СИНТЕТИЧЕСКИЙ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ФОСФАТ КАЛЬЦИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
SYNTHETIC NANOCRYSTALLINE CALCIUIM PHOSPHATE AND PREPARATION METHOD THEREOF

2
Настоящее изобретение относится к синтетическому кристаллическому фосфату кальция, в частности гидроксиапатиту, с удельной площадью поверхности в диапазоне от 150 до 300 м/г, и к способу приготовления порошка или покрытия из нанокристаллического фосфата кальция, в частности из гидроксиапатита.
Предшествующий уровень техники
Существует обширный список различных биоматериалов, которые могут быть имплантированы в тело. По активности in vivo их можно классифицировать как биологически инертные, рассасывающиеся и биологически активные материалы. Биологически инертные материалы, когда они вступают в контакт с живой тканью, в определенном смысле рассматриваются как посторонние объекты. Тело инкапсулирует такой объект тонкой тканью, и, таким образом, объект механически фиксируется внутри тела. Типичные биологически инертные материалы - это керамика, такая как оксид алюминия и диоксид циркония, и разнообразные не разлагаемые биологически полимеры. Биологически рассасывающиеся материалы, такие как трикальцийфосфат, сульфат кальция и биоразлагаемые полимеры, используют для замены поврежденной ткани. Они постепенно растворяются и заменяются тканью тела. Биологически активные материалы включают, например, гидроксиапатит и некоторые стекла и стеклокерамику и характеризуются способностью вызывать биологический отклик, приводящий к образованию химической и биологической связи с живой тканью.
Оссеоинтеграция, означающая интеграцию имплантанта для исправления или замещения твердых тканей тела и окружающей биологической ткани, т.е. кости, играет решающую роль для успеха процедуры имплантации. Недостаточная оссеоинтеграция может привести к отторжению имплантата. Есть несколько способов обеспечения хорошей оссеоинтеграции, например: а) конструкция имплантата, к примеру шаг резьбы на винтах зубного имплантата (Веннерберг и др. «Конструкция и свойства поверхности 13 коммерчески доступных систем имплантатов ротовой полости», Wennerberg, A., et al., "Design And Surface Characteristics of 13 Commercially Available Oral Implant Systems", International Journal of Oral & Maxillofacial Implants, vol.8, No.6, pp.622-623 (1993); Wennerberg A, Albrektsson T, Lausmaa J. Torque and histomorphometric evaluation of c.p. titanium screws blasted with 25- and 75-microns-sized particles of A1203. J. Biomed. Mater. Res. 1996; 30: 251-260, и патент США №4330891 Бренмарк и др.); б) регулирование топографии поверхности имплантата (Ларсон и др., "Имплантат", патент США №6689170); в) выбор правильной химии поверхности (Элигсен и др., «Способ обработки поверхности металлического хирургического имплантата» патент США 5571188; R.G.T. Geesink, Clin. Orthop. 261 (1990) 39-58; J.A.Jansen, et al., Mater. Res., 25 (1991) 973-989; T.W.Bauer, et al., Bone Join Surg., 73A (1991) 1439-1452; Rashmir-Raven AM, Richardson DC, Aberman HM, DeYoung DJ. The response of cancellous and cortical canine bone to hydroxyapatite-coated and uncoated titanium rods. J. Appl Biomater 1995; 6: 237-242), являющейся биологически инертной, рассасывающейся или биологически активной, и г) сочетание двух или всех трех возможностей от а) до в). Побудительной причиной для исследования оссеоинтеграции и ее механизмов является то, что пациенты, подвергающиеся имплантационной хирургии, часто вынуждены иметь длительный период заживления. Например, титановые зубные имплантаты, как правило, требуют для заживления время от трех до шести месяцев, в зависимости от пациента и от локализации в ротовой полости, прежде чем допускается внешняя нагрузка.
10
4
6
2
Гидроксиапатит, ГА, Са(РO)(ОН), это один из главных минеральных компонентов в теле животного и человека, и он придает твердость и прочность костям и зубам. В теле ГА существует в виде крохотных кристаллов с игольчатой структурой (Lowenstam, H.A., and Weiner, S. On biomineralization, Oxford University Press, New York, 1989). Эти игольчатые кристаллы имеют толщину примерно 1-2 нм, ширину 2-4 нм и длину 20-40 нм. ГА используют, например, в чрескожных инструментах, для лечения перидонта, увеличения альвеолярного гребня, в ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, отоларингологии и хирургии позвоночника (Hench (1991) J. Am. Cer. Soc. 74: 1487); но наиболее широко его используют в ортопедии и зубной имплантации.
К сожалению, из-за низкой механической надежности, особенно во влажной среде, ГА сам по себе не может быть использован в применениях, требующих высоких нагрузок («Synthesis and characterization of nano-HA/РА66 composites» Mie Huang, Jianqing Feng, Jianxin Wang, Xingdong Zhang, Yubao Li, Yonggang Yan, Journal of Materials Science: materials in Medicine 14 (2003) 655-660). В теле ГА объединяется с другой, более "мягкой" тканью, образуя таким способом композит. Например, зуб человека состоит из смеси коллагена и ГА, что делает его устойчивым к растрескиванию. На сегодняшний день наиболее распространенным является использование синтетического гидроксиапатита в качестве покрытия титановых имплантатов. Это делают для усиления связывания между имплантатом и окружающей тканью и осуществления связывания (оссеоинтеграции) как можно лучше и быстрее. В этом применении используется прочность титана одновременно с биосовместимостью гидроксиапатита. Несмотря на то что ГА, в соответствии с имеющимися исследованиями, имеет эффект биологической активности, проблем с применением ГА было множество. Преимущественно эти проблемы связаны с адгезией пленки ГА к поверхности диоксида титана. Плохая адгезия приводит к отторжению пленки ГА от имплантата, что, в свою очередь, может привести к общей хирургической неудаче. Также существуют и проблемы, связанные с кристалличностью ГА, что приводит к растворению пленки при соприкосновении с живой тканью (Wolke J.G. С, Groot К, Jansen J.A, "In vivo dissolution behaviour of various RF magnetron sputtered Ca-P coatings", J. Biomed. Mater. Res. 39 (4): 524-530 Mar. 15 1998).
В последние годы достижения научных исследований привели к повышенному интересу к ГА как биологически активному веществу и к его использованию в качестве покрытия на имплантатах и для других вариантов применения. Большие усилия были приложены для разработки новых подходов или модификации старых способов производства более надежных продуктов, изготовленных из ГА. Один очень перспективный подход заключается в приготовлении гидроксиапатита в форме наночастиц. Это связано с их способностью спекаться при низкой температуре, с их более высокой удельной площадью поверхности и с тем, что они дают при спекании более прочные конечные продукты.
Существует несколько методик изготовления ГА и подобных материалов в масштабе наночастиц. Среди них управляемое химическое осаждение, в котором используют солевые растворы с низкой концентрацией, методики осаждения из паровой фазы (как химические, так и физические), конденсация из газовой фазы и различные методики темплетирования (как биологические, так и синтетические). Среди синтетических способов успешно применена самосборка поверхностно-активных веществ, особенно микроэмульсий, в которых поверхностно-активные вещества образуют мелкие водяные капли, которые используются в качестве микрореакторов с целью получения мелких частиц ГА (Susmita Bose et al., Chem. Mater. 2003 (15) 4464-4469; Koumoulidis GC, Katsoulidis AP, Ladavos AK, Pomonis PJ, Trapalis CC, Sdoukos AT, Vaimakis TC, Journal of Colloid and Interface Science 259 (2); 254-260 Mar 15, 2003; Lim GK, Wang J, Ng SC, Gan LM Journal of Materials Chemistry, 9 (7): 1635-1639 Jul 1999). Однако остаются проблемы, связанные с контролем размера и морфологии, а также низким выходом продуктов. Поэтому существует потребность в надежной методике получения морфологически чистого синтетического нанокристаллического фосфата кальция, в частности гидроксиапатита.
Существуют разнообразные способы нанесения пленок ГА на имплантируемые объекты. Например: а) Термоплазменное распыление. В процессе плазменного распыления плазма образуется путем пропускания электрической дуги сквозь поток смешанных газов. Это приводит к частичному плавлению исходного ГА, который, в свою очередь, с относительно высокой скоростью ударяется о внешнюю поверхность покрываемого объекта. Такая обработка локально создает высокие температуры, оказывая тем самым отрицательное воздействие на кристалличность ГА, поскольку создает другие полиморфы, а также частично аморфный ГА. Этот аморфный ГА имеет тенденцию к растворению в теле, что ухудшает оссеоинтеграцию. Кроме того, слой ГА относительно толстый (минимум, 10 мкм), что создает проблемы в отношении адгезии к имплантату (Cheang, Р.; Khor, К.A. Biomaterials 1996, 17, 537; Groot, К.D.; Geesink, R.; Klein, C.; Serekian, P. L Biomedicat. Mater. Res. 1987, 21, 1375; Story, В.; Burgess, A. Prosthetic implant coated with hydroxylapatite and process for treating prosthetic implants plasma-sprayed with hydroxylapatite; S. Calcitek: USA, 1998; and Zyman, Z.; Weng, J.; Liu, X.; Zhang, X.; Ma, Z. Biomaterials 1993, 14, 225). б) Распылительные способы, которые имеют относительно высокую стоимость и непрактичны из-за низкой эффективности (Massaro С, Baker MA, Cosentino F, Ramires PA, Kiose S, Milella E, Surface and biological evaluation of hydroxyapatite-based coatings on titanium deposited by different techniques. Journal of Biomedical Materials Research, 58 (6): 651-657 Dec 5, 2001). в) Электрохимические способы, использующие электрохимию для выращивания кристаллов на субстрате. Эта методика имеет свои недостатки, связанные с газообразованием, из-за которого может растрескаться и повредиться покрытие пленки. Существует несколько других методик, которые описаны в литературе, но сегодня коммерческое применение имеет только методика плазменного распыления. Недостатки использования описанных выше и других, не описанных здесь методик многочисленны, особенно из-за того, что наноситься могут только толстые слои (несколько мкм), что приводит к проблемам с адгезией к субстрату и к проблемам с покрытием объектов, имеющих сложную форму. Несколько из использованных или испытанных методик создают, кроме того, локально высокие температуры, образуя аморфный ГА вместо желательной формы кристаллического апатита. Это требует новых способов нанесения покрытия для осаждения ГА на поверхности. Одной из перспективных является методика так называемого нанесения покрытий окунанием, при которой субстрат окунают в раствор, состоящий из дисперсии частиц. Имеется несколько исследований, посвященных использованию этой методики, но проблемы, связанные с созданием подходящего золя, привели к проблемам в отношении адгезии к субстрату, а также к образованию рыхлых пленок.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает высококристаллические нанокристаллические апатиты, особенно гидроксиапатит, в форме порошка или в форме покрытия на поверхности. Покрытие из тонкого, чистого и высококристаллического апатита, т.е. фосфата кальция, такого как гидроксиапатит, может быть нанесено на объекты, например на имплантаты, используя способ по этому изобретению, который будет подробно описан ниже.
Изобретение может быть использовано для получения нескольких продуктов, для которых применение мелких частиц является преимуществом. Далее, изобретение обеспечивает раствор, который легко может быть осажден на поверхности как металлических, так и неметаллических субстратов. Наночастицы, присутствующие в растворе электростатически, прилипают к субстрату, и поэтому предпочтительно субстрат имеет оксидный слой, чтобы сделать максимальным прилипание к поверхности. Это приводит к тому, что поверхность состоит из очень тонкого слоя (такого, как 150 нм или менее) кристаллического апатита, который можно наносить независимо от формы субстрата. Далее, изобретение обеспечивает апатитовый слой, который может следовать неровностям поверхности субстрата, позволяя сочетать структуру поверхности с апатитовым покрытием, что имеет большое значение для оссеоинтеграции.
Согласно материаловедению при спекании прочность материала возрастает с уменьшением размера частиц (ссылка: А.А.Griffith, "The phenomena of rupture and flow in solids", Phil. Trans. Roy. Soc. London, Ser. A. 221 [4] 163-198 (1920-1921)). Это приводит к более прочным материалам в том случае, когда спекают порошок наночастиц фосфата кальция, по сравнению с материалами, изготовленными из обычного ГА. Это позволяет изготавливать высокопрочные имплантаты, полностью состоящие из ГА. Также малые размеры кристаллов позволяют изготавливать очень тонкие слои ГА на твердом субстрате. Далее, гидроксиапатитовые нанокристаллы в форме покрытия на поверхности целесообразны, когда их используют для увеличения площади поверхности имплантатов, изготовленных из металлов или из неметаллов, а также для создания биологически активной поверхности. Это приводит к ускоренной и более контролируемой оссеоинтеграции.
Синтетические нанокристаллы гидроксиапатита по этому изобретению имеют, насколько мы знаем, самую большую когда-либо представленную удельную площадь поверхности. Они имеют сходство с ГА частицами, присутствующими в живом теле, что делает их весьма подходящими для биокопирования ткани тела при изготовления имплантатов в теле. Поэтому ГА по изобретению подходит для осаждения на поверхности имплантата, обеспечивая ему биологически высокоактивную поверхность для стимуляции роста кости в начальном процессе заживления. Например, зуб человека состоит из состоящих из ГА наночастиц, внедренных в белковую полимерную матрицу из коллагена, которая придает им хорошую механическую прочность и стабильность.
Описание чертежей
На Фиг.1 показано полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) изображение кристаллов гидроксиапатита по изобретению. Шкала = 100 нм.
На Фиг.2 показано полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) изображение металлической поверхности, покрытой гидроксиапатитом по изобретению. Как видно на этой фотографии, слой гидроксиапатита по изобретению повторяет топографию поверхности металла. Шкала = 10 мкм.
На Фиг.3 показано полученное с помощью СЭМ изображение слоя гидроксиапатита по изобретению на стеклянной поверхности.
Шкала = 1 мкм.
2
На Фиг.4 показана рентгеновская дифрактограмма порошка ГА с удельной площадью поверхности 220 м/г.
Подробное описание изобретения
2
2
В своем первом аспекте изобретение направлено на получение синтетического нанокристаллического фосфата кальция с удельной площадью поверхности в диапазоне от 150 до 300 м/г, такой как от 180 до 280 м/г, согласно измерению по методу БЭТ (S.Brunauer, P.H.Emmet, E.Teller, J. Am. Chem. Soc. 1938, 60, 309-319).
Кристаллы имеют средний размер частиц 1-10 нм, такой как 2-10 нм, а предпочтительно 1-5 нм в диаметре, и 20-40 в длину, что можно оценить по изображению, полученному с помощью ПЭМ и показанному на Фиг.1.
В предпочтительном воплощении изобретения синтетический нанокристаллический фосфат кальция - это фосфат кальция, представляющий собой гидроксиапатит.
2
В другом воплощении изобретения синтетический нанокристаллический фосфат кальция имеет удельную площадь поверхности, которая выбрана из 180, 220 и 280 м/г.
Синтетический нанокристаллический фосфат кальция по изобретению может иметь форму порошка или форму покрытия на поверхности, например металлической поверхности, такой как титановая поверхность.
В одном из воплощений синтетического нанокристаллического фосфата кальция в форме покрытия на поверхности это покрытие имеет толщину, равную 150 нм или менее, например равную 100 нм или менее.
Еще в одном воплощении синтетического нанокристаллического фосфата кальция по изобретению отношение кальция к фосфору составляет 1,67.
Второй аспект изобретение направлен на обеспечение способа приготовления порошка или покрытия из нанокристаллического фосфата кальция, включающего операции
а) обеспечение раствора из воды и растворенных, взятых в стехиометрическом отношении количеств фосфорсодержащего предшественника и предшественника в виде кальциевой соли,
б) добавление поверхностно-активного вещества и, возможно, гидрофобного органического растворителя к раствору с операции (а) для создания жидкокристаллической фазы,
в) выдержка жидкокристаллической фазы до достижения равновесия, и
г) помещение равновесной жидкокристаллической фазы в атмосферу аммиака, чтобы повысить рН, для образования нанокристаллов фосфата кальция в водных доменах жидкокристаллической фазы,
при этом операции (а)-(г) выполняют при температуре окружающей среды, после чего следует либо
д1) удаление поверхностно-активного вещества из обработанной аммиаком жидкокристаллической фазы с операции (г) растворителем и
е1) фильтрация, промывка и сушка нанокристаллов фосфата кальция, чтобы получить порошок,
или
д2) разбавление обработанной аммиаком жидкокристаллической фазы с операции (г) гидрофобным органическим растворителем для получения микроэмульсии нанокристаллов фосфата кальция в воде,
е2) окунание покрытой оксидным слоем поверхности объекта в микроэмульсию с операции (д2) для осаждения микроэмульсии на поверхности,
ж2) испарение органического растворителя с поверхности, полученной на операции (е2), для получения покрытия из нанокристаллического фосфата кальция, и
з2) нагревание в инертной атмосфере для удаления поверхностно-активного вещества,
или, альтернативно, опуская операцию (г),
д3) разбавление жидкокристаллической фазы с операции (в) гидрофобным органическим растворителем для получения микроэмульсии,
е3) окунание покрытой оксидным слоем поверхности объекта в микроэмульсию с операции (д3) для осаждения микроэмульсии на поверхности,
ж3) испарение органического растворителя с поверхности, полученной на операции (е3), для образования жидкокристаллической фазы, где растворенные предшественники находятся в водных доменах, и
з3) помещение поверхности, полученной на операции (ж3), в атмосферу аммиака, чтобы повысить рН, для образования нанокристаллов фосфата кальция в водных доменах жидкокристаллической фазы и осаждения на поверхности, и затем
и2) нагревание в инертной атмосфере для удаления поверхностно-активного вещества.
В одном из воплощений изобретения взятые в стехиометрическом отношении растворенные количества предшественников на операции (а) - это количества, растворенные в воде, но в некоторых других воплощениях, в которых фосфорсодержащий предшественник, например триэтилфосфит, или пропионат кальция, не растворим в воде, растворенные количества - это количества, растворенные в поверхностно-активном веществе или растворенные в масле соответственно.
В настоящем предпочтительном воплощении изобретения поверхностно-активное вещество на операции (б) - это неионное поверхностно-активное вещество.
2
2
Способом по изобретению можно приготовить нанокристаллический фосфат кальция с удельной поверхностью в диапазоне от 50 до 300 м/г, несмотря на то что предпочтительный в настоящее время диапазон составляет от 150 до 300 м/г.
В одном из воплощений способа по изобретению покрытая оксидным слоем поверхность на операции (е2) или (е3) представляет собой металлическую поверхность, такую как титановая поверхность.
В другом воплощении изобретения объект на операции (е2) или (е3) представляет собой имплантат тела, например зубной имплантат.
Как и в первом аспекте изобретения, воплощения второго, относящегося к способу, аспекта изобретения включают фосфат кальция в виде гидроксиапатита, такой фосфорсодержащий предшественник, как фосфорная кислота, такой предшественник в виде соли кальция, как нитрат кальция, и такое отношение кальция к фосфору, как 1,67.
Таким образом, важное отношение Са/Р, которое составляет в теле порядка 1,67, может быть также сохранено. Отношение Са/Р, равное 1,67, это отношение, характерное для природного гидроксиапатита. Однако другие соединения фосфата кальция могут быть приготовлены по этому изобретению путем изменения соотношения предшественников кальция и фосфора, таких как ди-, три- или тетракальций фосфат.
Примеры фосфорсодержащих предшественников включают, кроме фосфорной кислоты, фосфористую кислоту, гипофосфористую кислоту и сложные эфиры фосфористой кислоты, такие как триэтилфосфит.
Примеры предшественников в виде кальциевой соли включают, наряду с нитратом кальция, например хлорид кальция, ацетат кальция и алкоксиды кальция, такие как этилат кальция.
Синтетический нанокристаллический фосфат кальция, в частности гидроксиапатит, может быть осажден на любую требуемую поверхность, такую, например, как поверхность металлов, полимеров и любых других органических материалов, керамики и других неорганических материалов, поскольку они имеют оксидный слой. Объект или имплантат может быть плоским, круглым, концентрическим или иметь любую сложную форму, а поверхность может быть гладкой, либо пористой. Металлам, применяемым для имплантатов тела, таким как титан (который всегда имеет присутствующий на поверхности слой диоксида титана), нержавеющая сталь, молибден, цирконий и т.д., можно, следовательно, придать биологическую активность посредством нанесения покрытия согласно изобретению.
Чтобы получить хорошую адгезию к субстрату, поверхность субстрата должна быть должным образом очищена. Это нужно, чтобы избавиться от загрязнителей, которые могут повлиять на сцепление. Для этих целей могут быть использованы несколько методик как механических, таких как сдувание или полирование, так и химических, таких как промывка органическими растворителями и водой.
Чтобы регулировать размер кристаллов, а также получать требуемую кристалличность, т.е. структуру апатита, в способе по изобретению была использована самосборка поверхностно-активного вещества. Поверхностно-активные вещества представляют собой амфифильные молекулы, состоящие из одной или более гидрофильной части и из одной или более гидрофобной части. Гидрофильная часть означает, что она лиофильна в отношении воды, т.е. притягивает воду; ее также называют более или менее растворимой в воде «верхушкой». Гидрофобная часть означает, что она не лиофильна в отношении воды, т.е. не притягивает воду; ее также часто называют «хвостом», не растворимым в воде или менее растворимым в воде, чем гидрофильная часть. Сочетание этих различных частей дает в результате молекулы, имеющие одну часть, растворимую в воде, и одну часть, не растворимую в воде или менее растворимую в воде. Существуют различные композиции таких частей, и поверхностно-активные вещества могут иметь, например, две верхушки и один или более чем один гидрофобный хвост, или, напротив, представлять двухвостую молекулу с одной или более чем одной верхушкой. Далее, поверхностно-активные вещества делятся на различные группы в зависимости от типа верхушки, т.е. на ионные и неионные, причем ионные бывают положительными, отрицательными, цвиттерионными или амфотерными. Цвиттерионные поверхностно-активные вещества содержат как положительный, так и отрицательный заряд. Часто положительным зарядом неизменно является аммоний, а отрицательный заряд может варьироваться, но обычно это карбоксилат. Если как положительный, так и отрицательный заряды зависят от рН, то такие поверхностно-активные вещества называют амфотерными, которые в определенном диапазоне рН являются цвиттерионными. Наиболее важной чертой поверхностно-активных веществ является их склонность абсорбироваться на поверхности раздела фаз, например на поверхности раздела воздуха и жидкости, на поверхности раздела воздуха и твердой фазы и на поверхности раздела жидкой и твердой фаз. Когда поверхностно-активные вещества свободны, в том смысле, что они не находятся в агрегатной форме, их называют мономерами или унимерами. При увеличении концентрации унимеров они склонны к агрегации и образуют небольшие скопления агрегатов, так называемые мицеллы. Эта концентрация называется Критической Концентрацией Мицелл и часто обозначается ККМ. Это образование мицелл можно рассматривать как альтернативу адсорбции на поверхности раздела фаз, поскольку оно снижает их свободную энергию в соответствии с правилами термодинамики. При использовании воды в качестве растворителя для мицеллизации ККМ достигается при очень низких концентрациях мицелл. Нередко при величинах 1 мМ и ниже. При увеличении концентрации поверхностно-активного вещества далее, выше КМК, мицеллы начинают расти в размерах. При более высоких концентрациях поверхностно-активного вещества мицеллы достигают этапа, когда они начинают упаковываться плотно друг к другу, формируя новые, более вязкие, структуры, т.е. жидкокристаллические фазы. Эти скопления формируются в воде или в органических растворителях или в смесях воды и органических растворителей.
Самосборка поверхностно-активного вещества в виде жидкокристаллических структур осуществляется в различных геометрических формах. Примерами такой геометрии являются слоистые, гексагональные, обратные гексагональные и кубические формы. Все эти геометрические формы можно получить по настоящему изобретению. Другие существующие фазы поверхностно-активных веществ это так называемые фазы изотропных растворов, и примерами их являются разбавленные и концентрированные растворы мицелл, обратные растворы мицелл, микроэмульсии и пузырьковые растворы. Более высоко концентрированные системы, т.е. жидкокристаллические фазы, имеют неупорядоченность ближнего порядка, но некоторую упорядоченность более дальнего порядка. Это сравнимо с обычными кристаллами, такими как неорганические кристаллы, которые имеют упорядоченность и дальнего и в ближнего порядков. Эти свойства делают жидкие кристаллы жесткими структурами, но по сравнению с обычными кристаллами более напоминающими жидкость. Типичный диапазон размеров для этих структур это мезодиапазон, т.е. 2-50 нм.
2
2
2
2
2
2
2
2
Способ применения жидкокристаллических фаз, их ценные фазовые свойства делают их очень перспективными также и для изготовления пористых материалов (мезопористых), которые могли бы представлять интерес для применения при замене сломанных костей. Материалы, изготовленные с использованием высококонцентрированной жидкокристаллической фазы, имеют удельную площадь поверхности более 50 м/г, такую как 100 м/г, предпочтительно более 150 м/г, например 200 м/г, и наиболее предпочтительно 280 м/г, что, по нашим сведениям, является самой большой известной площадью поверхности для синтетического ГА при использовании обычного способа определения методом адсорбции N. (Следует отметить, что Rudin et. al. (WO 02/02461) заявили, что они изготовили ГА с удельной площадью поверхности 920 м/г. Однако эти величины не сравнимы с величинами, полученными по стандартному способу адсорбции N.)
Поверхностно-активное вещество, использованное в настоящем изобретении в качестве задающего структуру агента при образовании кристаллического апатита, например частиц ГА, может функционировать также в качестве диспергирующего агента, стабилизирующего коллоидную суспензию, и в качестве смачивающего агента в случае, если желательна дисперсия частиц на объекте. Подходящие поверхностно-активные вещества для получения нанокристаллических фосфатов кальция это неионные поверхностно-активные вещества типа блок-поли(этиленгликоль)-блок-поли(пропиленгликоль)-блок-поли(этиленгликоль). Как указано выше, существуют несколько различных лиотропных жидкокристаллических структур или фаз. Тип получаемой фазы зависит от поверхностно-активного вещества, гидрофобной фазы (если она присутствует), применяемого давления, температуры, рН и концентраций, при этом существует возможность сдвига фазы посредством изменения одного или более из этих параметров. Эта особенность позволяет начать с одной определенной фазы поверхностно-активного вещества, осуществить желаемую реакцию в этой определенной заданной окружающей среде и изменить один или более параметр, чтобы перейти к другой фазе. Эта другая фаза может иметь иные свойства, желательные для производственного процесса, который может быть использован далее на другом этапе. Изменяя такие параметры, как температуры и концентрации поверхностно-активных веществ, можно приготовить желаемую фазу и по настоящему изобретению получить наночастицы, и осуществить переход к другой, более желательной, фазе, такой как стабильная суспензия. Далее, приготавливая системы поверхностно-активных веществ при известных термодинамических условиях, можно создать и сохранить эти системы. Это означает, что для этой фазы никогда не будет происходить процесс фазового разделения на соответствующие ее компоненты, даже если она будет сохраняться в течение длительного времени. Это свойство желательно, когда речь идет о практических задачах, таких как воспроизводимость продукта и производство.
Допустимый к использованию органический растворитель может быть выбран из большого числа различных растворителей, и примеры растворителей включают бутилацетат и п-ксилол.
Изобретение далее будет проиллюстрировано со ссылкой на примеры и чертежи, но следует подразумевать, что объем изобретения не ограничивается раскрытыми здесь подробностями.
Примеры
Пример 1
Получение порошка гидроксиапатита
Порошок изготовлен использованием жидкокристаллической фазы. Эта фаза состоит из поверхностно-активных веществ, воды и, возможно, гидрофобной фазы, которая представляет собой органический растворитель. Поверхностно-активные вещества, которые мы использовали, это так называемые блок-сополимеры со структурой ПЭГ-ППГ-ПЭГ (блок-поли(этиленгликоль)-блок-поли(пропиленгликоль)-блок-поли(этиленгликоль)). BASF производит серию этих полимеров под названием Pluronic, но химическая компания Aldrich также продает почти идентичные блок-сополимеры. Мы также реализовали приготовление гидроксиапатита по четырем различным рецептам, описанным в массовых процентах:
1) Обратная гексагональная фаза
2
3
4
3
2
15% Водный раствор: HO, НРО и Са(NО)
35% бутилацетат
50% Pluronic P123
2) Обратная гексагональная фаза
2
3
4
3
2
15% Водный раствор: НO, НРO и Са(NО)
15% п-ксилол
70% Pluronic L64
3) Кубическая фаза
2
3
4
3
2
50% Водный раствор: HO, НРO и Са(NО)
50% Pluronic F127
4) Гексагональная фаза
2
3
4
3
2
30% Водный раствор: НO, НРO и Са(NО)
70% Pluronic F127
Жидкокристаллическую фазу выдерживали несколько часов для достижения равновесия, перед тем как обработать в атмосфере аммиака. Аммиак осаждает гидроксиапатит, поскольку повышается рН водных доменов. По истечении четырех дней реакция закончилась, и поверхностно-активное вещество было удалено с помощью растворителя (например, этанола или толуола). Гидроксиапатит отфильтровали, промыли и сушили на воздухе. Благодаря тому факту, что кристаллизация происходит в очень маленьких водных доменах (диаметром 5-10 нм), присутствующих в жидкокристаллической фазе, порошок становится чрезвычайно мелкозернистым.
Как это видно из рецептов, к водяной фазе были добавлены растворимые концентрации фосфорной кислоты и нитрата кальция. Соотношение нитрата кальция и фосфорной кислоты всегда делали таким, чтобы отношение Са/Р составляло 1,67. В зависимости от того, какая концентрация нитрата кальция и фосфорной кислоты была добавлена, можно контролировать размер получаемых в результате кристаллов гидроксиапатита. Мы варьировали концентрации нитрата кальция и фосфорной кислоты (соблюдая отношение Са/Р равным 1,67) и при измерении получили следующие удельные площади поверхности:
Са(NО<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·4Н<sub>2</sub>О
Удельная площадь поверхности, м<sup>2</sup>/г
20 мас.%
80
10 мас.%
180
5 мас.%
220
2,5 мас.%
280
Все удельные площади поверхности, упомянутые в этом тексте, были измерены с помощью адсорбции азота, а именно с помощью прибора ASAP 2010 производства Micromeritics instruments.
Пример 2
Получение покрытия на поверхности - способ 1
Покрытие получено путем разбавления обработанной аммиаком жидкокристаллической фазы органическим растворителем, который должен быть не растворим в воде. Вместо удаления поверхностно-активных веществ и фильтрации порошка, как в примере 1, к жидкокристаллической фазе добавляли больше не растворимого в воде компонента. Таким образом, получают так называемую микроэмульсию типа вода в масле, в которой кристаллы гидроксиапатита существуют в растворе в мелких водяных каплях, диаметром приблизительно 10 нм. Для сохранения микроэмульсии важное значение имеет количество добавленного растворителя. Если добавлено слишком много растворителя, то гидроксиапатит выделяется и оседает в виде осадка. В рецепте с п-ксилолом и L64, чтобы получить микроэмульсию, мы добавили удвоенное количество п-ксилола по сравнению с массой жидкокристаллической фазы:
15 г водного раствора
215 г п-ксилола
70 г Pluronic L64
Когда такой металл, как титан, окунают в раствор, то гидроксиапатит прикрепляется к металлу вместе с поверхностно-активным веществом и органическим растворителем. После окунания образец сушат в течение получаса, чтобы органический растворитель испарился. Поскольку затем поверхностно-активное вещество выгорает при 550°С через 5 минут, то остается только чистый гидроксиапатит. Гидроксиапатит является полностью кристаллическим, и, кроме того, он имеет высокую удельную площадь поверхности. При использовании других способов, таких как плазменное распыление, получается толстый слой частично аморфного гидроксиапатита с низкой удельной поверхностью. Наша тепловая обработка проводилась в так называемой трубчатой печи, с продувкой образца газообразным азотом, предотвращая тем самым дальнейшее окисление титановой поверхности.
Описанный выше способ приготовления ГА-покрытия можно кратко описать следующим образом:
1. готовят жидкокристаллическую фазу и
2. помещают ее в атмосферу аммиака на 4 дня;
3. фазу разбавляют растворителем, чтобы приготовить раствор для покрытия;
4. поверхность, подлежащую нанесению покрытия, окунают в раствор для покрытия и сушат, чтобы воссоздать на поверхности жидкокристаллическую фазу;
5. поверхность помещают в печь под газообразным азотом на 5 минут для удаления поверхностно-активного вещества.
Пример 3
Получение покрытия на поверхности - способ 2
Покрытие получали путем разбавления жидкокристаллической фазы, которая не была обработана в атмосфере аммиака, органическим растворителем, который должен быть не растворим в воде. Получена микроэмульсия типа вода в масле, но поскольку жидкокристаллическая фаза не была предварительно подвергнута действию аммиака, то в водяных каплях микроэмульсии не присутствуют кристаллы гидроксиапатита. Вместо этого водяные капли содержат кальцийсодержащий и фосфорсодержащий предшественники. Состав микроэмульсии идентичен составу из примера 2:
15 г водного раствора
215 г п-ксилола
70 г Pluronic L64
Описанный выше способ приготовления покрытия из ГА можно кратко описать следующим образом:
1. готовят жидкокристаллическую фазу и
2. разбавляют ее растворителем, чтобы получить раствор для покрытия;
3. поверхность, подлежащую нанесению покрытия, окунают в раствор для покрытия и сушат, чтобы воссоздать на поверхности жидкокристаллическую фазу, и
4. помещают ее в атмосферу аммиака на 20 минут;
5. поверхность помещают в печь под газообразным азотом на 5 минут, чтобы удалить поверхностно-активное вещество.
Основное различие между двумя альтернативными способами приготовления нанокристаллического покрытия на поверхности состоит в том, что в последнем случае жидкокристаллическую фазу не обрабатывают аммиаком в течение 4 дней. Вместо этого поверхность обрабатывают аммиаком после окунания, при этом рН повышается и ГА осаждается на поверхности. Заключительный этап удаления поверхностно-активных веществ в печи одинаков в обоих способах. Способы дают один и тот же результат, но последний способ осуществляется за более короткое время.
Можно покрывать гидроксиапатитом поверхности, отличные от металлических, при условии, что на этих поверхностях имеется оксидный слой (в противном случае гидроксиапатит из микроэмульсии не будет удовлетворительно прикрепляться к субстрату) и материал выдерживает термическую обработку. Примеры материалов, пригодных для нанесения покрытия из ГА, включают металлы, такие как нержавеющая сталь и титан, и керамику, такую как оксид циркония, и обычное стекло.