Способ получения люминесцентного ортофосфата кальция, активированного церием

Изобретение относится к химической и медицинской отраслям промышленности и может быть использовано в качестве исходного компонента для изготовления биосовместимого материала для внутрикостной имплантации, для изготовления композиции для реставрации или лечения кариозных поражений зубов в стоматологии. Предложен способ получения люминесцентного ортофосфата кальция, активированного церием, при осаждении из водных растворов нитрата кальция и гидрофосфата аммония, взятых в мольном соотношении катионов к фосфат-анионам 1,50±0,5, при уровне рН среды 7,0±0,2, с последующим отделением осадка, промыванием, сушкой, протиранием, отличающийся тем, что перед смешением водных растворов к раствору нитрата кальция добавляют раствор нитрата церия (3+) при следующем соотношении реагентов, мол.%: нитрат кальция - 59,5-59,9; двузамещенный фосфат аммония - 40,0; нитрат церия (3+) - 0,1-0,5. При этом соблюдают мольное соотношение (Са+Се)/Р=1,50±0,5, после синтеза получают низкозакристаллизованные порошки со структурой трикальцийфосфата орторомбической модификации, средним размером частиц 90-130 нм, содержанием церия 0,1-0,5 мол.%, характеризующиеся люминесцентной способностью при возбуждении ультрафиолетовым светом. Технический результат – предложенный способ позволяет получить порошок ортофосфата кальция со способностью к люминесцентному свечению в диапазоне от 360 до 500 нм при облучении источником света с длиной волны 270-320 нм. 1 ил., 1 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к химической и медицинской отраслям промышленности и может быть использовано в качестве исходного компонента для изготовления биосовместимого керамического или композиционного пористого или плотного материала имплантата для использования в реконструктивно-пластических операциях челюстно-лицевой хирургии, ортопедии, травматологии, онкологии; для нанесения биоактивных покрытий на металлические имплантаты; в качестве компонента композиций, предназначенных для реставрации или неинвазивного лечения кариозных поражений зубов в стоматологии.

Материалы обладают биологической совместимостью и биологической активностью. Основными требованиями, предъявляемыми к порошкам как исходным компонентам материалов для хирургии и стоматологии, является фазовая чистота, высокая дисперсность и узкий фракционный состав. Достижение указанных характеристик позволяет изготовить более прочное, целостное изделие для имплантации; достичь способности к удовлетворительной скорости биодеградации материала в условиях организма с целью согласованности процессов восстановления костной ткани или удовлетворительного реминерализирующего эффекта в околозубной среде. Заявленное изобретение отличается наличием ионов церия в структуре ортофосфата кальция, что придает материалу способность к люминесценции и позволит осуществить неинвазивную визуализацию процессов регенерации костной ткани или процессов реминерализации зубной эмали.

Известен способ получения аморфного трикальцийфосфата, прекурсора ортофосфата кальция [RU 2691051], заключающийся в осаждении средних фосфатов кальция, образующихся при сливании и постоянном перемешивании водного раствора хлористого кальция и диаммонийфосфата в избытке аммиака с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой осадка; в результате получают ортофосфат кальция в аморфной форме, не оказывающего раздражающего воздействия на кожу, не содержащего примесей. Недостатком способа является отсутствие люминесцентной способности получаемого вещества.

Известен способ получения люминофора на основе гидроортофосфата кальция (CaHPO₄) [RU 219726] путем взаимодействия при тщательном перемешивании водных растворов хлористого кальция и фосфата аммония, отмывки образовавшейся суспензии от маточного раствора, его обезвоживания при нагреве и использования продукта в приготовлении шихты люминофора для люминесцентных ламп. Недостатком известного способа является активация гидроортофосфата кальция сурьмой и марганцем в составе шихты при спекании, присутствие иных соединений, ограничивающих применение люминофора в медицине.

Известны материалы, содержащие ионы церия и проявляющие люминесцентные свойства [SU 2510946, RU 2549406, RU 2405804]. В известных изобретениях в качестве люминесцирующего материала выступают соединения со структурой граната, содержащие ионы церия. Такие материалы используются в светотехнике, однако недостатком является отсутствие биосовместимости, что делает невозможным их применение в качестве биоматериалов.

Наиболее близким по технологическому решению к заявленному способу является способ получения катионзамещенного ортофосфата кальция путем введения ряда катионов в структуру ортофосфата кальция в виде нитратов или ацетатов, или хлоридов на стадии осаждения средних фосфатов кальция, образующихся при сливании и постоянном перемешивании водных растворов нитрата кальция и двузамещенного фосфата аммония, взятых в мольном соотношении 3:2, при рН 7,0, с последующим фильтрованием и прокаливанием образовавшегося осадка [RU 2607743]. Недостатком известного способа является отсутствие у получаемых материалов люминесцентной активности.

Техническим результатом заявленного изобретения является способность порошка ортофосфата кальция к люминесцентному свечению в диапазоне от 360 до 500 нм при облучении источником света с длинной волны 270-320 нм.

Технический результат достигается тем, что в способе получения люминесцентного ортофосфата кальция, активированного церием, при осаждении из водных растворов нитрата кальция и гидрофосфата аммония, взятых в мольном соотношении катионов к фосфат-анионам 1,5, при уровне рН среды 7,0±0,2, с последующим отделением осадка, промыванием, сушкой, протиранием, согласно изобретению, перед смешением водных растворов к раствору нитрата кальция добавляют раствор нитрата церия (3+) при следующем соотношении реагентов, мол. %: нитрат кальция - 59,5-59,9; двузамещенный фосфат аммония - 40,0; нитрат церия (3+) - 0,1-0,5; при этом соблюдая мольное соотношение (Са+Се)/Р=1,5, после синтеза получают низкозакристаллизованные порошки со структурой трикальцийфосфата орторомбической модификации, средним размером частиц 90-130 нм, содержанием церия 0,1-0,5 мол. %, характеризующиеся люминесцентной способностью при возбуждении ультрафиолетовым светом.

Сущность изобретения заключается в том, что при синтезе ортофосфата кальция осаждением из водных растворов происходит включение ионов Се (3+) в кристаллическую решетку ортофосфата кальция с образованием твердого раствора замещения ионов Са (2+) на ионы Се (3+), которые имеют способность к фотолюминесценции при возбуждении ультрафиолетовым светом, что обусловлено электронным переходом 4f→5d. Таким образом, наличие Се (3+) приводит к активации порошка ортофосфата кальция, что выражается в люминесценции в диапазоне длин волн 300-500 нм.

Пример 1.

В реактор с верхнеприводной мешалкой помещают 299,7 мл водного раствора нитрата кальция концентрацией 0,5 М и 1,5 мл водного раствора нитрата церия (3+) концентрацией 0,1 М. Уровень рН среды доводят до 7,0±0,2 и поддерживают на протяжении всего синтеза путем покапельного добавления 25%-ного водного раствора аммиака с помощью пипетки. К полученной смеси при постоянном перемешивании покапельно с помощью делительной воронки добавляют 200 мл водного раствора гидрофосфата аммония концентрацией 0,5 М. При этом соблюдают мольное соотношение (Са+Се)/Р=1,5. Полученный осадок перемешивают в течении 2 ч, затем отфильтровывают от маточного раствора, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 80-110°С.Площадь удельной поверхности частиц получаемых порошков, составляет 24 м²/г, количество церия в порошках составляет 0,10 мол. %. Порошки соответствуют орторомбической модификации ортофосфата кальция, иных фаз не выявлено. Интенсивность фотолюминесценции получаемых порошков составила 175 и 144 от. ед. при облучении длинной волны 270 и 316 нм соответственно.

Пример 2.

В реактор с верхнеприводной мешалкой помещают 299,25 мл водного раствора нитрата кальция концентрацией 0,5 М и 3,75 мл водного раствора нитрата церия (3+) концентрацией 0,1 М. Уровень рН среды доводят до 7,0±0,2 и поддерживают на протяжении всего синтеза путем покапельного добавления 25%-ного водного раствора аммиака с помощью пипетки. К полученной смеси при постоянном перемешивании покапельно с помощью делительной воронки добавляют 200 мл водного раствора гидрофосфата аммония концентрацией 0,5 М. При этом соблюдают мольное соотношение (Са+Се)/Р=1,5. Полученный осадок перемешивают в течении 2 ч, затем отфильтровывают от маточного раствора, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 80-110°С. Площадь удельной поверхности частиц получаемых порошков, составляет 23 м²/г, количество церия в порошках составляет 0,22 мол. %. Порошки соответствуют орторомбической модификации ортофосфата кальция, иных фаз не выявлено. Интенсивность фотолюминесценции получаемых порошков составила 1010 и 968 от. ед. при облучении длинной волны 270 и 316 нм соответственно.

Пример 3.

В реактор с верхнеприводной мешалкой помещают 298,5 мл водного раствора нитрата кальция концентрацией 0,5 М и 7,5 мл водного раствора нитрата церия (3+) концентрацией 0,1 М. Уровень рН среды доводят до 7,0±0,2 и поддерживают на протяжении всего синтеза путем покапельного добавления 25%-ного водного раствора аммиака с помощью пипетки. К полученной смеси при постоянном перемешивании покапельно с помощью делительной воронки добавляют 200 мл водного раствора гидрофосфата аммония концентрацией 0,5 М. При этом соблюдают мольное соотношение (Са+Се)/Р=1,5. Полученный осадок перемешивают в течении 2 ч, затем отфильтровывают от маточного раствора, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 80-110°С. Площадь удельной поверхности частиц получаемых порошков, составляет 17 м²/г, количество церия в порошках составляет 0,44 мол. %. Порошки соответствуют орторомбической модификации ортофосфата кальция, иных фаз не выявлено. Интенсивность фотолюминесценции получаемых порошков составила 210 и 232 от. ед. при облучении длинной волны 270 и 316 нм соответственно.

Пример 4.

В реактор с верхнеприводной мешалкой помещают 300 мл водного раствора нитрата кальция концентрацией 0,5 М. Уровень рН среды доводят до 7,0±0,2 и поддерживают на протяжении всего синтеза путем покапельного добавления 25%-ного водного раствора аммиака с помощью пипетки. К полученной смеси при постоянном перемешивании покапельно с помощью делительной воронки добавляют 200 мл водного раствора гидрофосфата аммония концентрацией 0,5 М. При этом соблюдают мольное соотношение Са/Р=1,5. Полученный осадок перемешивают в течении 2 ч, затем отфильтровывают от маточного раствора, промывают дистиллированной водой и сушат при температуре 80-110°С. Площадь удельной поверхности частиц получаемых порошков, составляет 28 м /г, количество церия в порошках составляет 0 мол. %. Порошки соответствуют орторомбической модификации ортофосфата кальция, иных фаз не выявлено. Основным отличием получаемых порошков является отсутствие приемлемой интенсивности люминесценции при возбуждении УФ-светом.

Для всех полученных материалов определяют фазовый состав методом рентгенофазового анализа (РФА) после прокаливания при температуре 1300°С: в результате высокотемпературной обработки порошок кристаллизуется, и можно судить о фазовом составе с высокой точностью. С помощью ИК-спектроскопии, определяют средний размер частиц согласно методу низкотемпературной адсорбции БЭТ (S_уд.), методами химического анализа оценивают количество церия. В таблице 1 представлены характеристики порошков в соответствии с условиями синтеза. На фигуре 1 представлены спектры фотолюминесценции порошков церий-содержащих ортофосфатов кальция в соответствии с Примерами 1-4 при возбуждении длинной волны: (а) 270 нм; (б) 316 нм. Спектры возбуждения и фотолюминесценции (ФЛ) порошков регистрируют при комнатной температуре, диапазон возбуждения (λехс) - 270-316 нм, диапазон люминесценции (λem) - 350-420 нм, разрешение 0,5 нм, в качестве источника возбуждения используют ксеноновую лампу, ширину щели на испускание 3,5 нм (рис. 1, табл. 1).

Способ получения люминесцентного ортофосфата кальция, активированного церием, при осаждении из водных растворов нитрата кальция и гидрофосфата аммония, взятых в мольном соотношении катионов к фосфат-анионам 1,50±0,5, при уровне рН среды 7,0±0,2, с последующим отделением осадка, промыванием, сушкой, протиранием, отличающийся тем, что перед смешением водных растворов к раствору нитрата кальция добавляют раствор нитрата церия (3+) при следующем соотношении реагентов, мол.%: нитрат кальция - 59,5-59,9; двузамещенный фосфат аммония - 40,0; нитрат церия (3+) - 0,1-0,5; при этом соблюдая мольное соотношение (Са+Се)/Р=1,50±0,5, после синтеза получают низкозакристаллизованные порошки со структурой трикальцийфосфата орторомбической модификации, средним размером частиц 90-130 нм, содержанием церия 0,1-0,5 мол.%, характеризующиеся люминесцентной способностью при возбуждении ультрафиолетовым светом.