СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНОГО КАЛЬЦИЙ-ДЕФИЦИТНОГО КАРБОНАТСОДЕРЖАЩЕГО ГИДРОКСИАПАТИТА
METHOD OF PRODUCING NANO-SIZED CALCIUM-DEFICIENT CARBONATE-CONTAINING HYDROXYAPATITE

д
Изобретение относится к способам получения высокочистых порошков наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита (далее Са-КГА), которые могут быть использованы для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии, и в качестве сорбентов для адсорбции ионов тяжелых металлов.
10
4
6
2
В настоящее время синтетический гидроксиапатит Ca(PO)OH (далее ГА) и материалы на его основе находят широкое применение в стоматологии, реконструктивно-восстановительной костной хирургии, ортопедии в качестве заменяющего материала для поврежденных зубов и костей [Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of HA-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants //J. Mater. Res. Soc. 1998. V.13. №1. P.94-103]. Многочисленные исследования подтверждают биологическую совместимость ГА с организмом, а также его близкие показатели физических и химических свойств [Bauer I W, Li S. P., Han Y. C. and Yin L. M. Internalization of hydroxyapatite nanoparticles in liver cancer cells //J Mater Sci: Mater Med. 2008. V.19. P.1091-1095.; Abdel-Gawad E. I. and Awwad S. Biocompatibility of Intravenous Nano Hydroxyapatite in Male Rats //Nat. and Sci.2010.V.8. P.60-68].
Благодаря высокой адсорбционной способности по отношению к ионам тяжелых металлов в настоящее время материалы на основе ГА представляют большой интерес к использованию в качестве сорбентов для решения таких экологических проблем как очистка сточных вод, утилизация промышленных отходов, восстановление загрязненных почв [Janga, S. H., Jeonga,Y.G., Mina, B.G., Lyoob, W.S. and Leea, S.L. Preparation and lead ion removal property of hydroxyapatite polyacrylamide composite hydrogels //J. Hazardous Materials. 2008. V.159. P.294-3002]. Кроме того, гидроксиапатиты могут успешно применяться для извлечения ионов тяжелых металлов из крови и восстановления функциональности печени и почки [Removal of Lead Nitrate Toxicity //Journal of American Science. 2011. Vol.7. №.1. P. 105-119 Abdel-Gawad E.I., Awwad S.A. In-vivo and in-vitro prediction of the efficiency of Nano-Synthesized Material in].
-
3-
4
10
4
6
2
Было установлено, что ГА в живых организмах не находится в чистом виде, а всегда содержит в своей структуре примеси, преимущественно карбонат-ионы, благодаря их способности адаптироваться к постоянно меняющимся условиям внутренней среды. Карбонатные группы, содержащиеся в кости (около 4-8% по массе), находятся в нестабильном положении, замещая либо ОН-группы (А-тип замещения), либо (РО)-группы (В-тип замещения). Для костной ткани характерен смешанный АВ-тип замещения [Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука 2005. 204c]. По результатам исследований ряда работ выяснено, что в костях и зубах ГА не является чистым, стехиометрическим Ca(PO)(OH) с молярным соотношением Ca/P=10/6=1,67 [Elliott, J. C. Structure and chemistry of the apatites and other calcium orthophosphates //Elsevier: Amsterdam, Holland. 1994. 404p; Dorozhkin, S. V. Calcium orthophosphates //J. Mater. Sci. 2007. V.42. P.1061-1095; Dorozhkin, S. V. Calcium orthophosphates in nature, biology and medicine //Materials. 2009. V.2. P.399-498].
3
В основном можно считать, что апатит биологического происхождения является кальций-дефицитным карбонатсодержащим с молярным соотношением Ca/(P+CO)<1,67.
В связи с вышеизложенным синтез высокобиосовместимого наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита для медицинских целей, а также в качестве высокоэффективного сорбента ионов тяжелых металлов для детоксикации организма человека и восстановления окружающей среды является весьма актуальным.
Известен способ получения карбонатсодержащего гидроксиапатита (далее КГА) по патенту EP 0722772 A1, опубликованному 24.07.1996 г., путем нагрева стехиометрического ГА в среде углекислого газа из атмосферного воздуха при примерно 900°С в течение несколько дней. Это трудно контролируемый процесс, который, с одной стороны, приводит к получению КГА с низким коэффициентом замещения, с другой стороны, не всегда получают однофазные образцы. При этом карбонат-анионы замещаются в неоптимальные позиции т.е. в А-позиции, а не в В-позиции, что соответствует получению биомиметического материала подобного биоапатиту.
3
2
2
4
2
4
3
4
+
+
Известен также способ получения КГА методом осаждения из водных растворов, описанный в источнике J. C. Merry, I. R. Gibson, S. M. Best, W. Bonfield. Synthesis and characterization of carbonate hydroxyapatite (Journal of materials science: materials in medicine. 1998. V.9. P.779-783.), где в качестве источника ионов кальция и фосфат-ионов использовали четырехводный нитрат кальция - Са(NO)·4HO и гидрофосфат аммония - (NH)HPO. Реакцию проводили при температуре 20°С, а рН поддерживали на уровне ≥ 11 за счет добавления раствора гидроксида аммония. Источником карбонат-ионов являлся гидрокарбонат натрия NaHCO, который добавлялся к раствору гидрофосфата аммония до синтеза. Синтез осуществляли добавлением по каплям смеси растворов гидрофосфата аммония и гидрокарбоната натрия к раствору нитрата кальция. Полученную суспензию ставили для старения на 24 часа. Затем осадок тщательно промывали дистиллированной водой, отфильтровали под вакуумом с последующим высушиванием и измельчением. Недостатками данного способа являются низкая термостабильность продукта при обжиге/спекании, т.е. потеря больших количеств ионов карбоната при нагревании, и трудность за контролем степени замещения карбоната. Кроме того, полученные частицы КГА имеют большой размер и, следовательно, низкую удельную поверхность, а также происходит негативное дополнительное замещение ионов Naили NH в структуре гидроксиапатита.
В патенте EP 0722773 A1 (опубликован 24.07.1996 г.) описан метод получения КГА А-типа, у которого карбонат-анионы замещались только по позиции ОН-групп в структуре ГА. К недостатку данного метода относится несходство по структуре полученных образцов к биоапатиту природной кости.
3
2
3
2-
+
В патенте EP 0625490 A1 (опубликован 23.11.1994 г.) предложен метод получения КГА, который имеет молярное соотношение Са/Р близко к 1,66. В качестве источника ионов СО использовали NaCO. Недостаток данного метода состоит в том, что вместе с карбонат-ионами в кристаллической решетке ГА идет нежелательное примесное замещение катионов Na.
3
В патенте WO1994008458 A1 (опубликован 28.04.1994 г.) описан способ получения КГА, где исходные реагенты смешивали так, чтобы сформировать гидроксиапатитный цемент при комнатной или физиологической температуре. Источником карбонат-ионов является твердый карбонат кальция СаСО. Полученный материал представляет собой низкокристаллический или аморфный апатит, который содержит нежелательные ионы натрия.
2
3
4
3
3
3
2-
Патент EP 0342932 A1 (опубликован 23.11.1989 г.) описывает способ получения КГА путем добавления Ca(OH) и СаСО к суспензии CaHPO. Ионы CO , которые вводятся в реакционную смесь, находятся в виде нерастворимого CaCO, а не в виде раствора. Молярное соотношение Са/Р согласно этому патенту всегда меньше 1,67. После спекания при температуре от 1000°С до 1100°С содержание карбоната полученного материала уменьшается менее 0,1%. Недостаток данного метода заключается в том, что полученный продукт содержит в своем составе примесь CaCO и высокая температура спекания.
В патенте WO 2001083367 A2 (опубликован 08.11.2001 г.) получали КГА путем выдерживания кальция фосфата в сверхкритическом или конденсированном диоксиде углерода. Недостатком данного способа являются техническая сложность и крайне высокая стоимость, которые не позволяют организовать массовое производство продукта.
3
4
3
2
4
3
2-
3-
2+
2-
+
+
2-
Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в патенте US 6582672B1 (опубликован 24.06.2003 г. ). Указанный способ получения монофазного КГА включает синтез КГА методом осаждения при рН 10,5-11 путем смешения водных растворов реагентов, содержащих ионы СО , РО  и Са. Причем реагенты вводятся в реакционную смесь при условии обеспечения молярного соотношения Са/Р выше 1,67, содержание СО , замещенного в Б-позиции или в А и Б позициях, не должно быть выше 5%. Углекислый газ барботируют в деионизированную воду в течение 30 минут, затем к этому раствору прибавляют ортофосфорную кислоту. В полученную смесь при постоянном перемешивании добавляют по каплям суспензию Са(ОН) со скоростью 5,5 мл/мин, рН реакционной смеси поддерживают в интервале 10,5-11 путем добавления концентрированного аммиака. Полученную суспензию после синтеза продолжают перемешивать в течение 2 часов и затем оставляют для старения около 12 часов. Вся реакция проходит при комнатной температуре. Осадок фильтруют, промывают дистиллированной водой для удаления избытка аммиака с последующим высушиванием при 80°С в течение 12 часов. После чего высушенный фильтр-корж извлекают, измельчают в мелкий порошок. Частицы порошка имеют средний размер ниже 100 мкм. Это способ позволяет получать монофазовый карбонатсодержащий гидроксиапатит, не содержащий ионы Na, NH . Основными недостатками данного способа являются низкое содержание карбонат-ионов, трудность точного контроля степени замещения СО , а кристаллохимическая формула полученного карбонатсодержащего гидроксиапатита не соответствует формуле кальций-дефицитного гидроксиапатита. Кроме того, частицы КГА, полученные данным методом, имеют большой средний размер около 100 мкм.
3
2-
Задачей данного изобретения является разработка способа получения монофазного наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита наиболее близкого по химическому составу и структуре к природной кости с высокими биоактивностью и удельной поверхностью при молярном соотношении Са/(Р+СО )<1,67.
Технический результат:
д
10-d
4
6-x
3
x
2+x-2d
2+
- получение монофазного продукта Са-КГА наиболее близкого по химическому составу и структуре к природной кости формулы Ca(PO)(CO)(OH), где d - степень дефицитности Са; х - коэффициент или степень замещения карбоната в интервале от 0,76 до 1,21, а массовое содержание карбонат-ионов от 5% до 8%;
д
3
2-
2
- в полученном Са-КГА молярное соотношение Са/(Р+СО )<1,67, средний размер кристаллов от 8 нм до 70 нм, удельная поверхность 90-200 м/г, что обеспечивает повышенную биоактивность и адсорбционную способность готового продукта.
д
3
4
2-
3-
2+
Для решения поставленной задачи получения монофазного наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита предложен способ получения Са-КГА, включающий синтез путем осаждения из водного раствора реагентов, содержащих ионы СО , РО  и Са, отстаивание при комнатной температуре для завершения процесса фазообразования, выделение осадка и высушивание до постоянной массы с последующем измельчением.
Способ включает следующие новые признаки:
3
2-
- готовят водный раствор композиции гидроксид кальция/карбонат аммония с использованием 0,08-0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция и расчетного количества карбоната аммония для получения готового продукта с массовым содержанием карбонат-ионов от 5 до 8 мас.% и молярным соотношением Са/(Р+СО ) ниже 1,67;
- приливают раствор ортофосфорной кислоты со скоростью 0,5-5 мл/мин на литр водного раствора к композиции гидроксид кальция/карбонат аммония;
- рН реакционной смеси поддерживают выше 11.
3
3
2-
2-
В качестве поставщика ионов СО использовали карбонат аммония, который позволяет более точно контролировать содержание СО в полученном продукте и вносит вклад в поддержание значения рН реакционной смеси.
4
2
3
Количество карбонат-ионов в продукте составляет от 5 до 8 мас.%, что соответствует оптимальному содержанию карбонат-ионов в природной кости. При этом не требуется проведения контроля содержания карбонат-ионов, что обусловливается точной навеской (NH)CO.
Скорость приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты менее 0,5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксида кальция и карбоната аммония нецелесообразна из-за крайне большой длительности процесса синтеза.
Скорость приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты более 5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксида кальция и карбоната аммония приводит к возможности получения продукта с большой дефектностью в структуре, т.к. при быстром приливании кислоты карбонат-ионы не успевают встраиваться в структуру гидроксиапатита, большая часть их адсорбируется на поверхности образовавшихся кристаллов.
3
3
3
4
2
2-
Молярное соотношение Са/(Р+СО ) выше или равно 1,67, нецелесообразно из-за того, что не дает возможность получить кальций-дефицитный карбонатсодержащий гидроксиапатит и может приводить к появлению побочных продуктов, например СаСО, Са(РО).
3
2-
Если молярное соотношение Са/(Р+СО ) меньше 1,67 вызывается не из-за дефицита Са, а из-за увеличения содержания замещенных карбонат-ионов в дополнительных позициях, то структура полученного гидроксиапатита не соответствует структуре природной кости.
Значение рН реакционной смеси, поддерживающееся выше 11 благодаря использованию насыщенного раствора гидроксида кальция и карбоната аммония, обеспечивает большое количество гидроксильных групп, что позволяет получить продукт с более завершенной структурой.
Теоретическое обоснование предложенного изобретения заключается в следующем.
Карбонатсодержащие кальций-дефицитные гидроксиапатиты могут быть представлены формулой:
10-d
4
6-x
3
x
2+x-2d
3
2+
2-
Ca(PO)(CO)(OH), где d - степень дефицитности Са; х - коэффициент или степень замещения СО .
3
3
2-
2-
При этом наличие 5-8 мас.% карбоната в составе костной ткани является принципиально важным для формирования полноценной естественной кости с требуемыми строением и функционалом. Для обеспечения необходимого содержания карбоната и кальция в синтетическом карбонатсодержащем гидроксиапатите степень замещения СО  в синтезируемом продукте должна быть в пределах х=0,76-1,21, а молярное соотношение Са/(Р+CO ) ниже 1,67.
4
2
3
В предлагаемом способе источником карбонат-ионов является (NH)CO, который добавляют в раствор гидроксида кальция. В результате диссоциации в реакционную смесь поступают свободные карбонат-ионы по реакции:
4
2
3
4
3
+
2-
(NH)CO→2NH +CO (1)
3
2-
2+
Далее свободные ионы CO сразу вступают в реакцию с избытком ионов Сас образованием малорастворимого карбонат кальция по реакции:
2+
2-
3
3
Са+СО  → СaCO↓ (2)
и тем самым уходят из реакционного объема.
Затем в реакционную смесь начинают с заданной скоростью дозировать раствор ортофосфорной кислоты. В этот период происходит формирование промежуточного продукта - аморфного фосфата кальция
2+
3-
4
3
4
2
3Са+2PО  → Сa(PO)↓ (3)
Аморфный фосфат кальция затем трансформируется в термодинамически наиболее устойчивое и самое малорастворимое соединение в системе:
2
5
2
гидроксиапатит СаО-РO-НO.
3
3
4
2
3
2-
Поскольку CaCO является наиболее растворимым соединением в этом ряду, то по мере формирования новой фазы Са(РO) и далее ГА карбонат кальция начинает растворяться с высвобождением в объем раствора ионов CO . Новообразующаяся фаза фосфата кальция, адсорбируя карбонат-ионы и гидроксильные ионы, образует карбонатсодержащий гидроксиапатит.
3
3
2+
2-
СaCO↓ → Са+СО  (4)
3
4
2
3
10-d
4
6-x
3
x
2+x-2d
2+
2-
-
(3-x/2)Сa(PO)+(1-d+3x/2)Са+xСО +(2+x-2d)OH → Ca(PO)(CO)(OH)(5)
Предложенный способ характеризуют следующие фигуры.
д
3
3
2-
2-
Фиг. 1. Дифрактограмма РФА образца Са-КГА с молярным соотношением Са/(Р+СО )=1,50, полученного при степени замещения карбоната х=0,76 и содержании СО равном 5 мас.%;
д
3
3
2-
2-
Фиг. 2. Ик-спектр образца Са-КГА с молярным соотношением Са/(Р+СО )=1,50, полученного при степени замещения карбоната х=0,76 и содержании СО равном 5 мас.%;
д
3
3
2-
2-
Фиг. 3. Дифрактограмма РФА образца Са-КГА с молярным соотношением Са/(Р+СО )=1,67, полученного при степени замещения карбоната х=1,21 и содержании СО равном 8 мас.%.
α
Фиг. 1 и 3 были получены на дифрактометре Rigaku Ultima IV (Япония) с детектором D/teX Ultra. Съемку проводили в кварцевых кюветах в режиме на отражение (геометрия Брегга-Брентано) с использованием Cu K-излучения (длина волны λ=1.54178 ). Параметры работы генератора: ускоряющее напряжение 40 кВ, ток трубки 250 мА. Параметры съемки интервал углов 2θ=5-85°, шаг по 2θ=0.02°, скорость регистрации спектров 3°/мин. Качественный анализ полученных рентгенограмм и профильный анализ спектров, определение значений параметров решетки проводили с помощью программы PDXL Qualitative Analysis при использовании баз данных ICDD (PDF 2008).
1
Фиг. 2 была снята на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 6700 (Thermo Electron Corporation, США) с детектором МСТ-А (50 мкм). ИК-спектры поглощения образцов регистрировали в диапазоне 400-4000 см со следующими параметрами: число сканов пробы 32; число сканов 32; разрешение 4,000; усиление 8,0; скорость зеркала 0,6329; диафрагма 100,00. Анализ полученных ИК-спектров, определение значений волновых чисел проводили с помощью программного комплекса OMNIC (версия 7.3) при использовании автофильтра, базовой коррекции.
Описание способа поясняется примерами.
Пример 1
9
4
5,24
3
0,76
0,76
3
3
2-
2+
2-
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са(PO)(CO)(ОН) с молярным соотношением Са/(Р+CO )-1,50, степенью дефицитности Са d=1 и степенью замещения карбоната x=0,76, что соответствует около 5 мас.% CO , в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
4
2
3
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,1753 г (NH)CO.
3
4
2
4
2
3
д
Затем 11,69 мл 10%-ного раствора HPO помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 0,5 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН) и (NH)CO в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
д
3
3
д
3
2-
2-
2-
Дифрактограмма РФА полученного образца Са-КГА с молярным соотношением Са/(Р+CO )=1,50, полученного при степени замещения карбоната х=0,76, что соответствует 5 мас.% CO , представлена на фиг. 1, ИК-спектр образца Са-КГА с молярным соотношением Са/(Р+CO )=1,50 и х=0,76 представлен на фиг. 2.
Пример 2
9
4
5
3
1
1
3
3
2-
2+
2-
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са(PO)(CO)(ОН) с молярным соотношением Са/(Р+CO ) - 1,50, степенью дефицитности Са d=1 и степенью замещения карбоната х=1,0, что соответствует около 6,5 мас.% CO , в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 20 мас.%.
4
2
3
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2306 г (NH)CO.
3
4
2
4
2
3
д
Затем 5,54 мл 20%-ного раствора HPO помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 1 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН) и (NH)CO в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Пример 3
9
4
4,79
3
1,21
1,21
3
3
2-
2+
2-
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са(PO)(CO)(ОН) с молярным отношением Са/(Р+CO ) - 1,50, степенью дефицитности Са d=1 и степенью замещения карбоната х=1,21, что соответствует около 8,0 мас.% CO , в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,08 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
4
2
3
Навеску гидроксида кальция массой 0,8 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,08%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,1394 г (NH)CO.
3
4
4
2
3
2
4
2
3
д
Затем 5,35 мл 10%-ного раствора HPO помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/(NH)CO, со скоростью 3,5 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН) и (NH)CO в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Пример 4
9,36
4
5,24
3
0,76
1,48
3
3
2-
2+
2-
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са(PO)(CO)(ОН) с молярным соотношением Са/(Р+CO ) - 1,56, степенью дефицитности Са d=0,64 и степенью замещения карбоната х=0,76, что соответствует около 5,0 мас.% CO , в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 15 мас.%.
4
2
3
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,1685 г (NH)CO.
3
4
2
4
2
3
д
Затем 7,31 мл 15%-ного раствора HPO помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 1 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН) и (NH)CO в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Пример 5
9,36
4
5
3
1
1,72
3
3
2-
2+
2-
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са(PO)(CO)(ОН) с молярным соотношением Са/(Р+CO ) - 1,56, степенью дефицитности Са d=0,64 и степенью замещения карбоната x=1,0, что соответствует около 6,5 мас.% CO , в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
4
2
3
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2218 г (NH)CO.
3
4
2
4
2
3
д
Затем 10,75 мл 10%-ного раствора HPO помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 5 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН) и (NH)CO в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм
Пример 6
9,36
4
4,79
3
1,21
1,93
3
3
2-
2+
2-
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са(PO)(CO)(ОН) с молярным соотношением Са/(Р+CO ) - 1,56, степенью дефицитности Са d=0,64 и степенью замещения карбоната х=1,21, что соответствует около 8,0 мас.% CO , в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
4
2
3
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2683 г (NH)CO.
3
4
2
4
2
3
д
Затем 10,29 мл 10%-ного раствора HPO помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 2 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН) и (NH)CO в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
Пример 7
3
3
2-
2-
Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы с молярным соотношением Са/(Р+CO ) - 1,67 и степенью замещения карбоната х=1,21, что соответствует около 8,0 мас.% CO , в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.
4
2
3
Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2511 г (NH)CO.
3
4
2
4
2
3
д
Затем 9,64 мл 10%-ного раствора HPO помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 1 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН) и (NH)CO в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.
д
3
3
2-
2-
Дифрактограмма РФА образца Са-КГА с молярным соотношением Са/(Р+CO )=1,67, полученного при степени замещения карбоната х=1,21, что соответствует 8 мас.% CO , представлена на фиг. 3.
Физико-химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-7, приведены в табл.1.
Таблица 1Физико-химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-7
Образец
Массовая доля СО<sub>3</sub> <sup>2-</sup>, %
Степень замещения СО<sub>3</sub> <sup>2-</sup>, х
Молярное соотношение Са/(Р+СО<sub>3</sub> <sup>2-</sup>)
Количество фаз
Параметры решетки, нм
Ось - а
Ось - с
Пример 1
5
0,76
1,50
1
9,418
6,901
Пример 2
6,5
1,0
1,50
1
9,424
6,905
Пример 3
8
1,21
1,50
1
9,415
6,908
Пример 4
5
0,76
1,56
1
9,428
6,906
Пример 5
6,5
1,0
1,56
1
9,434
6,895
Пример 6
8
1,21
1,56
1
9420
6,911
Пример 7
8
1,21
1,67
2
9,397
6,916
Текстурные характеристики образцов, полученных по примерам 1-7,
приведены в табл.2.
Таблица 2Текстурные характеристики образцов, полученных по примерам 1-7
Образец
Средний размер кристаллов, нм
Удельная поверхность, м<sup>2</sup>/г
Кристалличность, %
Пример 1
42,3
151,2
92,3
Пример 2
35,7
201,3
94,7
Пример 3
7,95
167,4
90,5
Пример 4
36,8
165,8
91,2
Пример 5
73,9
174,0
87,8
Пример 6
24,6
184,2
89,8
Пример 7
17,7
91,0
92,0
Определение удельной поверхности, объема и среднего размера пор материалов по методу БЭТ проводили на автоматизированной сорбционной установке TriStar II 3020 производства Micromeritics (США) с использованием объемного варианта сорбционного метода. Удельная поверхность была рассчитана по изотерме низкотемпературной сорбции паров азота по одноточечному методу БЭТ в точке P/Po=0,3189. Образцы были выдержаны в инертном газе азота и гелия с одновременным обеспечением нагрева образцов при температуре 95°С.
Известно, что поверхностный заряд наноразмерных частиц, наряду с их размером и формой, являются важными характеристиками ГА, определяющими процессы клеточной адсорбции. В этом аспекте частицы гидроксиапатита, обладающие отрицательно заряженной поверхностью, имеют заметное преимущество [Yingchao Han et al. Nanosize and Surface Charge Effects of Hydroxyapatite Nanoparticles on Red Blood Cell Suspensions //ACS Appl. Mater. Interfaces. 2012. V.4. №9. P. 4616-4622]. Измерение величины и знака дзета-потенциала частиц КГА после созревания осуществляли методом электрофореза на анализаторе Zetasizer Nano ZS фирмы Malvern Instruments.
Значения дзета-потенциала частиц КГА в виде гидрогеля после 24 часов выдерживания в маточном растворе (время созревания) представлены в табл.3
Таблица 3.Дзета-потенциал образцов КГА
Образец
Молярное соотношение Са/(Р+СО<sub>3</sub> <sup>2-</sup>)
рН после синтеза
рН после созревания
Значение дзета-потенциала, мВ.
Пример 1
1,50
11,60
11,10
-27,8
Пример 5
1,56
11,62
11,13
-15,7
Пример 7
1,67
11,76
11,33
+12,3
2+
Проблема загрязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов в настоящее время особенно значима. Соединения тяжелых металлов являются распространенными компонентами выбросов транспорта и многих предприятий различных отраслей промышленности. Среди ионов тяжелых металлов наиболее опасными загрязнителями считаются ионы свинца, так как его техногенное накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Путем миграции по пищевым цепям ионы Pbпопадают в организм человека, вызывая единовременные или хронические отравления, и приводят к серьезным нарушениям процессов обмена веществ и жизненно важных функций организма [Herbert L. Needleman, Christine McFarland, Roberta B. Ness, Stephen E. Fienberg, Michael J. Tobin. Bone lead levels in adjudicated delinquents A case control study //J. Neurotoxicology and Teratology. 2002. V.24. P. 711-717; Sharma A., Sharma V., Kansal L. Amelioration of lead-induced hepatotoxicity by Allium sativum extracts in Swiss albino mice //Libyan J. of Med. 2010. V.5. P. 4621-4630]. Одним из наиболее опасных последствий действия ионов свинца считается его способность замещать кальций в костях и быть постоянным источником отравления в течение длительного времени [Silbergeld E.K. Facilitative mechanisms of lead as a carcinogen //Mutation Research: Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 2003. V.533. P. 121-133].
2+
2+
2+
3
2
2
Сорбцию ионов свинца на полученных образцах изучали при комнатной температуре при 25±2°С с использованием ацетатного буферного раствора при рН=5,5. В качестве поставщика ионов Pbбыл выбран Pb(CHCOO)·3HO. В химические стаканы емкостью 100 мл, содержащие навески 0,1±0,0010 г исследуемых образцов, помещали по 50 мл модельных растворов с разными концентрациями ионов Pbв диапазоне концентраций Pbот 40 до 4800 мг/л. Определение равновесных концентраций ионов свинца и ионов кальция в модельных растворах было проведено после 48 часов экспозиции.
3
Концентрацию ионов свинца определяли на вольтамперометрическом анализаторе АКВ-07МК с твердотельным электродом (компания Аквилон, Россия). Для определения концентрации ионов свинца была использована методика с пределом обнаружения 0,2 мг/дм; диапазон тока - 5000 мА; время накопления - 10 с.
Данные о сорбционной емкости полученных образцов, представленные в табл.4, определили графическим путем, строя график зависимости отношения равновесной концентрации ионов свинца С к величине сорбции Г от величины сорбции Г, используя традиционное
<mrow><mi>Г</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>C</mi><mi>o</mi></msub><mo>−</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>m</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>C</mi><mi>Г</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>k</mi><msub><mi>Г</mi><mi>о</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>С</mi><mrow><msub><mi>Г</mi><mi>о</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
уравнение Лэнгмюра
и его преобразованное уравнение в линейной форме
о
о
где Г- величина сорбции, мг/г; V - объем раствора ионов свинца, мл; C - равновесная концентрация ионов свинца, мг/л; C - исходная концентрация ионов свинца, мг/л; Г - сорбционная емкость, мг/г; k - константа адсорбции, характеризующая степень сродства данного иона к сорбции по Ленгмюру.
Таблица 4Сорбционная емкость образцов, полученных по примерам 1-6, по отношению к ионам тяжелых металлов (при рН=5,5)
Образец
Массовая доля СО<sub>3</sub> <sup>2-</sup>, %
Молярное соотношение Са/(Р+СО<sub>3</sub> <sup>2-</sup>)
Сорбционная емкость к ионам Pb<sup>2+</sup>, мг/г
Пример 1
5
1,50
1689
Пример 2
6,5
1,50
1724
Пример 3
8
1,50
1720
Пример 4
5
1,56
1697
Пример 5
6,5
1,56
1686
Пример 6
8
1,56
1650
д
2+
Из табл.4 следует, что в зависимости от степени дефицитности и содержания карбоната сорбционная емкость синтетических образцов Са-КГА по отношению к ионам Pbсоставляет до 1720 мг/г, что превышает почти в 5 раз сорбционную емкость немодифицированного гидроксиапатита [Bailliez S., Nzihou А., Beche А., Flamant G. Removal of lead (Pb) by hydroxyapatite sorbent //Trans IChemE, Part B, Process Safety and Environmental Protection. 2004.V. 82. №2.Р. 175-180].
Таким образом, приведенные примеры подтверждают возможность осуществления предложенного способа с достижением заявленного технического результата:
д
10-d
4
6-x
3
x
2+x-2d
2+
- получение монофазного продукта Са-КГА наиболее близкого по химическому составу и структуре к природной кости формулы Ca(PO)(CO)(OH), где d - степень дефицитности Са; х - коэффициент или степень замещения карбоната в интервале от 0,76 до 1,21, а массовое содержание карбонат-ионов от 5% до 8%;
д
3
2
2-
- повышенную биоактивность и адсорбционную способность в полученном Са-КГА с удельной поверхность 90-200 м/г, что обеспечивается за счет молярного соотношения Са/(Р+СО )<1,67 и среднего размера кристаллов от 8 нм до 70 нм.