Способ получения гранулированных частиц гидроксиапатита
METHOD OF PRODUCING GRANULATED HYDROXYAPATITE PARTICLES

Изобретение относится к технологиям осаждения неорганических материалов, а именно к способу получения сферогранулированных частиц гидроксиапатита, которые могут быть использованы в медицине для формирования биосовместимых покрытий методом газотермического напыления.
Гидроксиапатит кальция широко используется в медицине для производства материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, покрытий костных и зубных имплантатов и пр. Материал, применяющийся для формирования покрытий методом газотермического напыления, должен удовлетворять ряду требований по форме и размеру частиц.
Правильная форма частиц близкая к сферической обуславливает высокую сыпучесть порошковых материалов, высокую насыпную плотность, а также низкое гидро- и аэродинамическое сопротивление, что обеспечивает равномерность дозирования и оплавления частиц порошка при газотермическом напылении покрытий.
Диаметр частиц порошка должен находится в узком интервале от 20 до 60 мкм, что обуславливает высокую сыпучесть порошковых материалов и равномерность оплавления частиц в процессе формирования покрытий. При использовании меньших по диаметру частиц порошка значительно снижается сыпучесть материала, что приводит к его неоднородной подаче в устройство, формирующее покрытие. При использовании больших по диаметру частиц происходит неравномерное проплавление частиц в плазме или потоке газа, что ухудшает свойства конечного покрытия.
Задача формирования сферогранулированных порошков гидроксиапатита с узким распределением частиц по размеру от 20 до 60 мкм является весьма актуальной.
Известен способ (RU 2077475 от 20.04.1997, С01В 25/32) получения частиц гидроксиапатита, который включает смешение водной суспензии гидроксида кальция с водным раствором фосфорной кислоты, отделение реакционного осадка и его сушку. Смешение компонентов ведут при непрерывном добавлении водного раствора фосфорной кислоты к суспензии гидроксида кальция при последовательном прохождении реакционной смеси через две зоны, при этом в первой зоне поддерживают постоянное рН равное 10-11, и скорость движения потока суспензии 0,8-1,5 м/с, затем смесь через 1,0-1,5 с подают во вторую зону, где ее разбавляют в 400-500 раз исходной суспензией гидроксида кальция и возвращают в первую зону, обеспечивая 4-5-кратную циркуляцию реакционной смеси через обе зоны в замкнутом цикле за время 10-20 мин, после этого подачу кислоты прекращают и суспензию реакционного продукта дополнительно перемешивают в замкнутом цикле в течение 10-12 мин.
Известен способ (US 4324772 от 13.04.1983, С01В 25/32) получения частиц гидроксиапатита, включающий первую стадию с непрерывной загрузкой двухступенчатого реактора суспензией оксида кальция в воде и раствором фосфорной кислоты в воде, которые реагируют на первой стадии при сильном перемешивании с рН реакционной массы таким, что вязкость близка к минимальной, т.е. рН от 9,5 до 11; вторую стадию реактора при сильном перемешивании с непрерывным вводом водной фосфорной кислоты в количестве достаточном для поддержания рН в второй стадии около значения в интервале от 7,0 до 7,4.
Недостатками указанных выше способов являются их многостадийность, что определяет их технологическую сложность, а также неоднородность частиц гидроксиапатита по форме и широкое распределение частиц по размеру.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ (US 5405436 от 11.04.1995, С01В 25/32) получения гидроксиапатита, включающий стадии приготовления прекурсоров, содержащих фосфат-ионы, гидроксил-ионы и катионы кальция, причем источником кальция является и прекурсор, содержащий фосфат-ионы, являющийся раствором фосфорной кислоты в воде с молярным соотношением Са:Р около значений от 0,2:1 до 1:1, и прекурсор, содержащий гидроксил-ионы, являющийся суспензией гидроксида кальция в воде; формирования осадка гидроксиапатита путем первоначального формирования реакционной смеси с помощью одновременной подачи прекурсора, содержащего кальций и фосфат-ионы, и прекурсора, содержащего кальций и гидроксил-ионы в реактор при интенсивном перемешивании так, чтобы обеспечить соотношение Са:Р=1,667 с дальнейшим осуществлением реакции при интенсивном перемешивании при температуре реакционной смеси от 60° до 100°С и при рН реакционной смеси от 4 до 8; отделения фазы гидроксиапатита от маточного раствора; промывку; сушку.
Данный способ позволяет получать частицы с узким распределением по размеру от 1 до 20 мкм. Недостатком способа является отсутствие фракции частиц большего размера (с диаметрами от 20 до 60 мкм), необходимыми для формирования покрытий, необходимость нагрева реакционной смеси, увеличивающей энергоемкость процесса, а также увеличение длительности синтеза за счет наличия двух последовательных операций: сначала подачи прекурсоров с конечным соотношением Са:Р=1,667, далее проведением реакции при повышенных температурах и постоянном рН.
Техническим результатом предложенного изобретения является получение сферогранулированных частиц гидроксиапатита с узким распределением частиц по размеру, содержащим целевую фракцию от 20 до 60 мкм.
Заявленный технический результат достигается путем формирования гранулированных частиц гидроксиапатита непосредственно при гидролизе соли кальция в условиях одновременного поддержания постоянных соотношения  и значения рН реакционной среды. Одновременное поддержание постоянными соотношения  и значения рН реакционной среды позволяет также уменьшить количество операций в синтезе гидроксиапатита, за счет чего уменьшается длительность синтеза по сравнению с аналогами.
На первой стадии получения гранулированных частиц гидроксиапатита готовят прекурсор, содержащего кальций. В качестве прекурсора, содержащего кальций, может быть использован раствор любой растворимой в воде соли кальция, в частности, нитрат, хлорид, ацетат и др. Возможно приготовление соли кальция путем растворения безводной или водной соли кальция в воде, растворения оксида или карбоната кальция в азотной, соляной или уксусной кислоте, или другими способами. По преимущественному способу реализации изобретения для приготовления раствора соли кальция используют безводный нитрат кальция и дистиллированную воду. Концентрация соли может находится в интервале значений от 0,5 до 3 моль/л.
На второй стадии получения гидроксиапатита готовят прекурсор, содержащий фосфат-ионы. С этой целью могут быть использованы различные растворы соединений, в частности, фосфорная кислота, фосфат аммония, натрия, калия и любые другие растворимые соли фосфорной кислоты. Предпочтительно использовать фосфорную кислоту с концентрацией 0,1-19,0 моль/л, наиболее предпочтительно 1,1-2,0 моль/л.
На третьей стадии получения частиц гидроксиапатита готовят прекурсор, содержащий гидроксил-ионы. В этом качестве может быть использовано любое основание, в частности гидроксиды калия, натрия и др., или водный раствор аммиака Предпочтительным является использование водного раствора аммиака, т.к. в процессе термического разложения продуктов его взаимодействия с солью кальция и фосфорной кислотой не происходит загрязнения продукта катионами металлов. Значение концентрации водного раствора аммиака может находиться в интервале от 1 до 13 моль/л, предпочтительнее от 5 до 7 моль/л.
На четвертой стадии получения гранулированного гидроксиапатита проводят формирование осадка гидроксиапатита путем осаждения при постоянных значениях и рН реакционной смеси, и соотношения . Осаждение осуществляют путем дозирования прекурсора, содержащего кальций, прекурсора, содержащего фосфат-ионы, и прекурсора, содержащего гидроксил-ионы, в реакционный объем таким образом, что в реакционном объеме поддерживают постоянное значение рН в интервале от 7 до 9, более предпочтительно 7,5-8,5 единиц рН, и постоянное соотношение  в интервале от 1,5 до 1,8, более предпочтительно 1,66-1,68.
Осаждение может быть выполнено в полунепрерывном или непрерывном режимах, при этом прекурсоры дозируют в общий реакционный объем в котором поддерживают выбранное значение рН и соотношения . Для их поддержания на заданном уровне возможно регулирование скорости подачи как одного из прекурсоров, так и одновременно нескольких прекурсоров. Дозирование прекурсоров может быть выполнено при использовании перистальтических насосов, мембранных насосов, насосов прямого дозирования, центробежных насосов с регулируемой скоростью вращения, а также другими способами. Контроль рН реакционного объема ведут в течение всего процесса осаждения при помощи рН-метров с ион-селективными электродами или при помощи иных систем детектирования концентрации Н+ионов в растворе.
После проводят операции фильтрации, сушки и обжига осадка. Предпочтительно, сушку осадка проводить при температуре от 80 до 120°С до постоянной массы. Обжиг осадка предпочтительно проводить при температуре от 300 до 1000°С.
Сущность изобретения поясняется фигурами, где изображено:
- на фиг. 1 - таблица параметров образцов гидроксиапатита, синтезированных в Примерах 1-6;
- на фиг. 2 - гранулометрическое распределение частиц по размеру гидроксиапатита, синтезированного в Примере 1;
- на фиг. 3 - СЭМ-изображение частиц образца, синтезированного по примеру 1.
- на фиг. 4 - рентгенограмма гидроксиапатита, синтезированного в Примере 1;
- на фиг. 5 - распределение частиц по размеру гидроксиапатита, синтезированного в Примере 6
- на фиг. 6 - СЭМ-изображение частиц образца, синтезированного по Примеру 6.
- на фиг. 7 - рентгенограмма гидроксиапатита, синтезированного в Примере 6.
Пример 1
Этот пример относится к осаждению чистого гидроксиапатита при значении рН=8 с концентрацией осаждаемого раствора нитрата кальция 0,5 моль/л и соотношении  равным 1,67.
3
2
В первый химический стакан при перемешивании вводят дистиллированную воду и 120,8 граммов безводного нитрата кальция Са(NO) (массовая концентрация 96%), объем раствора доводят дистиллированной водой до 1 л. Полученный раствор выдерживают при перемешивании в течение 2 часов перед началом осаждения. Во второй химический стакан вводят 113 мл концентрированной фосфорной кислоты и доводят дистиллированной водой до объема 1 л. Для приготовления раствора соединения основного характера в третий химический стакан вводят 370 мл концентрированного раствора аммиака (массовая концентрация 24%) и доводят объем до 0,8 л дистиллированной водой, после смешения компонентов получают водный раствор аммиака с концентраций 11 массовых процентов.
Для осуществления осаждения гранулированных частиц гидроксиапатита, в трехлитровый химический стакан, снабженный верхнеприводной мешалкой и датчиком рН вводят 250 мл дистиллированной воды. Далее в стакан при перемешивании при помощи перистальтических насосов дозируют раствор нитрата кальция со скоростью 10 мл/мин, раствор фосфорной кислоты со скоростью 10 мл/мин и водный раствор аммиака со скоростью 6,5 мл/мин, причем значение рН в стакане поддерживают в диапазоне от 7,8 до 8,2 ед. за счет периодического прерывания дозирования водного раствора аммиака. После введения всего объема раствора нитрата кальция и фосфорной кислоты, полученную суспензию выдерживают при перемешивании в течение 30 минут, проводят фильтрацию суспензии на нутч-фильтре. Далее осадок помешают в сушильный шкаф, сушку осадка проводят при температуре 80°С в течение 12 часов. После этого осадок обжигают в муфельной печи при температуре 600°С в течение 2 часов.
Определение гранулометрического состава проводили с помощью метода лазерной дифракции при использовании прибора Analysette 22 NanoTec. На фиг. 2 приведено распределение частиц по размеру образца, полученного по примеру 1. Морфологию частиц исследовали с помощью метода сканирующей электронной микроскопии, на фиг. 3 приведена электронная фотография частиц образца, полученного по примеру 1. На фиг. 4 приведена рентгенограмма чистого гидроксиапатита, полученного по примеру 1.
Пример 2.
Этот пример относится к осаждению чистого гидроксиапатита при значении рН=8 с концентрацией осаждаемого раствора нитрата кальция 3 моль/л и соотношении  равным 1,67.
3
2
В этом случае поступают так же, как в примере 1, но в первый химический стакан при перемешивании вводят дистиллированную воду и 724,8 граммов безводного нитрата кальция Са(NO) (массовая концентрация 96%). Полученный раствор выдерживают при перемешивании в течение 2 часов перед началом осаждения. Во второй химический стакан вводят 678 мл концентрированной фосфорной кислоты и доводят дистиллированной водой до объема 1 л. Осаждение и все дальнейшие операции проводят также, как описано в примере 1.
Пример 3.
Этот пример относится к осаждению чистого гидроксиапатита при значении рН=8 с концентрацией осаждаемого раствора нитрата кальция 0,5 моль/л и соотношении  равным 1,8.
В этом случае поступают также, как в примере 1, но во второй химический стакан вводят 122 мл концентрированной фосфорной кислоты и доводят дистиллированной водой до объема 1 л. Осаждение и все дальнейшие операции проводят также, как описано в примере 1.
Пример 4.
Этот пример относится к осаждению чистого гидроксиапатита при значении рН=9 с концентрацией осаждаемого раствора нитрата кальция 0,5 моль/л и соотношении  равным 1,67.
В этом случае поступают так же, как описано в примере 1, только осаждение гидроксиапатита кальция ведут при рН=8,8-9,2.
Пример 5.
Этот пример относится к осаждению чистого гидроксиапатита при значении рН=8 с концентрацией осаждаемого раствора нитрата кальция 0,5 моль/л и соотношении  равным 1,67, но в качестве донора -ионов выступает раствор аммония фосфорнокислого.
4
3
4
2
В этом случае поступают также, как в примере 1, но во втором химическом стакане готовят раствор аммония фосфорнокислого. Для этого в стакан вводят дистиллированную воду и 121,6 граммов трехводного аммония фосфорнокислого (NH)РО⋅3НО и доводят дистиллированной водой до объема 1 л. Осаждение и все дальнейшие операции проводят также, как описано в примере 1.
Пример 6.
Этот пример относится к осаждению гидроксиапатита при значении рН=6 с концентрацией осаждаемого раствора нитрата кальция 0,5 моль/л и соотношении  равным 1,67.
В этом случае поступают так же, как описано в примере 1, только осаждение гидроксиапатита кальция ведут при рН=5,8-6,2.
На фиг. 5 приведено распределение частиц по размеру образца, полученного по примеру 6. На фиг. 6 приведена электронная фотография частиц образца, полученного по примеру 6. На фиг. 7 приведена рентгенограмма гидроксиапатита, полученного по примеру 6, в котором преимущественно присутствуют фазы брушита и монетита.