СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ ИЗ ГИДРОКСИАПАТИТА, ОБЛАДАЮЩЕЙ АНТИМИКРОБНОЙ АКТИВНОСТЬЮ
METHOD OF PRODUCING POROUS CERAMIC FROM HYDROXYAPATITE HAVING ANTIMICROBIAL ACTIVITY

Изобретение относится к химической технологии, конкретно к способу получения гидроксиапатита (ГА), обладающего антимикробной активностью, который может использоваться в медицине в качестве материала для замещения костных дефектов, в фармации, косметике, стоматологии, перевязочных средствах и в различных областях техники.
+
+
2+
2+
2-
-
-
4-
4-
3
4
4
Из уровня техники известно следующее: особенностью ГА является нестехиометричность его состава, позволяющая проводить изоморфные катионные и анионные замещения в его структуре. Как известно, в состав биологического апатита входят ионы K, Na, Mg, Zn, СО , F, Сl, SO , SiO . Поэтому при изготовлении керамики из гидроксиапатита для медицинских применений в состав порошка ГА вводят именно эти ионы.
2+
+
2+
3+
2+
Оптимальным способом получения замещенных ГА является введение ионов-заместителей на стадии синтеза исходных порошков замещенных ГА [заявка на патент РФ 2007126163]. Таким образом добиваются идеального распределения ионов-заместителей в ГА. Однако присутствие в структуре ГА дополнительных фаз и модификаторов, в том числе Zn, Ag, Cu, Fe, Mg приводит к дестабилизации структуры апатита при термообработке и трансформации его в трикальцийфосфат (ТКФ). Таким образом, введение ионов-заместителей в структуру ГА увеличивает скорость биодеградации материала за счет увеличения дефектности решетки ГА и трансформации ГА в ТКФ.
Известны способы получения порошков ГАП [Fumiaki Miyaji, Yoshiteru Kono, Yoko Suyama. Formation and structure of zinc-substituted calcium hydroxyapatite // Materials Research Bulletin 40 (2005) 209-220; A.Bigi, E.Foresti, M.Gandolfi, M.Gazzano, and N.Roveri Inhibiting Effect of Zinc on Hydroxylapatite Crystallization Journal of Inorganic Biochemistry, 58, 49-58 (1995)], содержащих до 20 ат.% Zn, являющихся однофазными после синтеза. Однако высокотемпературная обработка приводит к распаду твердого раствора уже при 800°С, температуре, явно недостаточной для спекания керамики на основе ГАП или ТКФ при любом содержании Zn. Известен способ получения магнийзамещенных гидроксиапатитов [Фадеева И.В., Шворнева Л.И., Баринов С.М., Орловский В.П. Синтез и структура магнийсодержащих гидроксиапатитов // Неорганические материалы. 2003. Т.39. №9. С.1102-1105], однако термическая обработка при 800-900°С способствует трансформации структуры ГА в ТКФ.
Описан [T.N.Kim, Q.L.Feng, J.О.Kim et alAntimicrobial effects of metal ions (Ag, Cu, Zn) in hydroxyapatite // J.Mater.Sci.Mater.Med. 1998. V.9. P.129-134] способ получения порошков серебро-, цинк-, медь-замещенных ГА осаждением из водных растворов солей. Однако недостатком данного способа является невозможность получения больших количеств материала для получения керамики, а также длительный и энергоемкий процесс сушки гелей, образующихся в результате синтеза.
Наиболее близким к прототипу является способ (патент РФ №2372313) получения ГА керамики, содержащей оксид цинка. Керамику из ГА, модифицированного оксидом цинка, получают взаимодействием растворимых солей кальция, цинка и растворимых фосфатов, формованием образцов или изделий из полученных порошков при содержании 1-5 мол.% цинка по весу в виде твердого раствора в ГАП (ZnTAn) и их обжиг при 1100-1200°С. Обжиг керамики проводят в засыпке, представляющей собой смесь карбоната кальция и брушита, причем содержание карбоната кальция в смеси составляет 30-50%.
2+
+
2+
3+
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа получения пористой ГА керамики, обладающей антибактериальными свойствами, модифицированной ионами Zn, Ag, Cu, Fe.
Техническим результатом изобретения является то, что керамика, полученная по предложенному способу, имеет пористую структуру, пористость составляет 50-90% и обладает антибактериальной активностью, что выражается в образовании гало, участка, на котором отсутствует штамм E.Coli, вокруг образца керамики, помещенного в чашку Петри с культурой E.Coli.
Технический результат достигается тем, что способ получения пористой керамики из гидроксиапатита, обладающей повышенной антимикробной активностью, включает синтез цинк-, медь-, железо- или сереброзамещенного гидроксиапатита с использованием механохимической активации из оксида кальция и двухзамещенного фосфата аммония в присутствии нитратов цинка, меди, железа или серебра, взятых в количестве 0,5-10 мол.% по отношению к оксиду кальция. При подготовке керамического шликера смешивают полученный порошок и гель полиакриламида в качестве пластификатора и порообразователя. Полученным шликером пропитывают полиуретановые губки с различной пористостью (от 50 до 90 об.%), после чего проводят спекание; синтез проводят с небольшими количествами (от 0,1 до 6 мас.%) карбоната аммония.
Сущность изобретения заключается в следующем: синтез цинк-, медь-, железо- или сереброзамещенного гидроксиапатита проводят с использованием механохимической активации из оксида кальция и двухзамещенного фосфата аммония в присутствии нитратов металлов-заместителей, взятых в количестве 0,5 - 10 мол.% по отношению к оксиду кальция. Активацию проводят в планетарной мельнице с использованием керамических корундовых тел сферической формы. После получения порошка готовят шликер из порошка и геля полиакриламида, пропитывают шликером полиуретановые пористые матрицы, высушивают и спекают при температуре от 900 до 1200°С. Полученная ГА керамика имеет пористость 50-90%, прочность при сжатии от 50 до 3 МПа, обладает антимикробной активностью по отношению к грамположительным и грамотрицательным штаммам и может использоваться в реконструктивно-пластической хирургии при использовании технологий инженерии костной ткани.
Изобретение иллюстрируется примерами и рис.1-4. На рис.1, представлена дифрактограмма порошка сереброзамещенного ГА, на которой отмечены основные пики, принадлежащие ГА (согласно данным библиотеки стандартов JPCDS). Поскольку практически все пики, приведенные на рис.1, совпадают с пиками, характерными для ГА, можно сделать вывод о структурном соответствии полученного соединения и ГА.
-1
-1
На рис.2 приведен ИК спектр порошка сереброзамещенного ГА. Полосы при 3650-3680 см отвечают колебаниям ОН групп, входящих в структуру полученного сереброзамещенного ГА. Полосы в области 1400-1550 см соответствуют колебаниям карбонатных групп, что подтверждает их присутствие в синтезированном сереброзамещенном ГА. Другие полосы, присутствующие в спектре, соответствуют колебаниям фосфатных и карбонатных групп, что подтверждает их наличие в полученном сереброзамещенном ГА.
На рис.3, приведена микроструктура керамики из модифицированного ГА с антимикробной активностью: на рис.3а изображена микроструктура сереброзамещенного ГА, на рис.3б - цинкзамещенного ГА. Как видно из рис.3, оба образца керамики являются пористыми, размер пор варьирует в интервале от менее 1 мкм до 10 мкм.
На рис.4, приведены фотографии образцов керамики, обладающей антимикробными свойствами, помещенных в питательную среду с E.Coli. На рис.4а представлены образцы керамики из сереброзамещенного ГА; на рис 4б - из медьзамещенного ГА; на рис.4в - из железозамещенного ГА; на рис.4г - из цинкзамещенного ГА. Диаметр светлого кольца вокруг образца керамики соответствует области, в которой отсутствует культура E.Coli: чем больше диаметр светлого кольца, тем больше проявляются антибактериальные свойства.
Пример 1.
В реактор помещают 28 г оксида кальция, прокаленного при температуре 950°С, 39,6 г двухзамещенного фосфата аммония, 2,4 г карбоната аммония, 300 г помольных корундовых тел сферической формы и помещают в планетарную мельницу, где подвергают смесь активации при скорости вращения реактора 1-1,5 тыс.об/мин в течение 60 мин. Далее к смеси добавляют рассчитанное количество нитрата серебра (1 мол.% от введенного оксида кальция), растворенного в 300 мл воды, после чего продолжают смешивание в планетарной мельнице при вышеуказанной скорости вращения в течение 60 мин. Образовавшийся продукт отделяют фильтрованием с отсасыванием на воронке Бюхнера и сушат на воздухе без доступа света. Высушенный порошок дезагрегируют пропусканием через сетку с размером ячейки 400 мкм, смешивают с гелем полиакриламида, пропитывают полиуретановый пористый матрикс с пористостью 90%, высушивают в сушильном шкафу при 60-80°С. Спекают в камерной печи с силитовыми нагревателями при температуре 900°С. Согласно дифрактограмме (рис.1) керамика соответствует по структуре ГА. Из ИК спектров (рис.2) можно сделать вывод о вхождении в состав полученной керамики карбонат-групп. Полученная керамика является пористой с размером пор от менее 1 мкм до 10 мкм (рис.3а), благодаря чему данную керамику можно использовать при замещении костных дефектов в остеопластической хирургии и реконструктивно-пластической стоматологии. Общая пористость составляет 45%. На рис.4а вокруг образца, помещенного в чашку Петри с культурой E.Coli, хорошо заметно кольцо шириной 0,5 см, в котором отсутствует вышеуказанная культура, что является доказательством антибактериальной активности серебросодержащей ГА керамики.
Пример 2.
В реактор помещают 28 г оксида кальция, прокаленного при температуре 950°С, 39,6 г двухзамещенного фосфата аммония, 300 г помольных корундовых тел сферической формы и помещают в планетарную мельницу, где подвергают смесь активации при скорости вращения реактора 1-1,5 тыс. об/мин в течение 60 мин. Далее к смеси добавляют рассчитанное количество нитрата цинка (2 мол.% от введенного оксида кальция), растворенного в 300 мл воды, после чего продолжают смешивание в планетарной мельнице при вышеуказанной скорости вращения в течение 60 мин. Образовавшийся продукт отделяют фильтрованием с отсасыванием на воронке Бюхнера и сушат на воздухе. Высушенный порошок дезагрегируют пропусканием через сетку с размером ячейки 400 мкм, смешивают с гелем полиакриламида, формуют, высушивают в сушильном шкафу при 60-80°С. Спекают в камерной печи с силитовыми нагревателями при температуре 900°С. Пористость полученной керамики составляет 55% (рис.3б). Антибактериальные свойства данной керамики подтверждаются отсутствием культуры E.Coli вокруг образца на расстоянии 1 см (рис.4г).
Пример 3.
В реактор помещают 28 г оксида кальция, прокаленного при температуре 950°С, 39,6 г двухзамещенного фосфата аммония, 300 г помольных корундовых тел сферической формы и помещают в планетарную мельницу, где подвергают смесь активации при скорости вращения реактора 1-1,5 тыс. об/мин в течение 60 мин. Далее к смеси добавляют рассчитанное количество нитрата меди (0,5 мол.% от введенного оксида кальция), растворенного в 300 мл воды, после чего продолжают смешивание в планетарной мельнице при вышеуказанной скорости вращения в течение 60 мин. Образовавшийся продукт отделяют фильтрованием с отсасыванием на воронке Бюхнера и сушат на воздухе. Высушенный порошок дезагрегируют пропусканием через сетку с размером ячейки 400 мкм, смешивают с гелем полиакриламида, пропитывают полиуретановый пористый матрикс с пористостью 50%, высушивают в сушильном шкафу при 60-80°С. Спекают в камерной печи с силитовыми нагревателями при температуре 900°С. Пористость полученной керамики составляет 50%. Антибактериальные свойства данной керамики подтверждаются отсутствием культуры E.Coli вокруг образца на расстоянии 0,1 см (рис.4б).
Пример 4.
В реактор помещают 28 г оксида кальция, прокаленного при температуре 950°С, 39,6 г двухзамещенного фосфата аммония, 300 г помольных корундовых тел сферической формы и помещают в планетарную мельницу, где подвергают смесь активации при скорости вращения реактора 1-1,5 тыс. об/мин в течение 60 мин. Далее к смеси добавляют рассчитанное количество нитрата железа (0,1 мол.% от введенного оксида кальция), растворенного в 300 мл воды, после чего продолжают смешивание в планетарной мельнице при вышеуказанной скорости вращения в течение 60 мин. Образовавшийся продукт отделяют фильтрованием с отсасыванием на воронке Бюхнера и сушат на воздухе. Высушенный порошок дезагрегируют пропусканием через сетку с размером ячейки 400 мкм, смешивают с гелем полиакриламида, формуют, высушивают в сушильном шкафу при 60-80°С. Спекают в камерной печи с силитовыми нагревателями при температуре 900°С. Полученная керамика имеет пористость порядка 60%, однако не проявляет антибактериальную активность, т.е. вокруг образца присутствует культура E.Coli (рис.4в).
Пример 5.
В реактор помещают 28 г оксида кальция, прокаленного при температуре 950°С, 39,6 г двухзамещенного фосфата аммония, 300 г помольных корундовых тел сферической формы и помещают в планетарную мельницу, где подвергают смесь активации при скорости вращения реактора 1-1,5 тыс. об/мин в течение 60 мин. Далее к смеси добавляют рассчитанное количество нитрата цинка (15 мол.% от введенного оксида кальция), растворенного в 300 мл воды, после чего продолжают смешивание в планетарной мельнице при вышеуказанной скорости вращения в течение 60 мин. Образовавшийся продукт отделяют фильтрованием с отсасыванием на воронке Бюхнера и сушат на воздухе. Высушенный порошок дезагрегируют пропусканием через сетку с размером ячейки 400 мкм, смешивают с гелем полиакриламида, формуют, высушивают в сушильном шкафу при 60-80°С. Спекают в камерной печи с силитовыми нагревателями при температуре 900°С. Согласно данным РФА полученной керамики образовавшийся продукт является двухфазным и содержит 60 мас.% апатитоподобной фазы и 40% трикальцийфосфата.