Способ получения биосовместимых висмут-апатитов
METHOD FOR OBTAINING BIOCOMPATIBLE BISMUTH-APATITES

Изобретение относится к неорганической химии, касается способа получения биосовместимых висмут-апатитов, которое может быть использован в медицине, в том числе в стоматологии, для производства медицинских керамических материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, а также обеспечивающих защиту от развития бактериальных инфекций.
Одним из самых серьезных последствий хирургического вмешательства является возникновение перипротезной инфекции. Перипротезная инфекция (ППИ) представляет собой одну из наиболее серьезных и часто встречающихся последствий операций по замене суставов. Перипротезная инфекция является второй по частоте причиной ревизии эндопротезов тазобедренного и коленных суставов. Частота ППИ составляет около 1% после первичных вмешательств и возрастает до 10% после ревизионных операций. Причиной развития данного осложнения в большинстве случаев является интраоперационное инфицирование, реже - гематогенное.
Использование антибактериального агента в составе материала имплантатов позволит минимизировать риск возникновения инфекций после оперативного вмешательства и, соответственно, снизить вероятность вторичной операции. Использование висмута, включенного в кристаллическую структуру материала имплантата, позволит увеличить срок антимикробного эффекта от такого материала, при этом не вызывая негативных последствий для организма в целом в виду прочному химическому связыванию висмута в кристаллической решетке. Таким образом, ожидается использование описываемого подхода для получения веществ, на основе которых будут создаваться керамические биоматериалы или покрытия металлических биоматериалов.
2
Известен состав для пломбирования зубов и цементирования зубных протезов (RU 2097015 C1, кл. А61К 6/06, опубл. 27.11.1997), включающем шихту, содержащую белила цинковые, окись магния, окись висмута, песок кварцевый, молибдат аммония. Согласно изобретению, шихта дополнительно содержит гидроксид кальция и фторид натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: окись магния 9,40 - 10,00; окись висмута 2,00 - 4,00; песок кварцевый 3,00 - 3,50; молибдат аммония 2,40 - 3,50; гидроксид кальция 0,10 - 0,50; фторид натрия 0,10 - 0,50; белила цинковые - остальное. В результате спекания шихты, частицы введенных гидроксида кальция Ca(OH) и фторида натрия NaF насыщают до нужных пределов оксид молибдена, который остается после сгорания аммония и воды. Полученные комплексы молибдена образуют длинные полимерно-неорганические цепи, которые обогащают шихту материала необходимым свойством, воздействующим на регенерацию поврежденных твердых тканей зуба дентин и эмаль. Компоненты шихты подвергают обжигу при температуре 980-1000°C в течение 16-18 ч, расплав охлаждают в проточной воде и измельчают в шаровой мельнице до определенного размера частиц (30 10 мкм). Полученную порошковую фракцию состава просеивают и фасуют. Изобретение обеспечивает придание материалу регенеративных свойств при сохранении высоких физико-механических показателей. В данном изобретении не указан фазовый состав конечного продукта. Кроме того, введение оксида висмута, как и ряда других добавок, осуществляется с целью придания материалу регенеративных свойств при сохранении высоких физико-механических показателей.
В способе получения микрогранул на основе гидроксиапатита кальция (RU 2002128981 A, С01В 21/32, опубл. 10.06.2004) используют смешивание гидроксида кальция и монозамещенного фосфата кальция, моногидрата, в мольном соотношении Са/Р=1,67, добавлении к этой смеси водного раствора, содержащего гидрогель с концентрацией полимера 0,01-10,0 мас.%, перемешивании данных веществ при температуре 20-41°С при нейтральном значении рН 6,8-7,2 с последующем фильтрованием и высушиванием осажденного конечного продукта в виде микрогранул при температуре 105-160°С. В данном случае в качестве неорганического вещества для медицинских целей получают гидроксиапатит, но в качестве антимикробного агента используют органические вещества - алкилрезорцинолы.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения катионзамещенного фосфата кальция, защищенный патентом RU 2607743 C1, кл. С01В 21/32, С01F11/00, C01F1/00, D82B3/00, опубл. 10.01.2017, принятый за ближайший аналог (прототип).
В способе по прототипу катионзамещенный трикальцийфосфат получают путем осаждения средних фосфатов кальция, образующихся при сливании и постоянном перемешивании водных растворов нитрата кальция и двухзамещенного фосфата аммония, взятых в мольном соотношении 3:2, при рН 7,0, с последующим фильтрованием образовавшегося осадка и его термической обработкой при температурах 700-1300°C. Согласно изобретению к реакционной смеси добавляют рассчитанное количество растворов солей нитратов, или ацетатов, или хлоридов следующих элементов: железа, цинка, меди, натрия, калия, стронция, бария, висмута, кремния, при следующем соотношении реагентов, мол.%:
нитрат кальция - 40-59,9,
двухзамещенный фосфат аммония - 40,
соль железа, цинка, меди, натрия, калия, стронция, бария, висмута, кремния - 0,1-20.
Образующиеся после термической обработки при 700-1300°C порошки характеризуются однородным фазовым составом, соответствующим структуре витлокита, высокодисперсным состоянием с размером частиц от 20 нм до 2 мкм и антимикробной активностью.
В данном случае используется внедрение висмута в кристаллическую структуру сложного фосфата, подобного по кристаллической структуре рассматриваемым апатитам.
Недостатком данного способа является формирование фосфата кальция, отличного по кристаллической структуре от материала костной ткани (гидроксиапатита), и отсутствие висмута в конечном продукте.
В задачу изобретения положено создание нового способа получения биосовместимых  висмут-апатитов.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является упрощение изготовления, сокращение времени производства.
10-2x
x
x
4
6
2
Это достигается тем, что способ получения биосовместимых висмут-апатитов состава CaBiNa(PO)F, где x=1,2,3,4, включает помещение в алундовый тигель стехиометричной смеси четырехводного нитрата кальция, пятиводного нитрата висмута, нитрата натрия, гидрофосфата диаммония и фторида аммония, после чего  тигель помещают в муфельную печь с закрытой спиралью и нагревают до температуры 300-350°С со скоростью 3-5 град/мин до окончания дегидратации исходных кристаллогидратов и термического разложения используемых реагентов, затем тигель охлаждают до комнатной температуры и шихту диспергируют в агатовой ступке с использованием этилового спирта для создания дополнительного расклинивающего давления, полученный монодисперсный порошок помещают в тигель и прокаливают до 600-670°С со скоростью 5-7 град/мин с диспергированием каждый час в течение 10 минут, далее смесь прокаливается в алундовом тигле при температуре 950-1100°С в течение 7-9 часов; стехиометричную смесь гомогенизируют путем диспергирования в агатовой ступке в течение 10 минут и прокаливанием при температурах 300-350 и 950-1100°С; используют алундовый тигель формы «стакан» или формы «лодочка».
10-2x
x
x
4
6
2
На фиг. 1. представлены порошковые рентгенограммы полученных веществ состава CaBiNa(PO)F , где x = 1,2,3,4.
8
4
6
2
На фиг. 2. представлены АСМ фотография и спектр поверхности образца CaBiNa(PO)F.
Предлагаемый способ получения висмут-апатитов осуществляют следующим образом.
Способ получения висмут-содержащего апатита подразумевает проведение химической реакции в твердой фазе. Для этого берут стехиометричные соотношения четырехводного нитрата кальция, пятиводного нитрата висмута, нитрата натрия, гидрофосфата диаммония и фторида аммония. Смесь гомогенизируют путем диспергирования в агатовой ступке в течение 10 минут. Затем полученную смесь помещают в алундовый тигель и подвергают ступенчатому нагреванию в муфельной печи в интервале температур от 25 до 1100°С с диспергированием шихты каждые 10 минут или 2 часа в зависимости от температурного режима.
На одну массовую часть фторида аммония берут 10.70 мас. частей гидрофосфата аммония, 1.15x частей нитрата натрия, 6.55х мас. частей пятиводного нитрата висмута, 3,19⋅(10-2х) мас. частей четырехводного нитрата кальция (х может принимать целые и дробные значения в интервале от 1 до 5).
Процесс синтеза можно описать следующим уравнением химической реакции:
3
2
2
3
3
2
3
4
2
4
4
(10-2x) Ca(NO)⋅4HO + x Bi(NO)⋅5HO + x NaNO + 6 (NH)HPO + 2 NHF →
10-2x
x
x
4
2
2
3
2
2
→ CaBiNa(PO)6F + (50-3x) HO + 14 NH + 20 NO + 5O
Контроль полноты протекания химической реакции осуществляют методом порошковой рентгенографии. Характерные виды полученных дифрактограмм представлены на фиг. 1.
Дополнительный контроль элементного состава осуществляют методом зондовой микроскопии. На фиг. 2 представлен спектр и микрофотография участка поверхности одного из полученных образцов.
Для оценки цитотоксичности материала использовали стандартный МТТ - тест. В качестве тестовой культуры использовали культуру дермальных фибробластов человека 4-5 пассажа. Культура был стерильна, микоплазмами и вирусами не контаминирована. Жизнеспособность клеток в культуре перед вводом в эксперимент составляла 97%. Относительную интенсивность роста клеток (ОИР) определяли по следующей формуле:
ОИР (%) = (средняя ОП в тестовой культуре - 100) / (средняя  ОП в контроле),
где ОП - оптическая плотность
Полученные данные оценивали, ориентируясь на ранговую шкалу оценки цитотоксичности. Результаты представлены в табл. 1
В качестве контроля используется та же клеточная культура, но без добавления каких-либо дополнительных веществ.
Таблица 1
10-2x
x
x
4
6
2,
Оценка цитотоксичности материалов (экстракция 7 сутки) CaBiNa(PO)F
где x = 1,2,3,4.
Материал
х
1
2
3
4
Контроль(n=8)
ОП(М±m)
0,210±0,026
0,242±0,025
0,257±0,053
0,251±0,041
ОИР, %
100
100
100
100
Уровень цитотоксичности
0
0
0
0
Экстракт(n=8)
ОП(М±m)
0,246±0,045
0,227±0,033
0,319±0,044
0,261± 0,038
ОИР, %
117
94
124
102
Уровень цитотоксичности
0
0
0
0
Экстракт 1:1(n=8)
ОП(М±m)
0,279±0,027
0,284±0,019
0,297±0,035
0,300±0,036
ОИР, %
133
117
116
120
Уровень цитотоксичности
0
0
0
0
Экстракт 1:2(n=8)
ОП(М±m)
0,249±0,026
0,290±0,019
0,293±0,031
0,307±0,034
ОИР, %
119
120
114
122
Уровень цитотоксичности
0
0
0
0
Экстракт 1:3(n=8)
ОП(М±m)
0,261±0, 021
0,260±0,03
0,254±0,023
0,271±0,043
ОИР, %
124
107
99
108
Уровень цитотоксичности
0
0
1
0
Экстракт 1:4(n=8)
ОП(М±m)
0,243±0,008
0,343±0,035
0,272±0,027
0,240±0,020
ОИР, %
115
142
106
96
Уровень цитотоксичности
0
0
0
1
Примечание: *р<0,05 критерий Вилкоксона
Таким образом, полученные данные демонстрируют отсутствие цитотоксичности всех исследованных образцов материалов, т.к. во всех сериях ранг цитотоксичности составляет 0 - 1.
Использование матрицы в виде кристаллохимического аналога нативной костной ткани человека обеспечит совместимость материала на основе описываемого вещества с костной тканью при имплантации. Модификация исходного апатита ионам натрия необходима для улучшения свойств остеогенеза материала, фтора - для возможности использования в стоматологии и придания стабильности материалe в химически активной среде организма человека, висмута - для обеспечения антимикробной активности.
Использовании нитратов кальция и висмута вместо оксидов соответствующих элементов позволяет значительно ускорить процесс получения целевого продукта за счет формирования мелкодисперсных соответствующих оксидов с высокой степенью дефектности кристаллической структуры непосредственно в реакционной среде.
Ниже представлены примеры конкретного осуществления предлагаемого изобретения.
Пример 1.
В алундовый тигель формы «стакан» размерами 55 мм х 42 мм помещали 1.4605 г четырехводного нитрата кальция, 1,0000 г пятиводного нитрата висмута, 0,1752 г нитрата натрия, 0,8167 г гидрофосфата диаммония и 0,0764 г фторида аммония. Тигель помещали в муфельную печь с закрытой спиралью и нагревали до температуры 300-350°С со скоростью 3-5 град/мин. Затем тигель охлаждали до комнатной температуры и шихту диспергировали в агатовой ступке с использованием этилового спирта для создания дополнительного расклинивающего давления. Полученный монодисперсный порошок помещали в тигель и нагревали до 600-670°С со скоростью 5-7 град/мин с диспергированием каждый час в течение 10 минут. Далее смесь прокаливается в алундовом тигле при температуре 950-1100°С в течение 7-9 часов.
Пример 2.
Получение висмут-апатита осуществляют аналогично примеру 1, только вместо тигля стандартной формы используют тигель формы «лодочка», что позволяет увеличить площадь соприкосновения реакционной шихты с атмосферой для более простого отвода газообразных продуктов реакции. Полученные висмут-апатиты характеризуются одинаковой степенью чистоты и морфологией поверхности, что свидетельствует об отсутствии влияния формы и объема тигля для проведения реакции с указанными количествами веществ.