Способ получения керамического порошка на основе гидроксиапатита и волластонита
METHOD FOR PRODUCING CERAMIC POWDER BASED ON HYDROXYAPATITE AND WOLLASTONITE

Изобретение относится к созданию новых материалов медицинского назначения, а именно к способам получения композитов, содержащих в своем составе гидроксиапатит и волластонит, которые являются биологически совместимыми с костной тканью человека и в этой связи могут быть использованы при изготовлении лекарственных композиций, керамик, матриксов, имплантантов и покрытий на них, предназначенных для восполнения дефектов зубов и костей в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии, ортопедии.
Стремление к полноценному восстановлению поврежденных участков твердых тканей человека с использованием синтетических материалов обуславливает интерес к композитам, в состав которых входит несколько биоактивных веществ. Предполагается, что препараты, включающие соединения с различными физико-химическими свойствами и растворимостью, способны обеспечивать эффективную интеграцию выполненной из них искусственной конструкции в живую систему. В этом случае компонент с большим произведением растворимости обеспечивает активное вовлечение синтетического тела в процессы резорбции и минералообразования de novo.
10
4
6
2
3
Традиционно, большое внимание уделяется препаратам на основе гидроксиапатита (ГА, Са(PO)(ОН)) ввиду его подобия минеральной составляющей костного матрикса. Также, хорошую биоактивность и биосовместимость демонстрируют силикаты кальция (СК), в частности волластонит (ВТ, β-CaSiO), за счет более высокой растворимости (по сравнению с ГА) и активного участия кремния в процессах роста и регенерации минерализованного матрикса. Представляется перспективным объединение данных солей в составе одного материала.
10
4
6
2
3
Известны способы получения керамических биоактивных материалов, включающих природные или синтетические ГА и ВТ с добавками легкоплавкого стекла (патенты №2225380, 2105529, 2233650). В данных изобретениях предлагается получение смеси Са(PO)(ОН) и β-CaSiO путем механического смешения компонентов с последующим объединением со стеклом, прессованием и прокаливанием при температуре более 1000°С.
К недостаткам данных технических решений относятся:
- использование в качестве исходных компонентов природных ГА и ВТ, которые могут содержать в своем составе примеси, способные негативно влиять на живые ткани;
- использование в качестве исходных компонентов синтетических ГА и ВТ, необходимость предварительного раздельного получения которых усложняет процесс формирования керамики;
- механическое смешение составляющих не обеспечивает равномерного распределения компонентов по объему материала.
3
4
2
3
2
2
3
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ получения путем двухступенчатого химического осаждения композиционных порошков на основе ГА и ВТ, как перспективных материалов для медицинского применения в качестве лекарственных средств и имплантантов [Morsy R., Abuelkhair R., Elnimr Т. A Facile Route to the Synthesis of Hydroxyapatite / Wollastonite Composite Powders by a Two-Step Coprecipitation Method // Silicon. 2015. doi:10.1007/s 12633-015-9339-y]. В прототипе на первом этапе получают ГА за счет покапельного прибавления разбавленного раствора НРО к суспензии Са(ОН) при фиксированном отношении количеств реагентов Са/Р=1.67. Затем полученную систему нагревают до 100°С, перемешивают в течение 15 мин и растворяют в ней определенное количество Са(NO), после чего по каплям добавляют раствор NaSiO таким образом, чтобы создать Ca/Si=1.00. Полученную реакционную среду кипятят в течение 2 часов. Образовавшиеся осадки отфильтровывают, промывают деионизированной водой, высушивают при 100°С и прокаливают при 800°С в течение 2 часов. Описанный способ приводит к композитным порошкам, соотношение ГА/ВТ в которых варьирует от 10/90 до 90/10 (в мас. %).
К недостаткам данного технического решения можно отнести:
3
2
- использование на втором этапе синтеза Са(NO), который является источником нитратов, токсичных для организма человека;
- многостадийность синтеза, включающего операции дополнительного введения реагентов в гетерогенную систему и стадии кипячения.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке одностадийного способа получения композитных порошков с варьируемым содержанием ГА и ВТ, равномерно распределенных по объему материала, с использованием реагентов, не приводящих к образованию вредных побочных продуктов.
2
3
4
2
3
Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения двухкомпонентных смесей на основе ГА и ВТ, включающий смешение растворов соединений кальция, фосфата и силиката при постоянном перемешивании, отстаивание, фильтрование, промывку от маточного раствора, сушку и прокаливание, при этом в качестве исходных реагентов используют гидроксид кальция, ортофосфорную кислоту и пятиводный силикат натрия, отношение концентраций реагентов Са/Р задают равным 1.67, a Ca/Si=1.00, количества Са(ОН), НРО и NaSiO рассчитывают исходя из значений Са/Р и Ca/Si и выбранной пропорции ГА/ВТ в порошке требуемой массы, pH поддерживают на уровне 12.00±0.05, после осаждения полученную твердую фазу выдерживают под маточным раствором в течение 24 часов при температуре 22÷25°С, отфильтровывают, промывают дистиллированной водой, высушивают при 90°С до постоянной массы и прокаливают при 1000°С в течение 2 часов.
2
3
4
2
3
Са(ОН), НРО и NaSiO выбраны в качестве исходных компонентов для минимизации количества примесей в получаемых композитных порошках. Побочным продуктом взаимодействия данных соединений является только NaOH, который удаляется из состава осадка на этапе промывки.
3
Отношение Са/Р задают равным 1.67, что соответствует стехиометрии ГА и необходимо для его формирования в щелочных растворах. Ca/Si=1.00 отвечает составу фазы β-CaSiO.
2
Количество Са(ОН) в реакционной среде задают равным сумме концентраций ионов кальция, необходимых для совместного формирования ГА и СК.
2
10
4
6
2
3
2
pH реакционных сред корректируют до 12.00±0.05, поскольку в данных условиях возможно формирование двухкомпонентных смесей на основе ГА и СК. Порошки, полученные в исследуемой системе рН < 12.00, содержат примесь SiO, тогда как при pH > 12.00 совместно с Са(PO)(ОН) и β-CaSiO в образцах может обнаруживаться токсичный СаО, образующийся при прокаливании нерастворившегося Са(ОН), захваченного твердой фазой.
Готовые реакционные смеси оставляют для кристаллизации на 24 часа при комнатной температуре (22÷25°С), что обеспечивает установление равновесия между твердой и жидкой фазой.
Отфильтрованный осадок трижды промывают на фильтре дистиллированной водой. При этом объем промывных вод на каждой стадии промывки составляет 100 мл, что обеспечивает отмывку продукта от примеси NaOH, фиксируемую по нейтральному pH промывных вод.
Полученный осадок высушивают при 90°С для обеспечения постепенного обезвоживания синтетической массы.
10
4
6
2
3
Операцию прокаливания проводят при 1000°С в течение 2 часов, что обеспечивает полную конверсию свежеосажденных аморфных ГА и СК в кристаллические стехиометрические формы Са(PO)(ОН) и β-CaSiO без образования побочных и/или дополнительных фаз.
Существенные отличительные признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что:
- в качестве исходных реагентов используют гидроксид кальция, ортофосфорную кислоту и пятиводный силикат натрия, при взаимодействии которых образуются целевые продукты без вредных примесей;
2
3
4
2
3
- отношение концентраций реагентов Са/Р задают равным 1.67, a Ca/Si=1.00, количества Са(ОН), НРО и NaSiO рассчитывают исходя из значений Са/Р и Ca/Si и выбранной пропорции ГА/ВТ в порошке требуемой массы;
- осаждение проводят в водных растворах, pH которых поддерживают на уровне 12.00±0.05, корректируя кислотность свежеприготовленной смеси реагентов;
- использование приема совместного осаждения солей позволяет в одну стадию получать композиты, компоненты которых равномерно распределены по объему материала.
Благодаря совокупности этих отличительных признаков заявляемым способом получают композитные керамические порошки, содержащие до 90 мас. % ВТ в смеси с ГА, которые могут быть использованы при изготовлении лекарственных композиций, керамик, матриксов, имплантантов и покрытий на них, предназначенных для восполнения дефектов зубов и костей в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии, ортопедии.
Предлагаемый способ получения керамических порошков, содержащих ГА и ВТ, основан на том, что данные соли кальция являются малорастворимыми соединениями и могут быть получены осаждением из водных растворов по схемам (1) и (2).
2+
10
4
6
2
3
При этом введение в исходный раствор количества ионов Са, достаточного для образования Са(PO)(ОН) и CaSiO, обеспечивает возможность одностадийного синтеза микрокомпозитов фосфатов и силикатов кальция за счет совместной кристаллизации данных солей.
Заявляемый способ подтверждается следующими примерами.
2+
3-
2-
4
3
2
3
4
2
3
10
4
6
2
3
Пример 1. Готовят водные растворы гидроксида кальция, ортофосфорной кислоты и силиката натрия из того расчета, чтобы концентрации Са, РО и SiO в готовой системе объемом 200 мл составляли 0.094, 0.036 и 0.034 моль/л соответственно. К суспензии Са(ОН), перемешиваемой при помощи магнитной мешалки, со скоростью 4.5÷5.0 мл/мин последовательно прибавляют растворы НРО и NaSiO. pH среды корректируют до значения 12.00±0.05 при помощи 20% NaOH. Осадок выдерживают под маточным раствором в закрытом полиэтиленовом сосуде без перемешивания в течение 24 часов при температуре 22÷25°С, после чего отфильтровывают, трижды промывают дистиллированной водой (порциями по 100 мл), высушивают при 90°С до постоянной массы и прокаливают при 1000°С в течение 2 часов. Полученную керамическую массу перемалывают в фарфоровой ступке до порошкообразного состояния. В результате получают порошок состава 60 мас. % ГА и 40 мас. % ВТ без посторонних примесей. Частицы твердой фазы представляют собой микрокомпозиты кристаллитов Са(PO)(ОН) и β-CaSiO с размерами 11.9 и 9.5 нм соответственно.
2+
3-
2-
4
3
2
3
4
2
3
10
4
6
2
3
Пример 2. Готовят водные растворы гидроксида кальция, ортофосфорной кислоты и силиката натрия из того расчета, чтобы концентрации Са, РО и SiO в готовой системе объемом 200 мл составляли 0.089, 0.012 и 0.069 моль/л соответственно. К суспензии Са(ОН), перемешиваемой при помощи магнитной мешалки, со скоростью 4.5÷5.0 мл/мин последовательно прибавляют растворы НРО и NaSiO. pH среды корректируют до значения 12.00±0.05 при помощи 20% NaOH. Осадок выдерживают под маточным раствором в закрытом полиэтиленовом сосуде без перемешивания в течение 24 часов при температуре 22÷25°С, после чего отфильтровывают, трижды промывают дистиллированной водой (порциями по 100 мл), высушивают при 90°С до постоянной массы и прокаливают при 1000°С в течение 2 часов. Полученную керамическую массу перемалывают в фарфоровой ступке до порошкообразного состояния. В результате получают порошок состава 20 мас. % ГА и 80 мас. % ВТ без посторонних примесей. Частицы твердой фазы представляют собой микрокомпозиты кристаллитов Са(PO)(ОН) и β-CaSiO с размерами 12.9 и 10.9 нм соответственно.
10
4
6
2
3
Подобным образом изготовлены композитные порошки, содержащие до 90 мас. % ВТ в смеси с ГА. Характеристика образцов приведена в таблице 1 в сравнении с чистыми фазами ГА и ВТ. На Фиг. 1 представлены дифрактограммы смесей с соотношениями ГА/ВТ 60/40 и 20/80, на которых одновременно присутствуют рефлексы, характерные как для Са(PO)(ОН), так и для β-CaSiO.
Таблица 1
Характеристика объектов исследования
ГА/ВТ, мас. %
w(Ca), мас. %
w(P), мас. %
w(Si) мас. %
Ca/(P+Si)
D(ГА), нм
D(ВТ), нм
100/0
40.2±0.9
18.6±0.3
0
1.67±0.01
12.9
-
80/20
37.6±0.6
14.5±0.2
3.7±0.2
1.57±0.02
12.4
-
60/40
35.3±0.2
9.9±0.1
8.8±0.2
1.39±0.02
11.9
9.5
50/50
33.9±0.6
8.5±0.2
10.7±0.7
1.30±0.05
11.4
12.2
40/60
33.6±0.7
6.8±0.1
12.7±0.4
1.24±0.04
11.0
11.0
30/70
32.3±0.3
5.0±0.1
15.1±0.2
1.15±0.02
-
-
20/80
31.4±0.4
3.3±0.1
17.0±0.3
1.10±0.01
12.2
10.8
10/90
27.5±0.2
2.0±0.1
17.5±0.3
1.02±0.01
-
-
0/100
26.7±0.5
0
18.8±0.7
0.99±0.01
-
13.1
Обозначения:
ГА/ВТ - соотношение количеств фаз ГА и ВТ в порошке; w(Ca), w(P), w(Si) - массовая доля кальция, фосфора и кремния в осадках; D(ГА), D(BT) - размер кристаллитов ГА и ВТ.