой 2 А, отличающийся тем, что в качестве второго электрода используют золотую или платиновую пластину, электроды между собой разделяют микропористой мембраной, при этом процесс электролитического разложения проводят в присутствии катализатора, роль катализатора выполняет смесь раствора лимонной кислоты C₆H₈O₇ в концентрации 0,25-5 мас.% или 0,25-5 мол. % и рабочего раствора Са(ОН)₂ из расчета концентрации 20-40 мас.% или 20-40 мол. %, при соотношении катализатора к общему объему дистиллированной воды 1:100. Изобретение обеспечивает новый способ получения наночастиц кальция, обладающих нечувствительностью к свету, кинетической и термодинамической устойчивостью, зарядом у каждой частицы, препятствующим слипанию частиц, малой константной нестойкостью. 1 ил.

 

Изобретение относится к области получения наноразмерных частиц кальция, распределенных в водной среде и стабилизированных соединениями (стабилизаторами).

Наноразмерные частицы кальция представляют собой агломераты атомарного кальция размерами 1-100 нм, поверхность которых окружена слоем молекул стабилизаторов, что позволяет достигать времен «жизни» системы вода/стабилизаторы/ наноразмерные частицы кальция не менее 12 месяцев.

Наноразмерные кальцийсодержащие частицы в разных модификациях широко используются в медицинских исследованиях и разработке новых методов лечения/ диагностики. Так, существуют многочисленные публикации по биомедицинским разработкам разных вариантов наноразмерных частиц фосфата кальция. Его используют для создания костнозамещающих материалов, антибактериальных субстратов, осуществления вспомогательных микробиологических и вирусологических методик, лечения опухолей и др. Реже выполняются работы по исследованию применимости для сходных целей феррита кальция (CaFe₂O₄), кальция сульфат-гемигидрата, карбоната кальция (СаСО₃). Большое значение имеют наночастицы из перечисленных солей кальция в стоматологии, для создания новых замещающих дентин и зубные коронки материалов.

Недостатками перечисленных способов получения кальцийсодержащих частиц является то, что в них кальций представлен в составе солей и производный соединений, а не в чистом виде.

Наиболее перспективными областями биомедицинского применения наноразмерных мицеллярных дисперсных систем кальция являются производство твердых костнозамещающих материалов в ортопедии, а так же эмаль- и дентин- замещающих материалов в стоматологии. Так же благодаря стабилизированным водным мицеллярным растворам частиц кальция возможно удешевить получение производных наночастиц кальциевых солей, которые в гораздо большей степени изучены для биомедицинского применения.

Ближайшим аналогом получения кальций-содержащих частиц являются методики, описанные Nakamura М et al. (2016) и представляющие собой физико-химическую копреципитацию с помощью пульсирующего лазерного излучения (библиографическая ссылка: Nakamura М, Oyane A et al. Physicochemical fabrication of antibac-terial calcium phosphate submicrospheres with dispersed silvernanoparticles via coprecipitation and photoreduction under laser irradiation. Acta Biomater. 2016 Dec;46:299-307).

Недостатком методик Nakamura M et al. (2016) является трудоемкость, затратность в плане сырья и расходных материалов, необходимость дорогостоящего оборудования (источник пульсирующего лазерного излучения).

Известен метод получения наночастиц кальция карбоната со вставками метотрексата через поверхностную газовую диффузию по Dai CF et al. (2016) (библиографическая ссылка: Dai CF, Wang WY et al. Methotrexate intercalated calcium carbonate nanostructures: Synthesis, phase transformation and bioassay study. Mater Sci Eng С Mater Biol Appl. 2016 Dec 1;69: 577-83.).

Недостатком методик Dai CF et al. (2016) является трудоемкость, затратность в плане сырья и расходных материалов, необходимость дорогостоящего оборудования поверхностной газовой диффузии.

Получение наноразмерных частиц кальция в жидких средах состоит из 2-х основных операций:

1. Приготовление жидкой среды путем растворения стабилизаторов в органическом или неорганическом растворителе.

2. Выделение в полученную среду кальция в атомарной и/или ионной форме путем химических или электрохимических реакций с образованием наноразмерных частиц кальция.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение и удешевление получения наноразмерных частиц кальция в водной среде с одновременным обеспечением нечувствительности к свету, кинетической устойчивости, термодинамической устойчивости, наличия у каждой частицы заряда, препятствующего слипанию частиц малой константой нестойкости, мицеллярной формы - при уменьшении размеров, количество частиц увеличивается на порядки. При этом поверхность частиц возрастает. Чем больше число частиц и их суммарная поверхность, тем эффективнее действие, отсутствие острой токсичности, прозрачности, отсутствия вкуса и запаха.

Поставленный технический результат достигается тем, что происходит получение наноразмерных частиц кальция в водном растворе, включающее помещение в рабочую жидкую среду, находящуюся в емкости, двух электродов с нейтральным водородным числом, состав рабочей среды - раствор Са(ОН)₂; при этом один из электродов выполнен из золота или платины, а между электродами пропускается стабилизированный электрический ток; в качестве второго электрода используют золотую или платиновую пластину, электроды между собой разделяют микропористой мембраной, при этом процесс электролитического разложения проводят в присутствии катализатора, роль которого выполняет лимонная кислота (C₆H₈O₇).

Для рабочей жидкой среды - водный раствор Са(ОН)₂ - и для добавляемого катализатора, в качестве которого выступает лимонная кислота (C₆H₈O₇), должны быть обеспечены определенные рабочие концентрации раствора. Концентрация рабочей жидкой среды, раствора Са(ОН)₂, может задаваться в диапазоне 20 - 40%, а концентрация катализатора лимонной кислоты (C₆H₈O₇) может задаваться в диапазоне 0,25 - 5%, при этом в обозначенных процентах для рабочего раствора и для катализатора задается массовая доля растворяемого вещества.

Второй вариант: для рабочей жидкой среды - водный раствор Са(ОН)₂ - и для добавляемого катализатора, в качестве которого выступает лимонная кислота (C₆H₈O₇), должны быть обеспечены определенные рабочие концентрации раствора. Концентрация рабочей жидкой среды, раствора Са(ОН)₂, может задаваться в диапазоне 20 - 40%, а концентрация катализатора лимонной кислоты (C₆H₈O₇) может задаваться в диапазоне 0,25 - 5%, при этом в обозначенных процентах для рабочего раствора и для катализатора задается молярная доля растворяемого вещества.

Третий вариант: для рабочей жидкой среды - водный раствор Са(ОН)₂ - и для добавляемого катализатора, в качестве которого выступает лимонная кислота (C₆H₈O₇), должны быть обеспечены определенные рабочие концентрации раствора. Концентрация рабочей жидкой среды, раствора Са(ОН)₂, может задаваться в диапазоне 20 - 40%, а концентрация катализатора лимонной кислоты (C₆H₈O₇) может задаваться в диапазоне 0,25 - 5%, при этом в обозначенных процентах для рабочего раствора и для катализатора задается объемная доля растворяемого вещества.

Предлагаемый способ реализуется устройством, показанным на чертеже. Устройство, реализующее предлагаемый способ получения наноразмерных частиц кальция в водном растворе, состоит рабочей емкости 1, разделенной на 2 камеры: камеру 2 и камеру 3, разделенных между собой микропористой мембраной 4, соотношение камеры 2 к камере 3 составляет 10:1 по объему. Устройство снабжено общей крышкой 5, на которой расположены (жестко фиксированы либо раздвигаются по специальному пазу с метками-фиксаторами - фиксаторы и метки на чертеже не показаны) два электрода 6 и 7, выполненные из золота или платины. Масса электродов по отношению к объему рабочей емкости 1 составляет 1:50 (на 1000 мл общего объема, общий вес электродов 20 г), соотношение электродов между собой 1:4, электрод с большим весом 7 монтируется на крышке над камерой 2, электрод с меньшим весом 6 над камерой 3. К электроду 7 присоединяется диод 8, например, Д 240, на оба электрода подается напряжение 220 В. Для выпрямления переменного тока вместо диода 8, может быть использован диодный мостик - диодный мостик на чертеже не показан. Позицией 9 обозначен рабочий раствор.

В камеру 2 добавляется катализатор - лимонная кислота C₆H₈O₇ из расчета концентрации 0,25 - 5% и Са(ОН)₂ из расчета концентрации 20 - 40% (концентрация может быть применена из диапазона данных значений, которые приводятся либо в массовых, либо в молярных, либо в объемных долях). В камеру 3 - простая дистиллированная вода. Расстояние между пластинами устанавливается посредством их раздвижения по пазу скольжения и фиксации на метках-фиксаторах (паз и метки-фиксаторы на чертеже не показаны) в процессе работы по показаниям силы тока: при температуре рабочего раствора в камере 2 30°С сила тока должна составлять 2 А, при повышении силы тока расстояние между электродами увеличивается пользователем.

Простота получения наноразмерных частиц кальция в водной среде с одновременным обеспечением нечувствительности к свету, кинетической устойчивости, термодинамической устойчивости, наличия у каждой частицы заряда, препятствующего слипанию частиц малой константой нестойкости, мицеллярной формы - при уменьшении размеров, количество частиц увеличивается на порядки, При этом поверхность частиц возрастает, чем больше число частиц и их суммарная поверхность, тем эффективнее действие. Дешевизна, безопасность, органолептические преимущества получаемой жидкой дисперсной системы (прозрачность, отсутствие вкуса и запаха), высокая мембранная проницаемость являются достоинством и преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом.

Способ получения наноразмерных частиц кальция в водной среде, включающий помещение в дистиллированную воду, находящуюся в емкости, двух электродов, один из которых выполнен из золота или платины с нейтральным водородным числом, пропускание между электродами стабилизированного постоянного электрического тока силой 2 А, отличающийся тем, что в качестве второго электрода используют золотую или платиновую пластину, электроды между собой разделяют микропористой мембраной, при этом процесс электролитического разложения проводят в присутствии катализатора, роль катализатора выполняет смесь раствора лимонной кислоты C₆H₈O₇ в концентрации 0,25-5 мас.% или 0,25-5 мол. % и рабочего раствора Са(ОН)₂ из расчета концентрации 20-40 мас.% или 20-40 мол. %, при соотношении катализатора к общему объему дистиллированной воды 1:100.