СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЙ-ЗАМЕЩЕННОГО ГИДРОКСИЛАПАТИТА
METHOD OF PRODUCING NANOCRYSTALLINE SILICON-SUBSTITUTED HYDROXYLAPATITE

Заявляемое техническое решение относится к способам получения нанокристаллического однофазного кремний-замещенного гидроксилапатита, являющегося биологически активным материалом, который может быть использован для покрытия металлических и керамических имплантатов, в качестве наполнителя для восстановления дефектов костной ткани, при изготовлении медицинской керамики и композитов для имплантатов, для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, а также лечебных паст. Изобретение заключается в твердофазном механохимическом способе получения при комнатной температуре нанокристаллического порошкообразного кремний-замещенного гидроксилапатита (ГАП), с частичным замещением фосфата на ион силиката.
10
4
6
2
Гидроксилапатит (ГАП), Са(PO)(ОН), является основной минеральной составляющей костных и зубных тканей человека и животных. Разновидности гидроксилапатита с различными замещениями исследуются на предмет использования их в качестве материалов для медицинских целей: покрытий имплантатов, биосовместимой керамики, лекарственных и косметических средств [1. J.C. Elliott. - Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Orthophosphates. - Amsterdam - London - New York - Tokyo, ELSEVIER. - 1994. - 71 p.2. А.П. Шпак, В.Л. Карбовский, В.В. Трачевский. Апатиты. - Киев, «Академпериодика». - 2002. - 414 с.] Исследования, проведенные in vitro и in vivo, на клеточных культурах, и на различных животных показали, что покрытия и керамика из кремний-замещенного ГАП способствует более быстрому вживлению имплантатов, по сравнению с образцами ГАП, не содержащими силикатный ион [3. Guth K., Campion С., Buckland Т., Hing K.A. Effect of Silicate-Substitution on Attachment and Early Development of Human Osteoblast-Like Cells Seeded on Microporous Hydroxyapatite Discs // Advanced Engineering Materials. 2010. Vol.12, Issue 1-2. P. B26-B36. 4. Hing K.A, Revell P.A, Smith N, Buckland T. // Biomaterials. 2006. Vol.27 (29). P.5014-5026.]
Традиционными способами получения ГАП с замещением фосфата на силикат является осаждение из растворов хорошо растворимых солей фосфатов и кальция, либо суспензии гидроксида кальция, фосфорной кислоты и растворимых соединений кремния, в качестве замещающего компонента [5. Arcos D., Rodriguez-Carvajal J., Vallet-Regi M. // Chem. Mater. 2004. Vol.16 (11). P.2300-2308. 6. Gomes S., Renaudin G., Mesbah A., Jallot E., Bonhomme C., Babonneau F., Nedelec J.-M. Thorough analysis of silicon substitution in biphasic calcium phosphate bioceramic: A multi-technique study. // Acta Biomaterialia, 2010, vol.6, issue 8, p.3264-3274.]
Недостатками этих методов является трудность получить однофазный продукт заданного состава, длительность синтеза, трудоемкость и наличие сточных вод.
В последние десятилетия изоморфные разновидности апатита - синтезируют механохимическим способом.
Механохимический метод имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными:
- позволяет получить однофазный продукт заданного состава;
- экологически чистый метод, т.к. отсутствуют сточные воды;
- энергосберегающий, при использовании мощных мельниц-активаторов;
- менее трудоемкий, так как требуется меньшее количество операций.
Имеется ряд работ по синтезу гидроксилапатита с применением механической активации. Однако, в большинстве этих работ, помимо активации реакционной смеси в мельнице, для получения готового продукта, проводится дополнительная обработка смеси: гидротермальная, термическая [7. Sang-Hoon Rhee. Synthesis of hydroxyapatite via mechanochemical treatment. Biomaterials. 2002. Vol.23, issue (4). P.1147-1152.], либо используют жидкие реагенты [8. Silva С.С., Pinheiro A.G., Miranda M.A.R., Goes J.С. and A.S.В. Sombra. Structural properties of hydroxyapatite obtained by mechanosynthesis // Solid State Sciences, 2003, Volume 5, Issue 4, p.553-558.], так что синтез идет практически в жидкой фазе и тогда механическая обработка сводится лишь к перемешиванию смеси.
4
Известен способ получения нанокристаллического гидроксилапатита [9. Yeong K.С.B., Wang J., Ng S.C. Mechanochemical synthesis of nanocrystalline hydroxyapatite from CaO and CaHPO. //Biomaterials. 2001. Vol.22. P.2705-2712.], заключающийся в предварительным смешением компонентов CaO и - CaHPO в мольном отношении 3:2, в виде суспензии в спирте в обычной шаровой мельнице циркониевыми шарами, с высушиванием измельченной смеси при 80°С. После высушивания смесь помещали в алюминиевую ампулу, диаметром 37 мм и длиной 40 мм, вместе с шаром из нержавеющей стали диаметром 12,7 мм. Механическую активацию реакционной смеси авторы прототипа проводили длительное время (до 20-25 часов) в стряхивающей мельнице (shaker mill) с отбором проб на анализ через 5, 10, 20 и 25 часов для определения наличия фаз методом РФА. По данным этих авторов только после 20 часов активации на дифрактограммах исчезают рефлексы СаО и остаются только весьма широкие рефлексы ГАП, синтез завершается через 25 часов обработки в мельнице (Фиг.1).
Полученный продукт находится в агрегированном состоянии. Агломераты продукта разрушают путем измельчения полученного ГАП в спирте в обычной шаровой мельнице в течение 24 часов.
Недостатком данного способа является:
- длительность синтеза (25 часов активации и 24 часа измельчения),
- многостадийность процесса (1 - предварительный помол смеси в обычной мельнице, 2 - высушивание смеси, 3 - активация, 4 - измельчение в шаровой мельнице в спирте);
- опасность сильного загрязнения продукта образованием большого «натира», (во время длительного синтеза продукт загрязняется материалом, из которого сделаны, или облицованы, стенки барабанов мельницы и мелющие тела).
2
4
2
4
2
3
4
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ получения путем мокрого механохимического синтеза кремнийзамещенного ГАП, используемого для получения биосовместимого материала, который может быть использован для покрытий имплантатов, композитов, биокерамики и других медицинских целей. [10. Ting Tian, Dongliang Jiang, Jingxian Zhang, Qingling Lin. «Synthesis of Si-substituted hydroxyapatite by a wet mechanochemical method» // Materials Science and Engineering, C, 28 (2008) 57-63]. В прототипе стехиометрический гидроксилапатит и серия кремний - замещенных образцов гидроксилапатита были получены «мокрым» механохимическим методом из Са(ОН), (NH)HPO and Si(OCHCH) (TEOS, тетраэтилортосиликат) в качестве исходных веществ. Количество реагентов было рассчитано для соотношения - Ca/(P+Si) равным 1.67, при заданном количестве кремния от 0.5 до 2.0 весовых процента, которые составили от 0.18 до 0.72 моля на элементарную решетку гидроксилапатита с учетом замещения фосфата на ион силиката. Исходные материалы в этих соотношениях смешивались вместе в дистиллированной воде и измельчались в стандартной шаровой мельнице с циркониевыми шарами в течение 12 часов при скорости вращения барабанов 170 оборотов в минуту в полиэтиленовом сосуде. После помола суспензия была отфильтрована, промыта горячей дистиллированной водой и спиртом и затем оставлена сушиться на ночь. Затем порошок отжигался при 900°С в течение 2-х часов на воздухе с получением частиц субмикронного размера.
Недостатком данного технического решения является длительность процесса синтеза - измельчение в течение 12 часов и многостадийность. Кроме того, синтезированные образцы имеют не очень четкие рентгенограммы (Фиг.2), что свидетельствует о недостаточной их окристаллизованности.
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в создании более технологичного способа, позволяющего получить за 30 минут твердофазной мехактивации порошкообразный нанокристаллический однофазный кремний-замещенный гидроксилапатит, который можно использовать для покрытия металлических и керамических имплантатов, в качестве наполнителя для восстановления дефектов костной ткани, при изготовлении медицинской керамики, и композитов для имплантатов, в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, а также производства лечебных паст, где требуются материалы с наночастицами менее 80 нм. [11. Балин В., Ковалевский А., Иорданишвили А. "Методические рекомендации по использованию гидроксиапатита в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. // Клиническая имплантология и стоматология. 1999, №1 (8). С.42. 12. Панкратов А.С. Лечение больных с переломами нижней челюсти с использованием ОС-ТИМ-100 (гидроксилапатит ультравысокой дисперсности) как оптимизатора репаративного остеогенеза: Автореф. дис. канд. мед. наук. - М., 1995. - 19 с.].
2
Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе получения нанокристаллического однофазного кремний-замещенного гидроксилапатита, включающем смешение фосфата, соединений кальция и кремния, размол и механохимичесекий синтез, в качестве исходных компонентов используют двузамещенный безводный фосфат кальция, отожженный оксид кальция и аморфный гидратированный оксид кремния с содержанием воды менее 0.5 моля, с удельной поверхностью 200-450 м/г в количестве не более 1,2 моля кремния на элементарную ячейку гидроксилапатита, механохимический твердофазный синтез проводят в высокоэнергетических планетарных мельницах при вращении барабанов со скоростью 1200-1800 об/мин в течение 12-30 мин.
Предпочтительно, отжиг оксида кальция проводят при температуре 900°С в течение 5 часов.
Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются:
- в качестве исходных компонентов используют двузамещенный безводный фосфат кальция, отожженный оксид кальция и аморфный гидратированный оксид кремния с содержанием воды менее 0.5 моля, с удельной поверхностью 200-450 м /г в количестве не более 1,2 моля кремния на элементарную ячейку гидроксилапатита;
- твердофазный механохимический синтез проводят в высокоэнергетических планетарных мельницах при вращении барабанов со скоростью 1200-1800 об/мин в течение 12-30 мин.
2
Благодаря совокупности этих отличительных признаков заявляемым способом был получен порошкообразный нанокристалический однофазный кремний-замещенный гидроксилапатит с удельной поверхностью 36-55 м/г, однородный по структуре и средним размером частиц 55-35 нм, что позволит использовать его в качестве наполнителя для восстановления дефектов костной ткани, при изготовлении медицинской керамики и композитов для имплантатов, лечебных паст и прочих медицинских целей.
Сведений об известности данных отличительных признаков в совокупности известных технических решений не обнаружено. На основании этого сделан вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна» по действующему законодательству.
Упрощение способа получения наноразмерного гидроксилапатита путем использования твердофазного механохимического метода в мощных планетарных мельницах, изменения реакции синтеза за счет другого состава исходных веществ:
4
2
2
10
4
5
4
2
5 CaHPO+5СаО+SiO·0.47HO=Ca(PO)(SiO)(OH)+2.47HO.
Расширение ассортимента получаемых составов ГАП за счет частичного замещения фосфата на силикатный ион, благодаря заявляемому способу, возможно производить в широком диапазоне концентраций вводимого кремния с получением однофазного продукта:
10
4
6-х
4
x
2-x
Са(PO)(SiO)(OH), где x=0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1.0; 1.2.
В заявляемом способе, синтез апатита ведется в интенсивных мельницах-активаторах, позволяющих без последующей термической обработки за несколько минут активации смеси непосредственно в мельнице получить порошкообразный готовый продукт заданного состава, обладающего биологически активным действием в наноразмерном кристаллическом состоянии, легко выгружаемый из мельницы-активатора.
Для предотвращения образования «натира», загрязняющего продукт, рабочую поверхность мельницы предварительно «футеруют» реакционной смесью того же состава, что и синтезируемый продукт в течение 1 минуты. После чего смесь выгружают и загружают реакционную смесь синтезируемого продукта. Анализ кремний-замещенного ГАП, синтезированного в мельницах типа: АГО-2, АГО-3, на загрязнение железом показал, что увеличение его содержания после активации смеси в течение 12-30 минут, колеблется в пределах 0.03-0.05 масс %.
Заявляемый способ подтверждается следующими примерами.
Пример 1. Образцы ГАП стехиометрического состава и с частичным замещением фосфата на силикат, полученные авторами статьи по прототипу имеют недостаточно четкие рентгенограммы с широкими рефлексами (Фиг.2), что свидетельствует о плохой окристаллизованности апатита. Сам процесс «мокрого» механохимического синтеза длителен и включает ряд операций: измельчение исходных компонентов - Са(ОН)2, (NH4)2HP04 and 81(ОСН2СНз)4 в шаровой мельнице, которое длится 12 часов. После измельчения компонентов суспензия фильтруется, промывается горячей дистиллированной водой и этиловым спиртом, полученный осадок оставляется сушиться на ночь.
4
2
2
4
2
2
2
Пример 2. 162.22 г. CaHPO, 45.31 г. отожженного СаО и 0.58 г оксида кремния состава - SiO.0.47HO помещают в фарфоровую чашку и перемешивают 0.5-1 минуту. В три стальные барабаны планетарной мельницы АГО-3 загружают по 2080 г. стальных шаров диаметром 8 мм. Загружают смесь CaHPO и СаО и SiO.0.47HO в количестве по 208.11 г. в каждый из трех барабанов планетарной мельницы и активируют 12 минут со скоростью вращения барабанов 1800 об/мин. Полученный продукт исследуют методом РФА. Согласно данным РФА продукт представляет собой нанокристаллический гидроксилапатит, рентгенограмма которого идентична приведенной в картотеке Международного центра дифракционных данных -International Center for Diffraction Data - [13. ICDD под номером JCPDS №09-0432], без примеси исходных компонентов и других фаз (Фиг.3). Удельная поверхность образца составила 39 м/г, средний размер частиц 51 нм.
4
2
2
4
2
2
2
Пример 3. 7.89 г CaHPO, 2.35 г СаО и 0.14 г аморфного гидратированного оксида кремния состава - SiO.0.47HO помещают в фарфоровую чашку и перемешивают в течение 0.5-1 минуты. В стальные барабаны планетарной мельницы АГО-2 загружают по 200 г стальных шаров диаметром 8 мм. Загружают взвешенную смесь CaHPO, СаО и аморфного гидратированного оксида кремния SiO.0.47HO в количестве 10.38 г. в каждый барабан и активируют 30 минут, со скоростью вращения барабанов 1200 об/мин. Полученный продукт исследуют методом рентгенофазового анализа (РФА). На фиг.4 приведена рентгенограмма под номером 2511-0.2Si, на которой присутствуют только рефлексы ГАП, которые идентичны стандартной рентгенограмме гидроксилапатита, приведенной в картотеке - [13. ICDD под номером JCPDS №09-0432]. Удельная поверхность образца составила 36 м/г, средний размер частиц 60 нм.
4
2
2
4
2
2
2
Пример 4. 7.62 г CaHPO, 2.46 г. СаО и 0.29 г аморфного гидратированного оксида кремния SiO.0.47HO помещают в фарфоровую чашку и перемешивают в течение 0.5-1 минуту. В стальные барабаны планетарной мельницы АГО-2 загружают по 200 г.стальных шаров диаметром 8 мм. Загружают взвешенную смесь CaHPO, СаО и аморфного гидратированного оксида кремния SiO.0.47HO в количестве 10.37 г. в каждый барабан и активируют 30 минут, со скоростью вращения барабанов 1200 об/мин. Полученный продукт исследуют методом рентгенофазового анализа (РФА). На фиг.4 приведена рентгенограмма под номером 2512-0.4S1, на которой присутствуют только рефлексы ГАП, согласно данным картотеки ICDD [13. ICDD-International Center for Diffraction Data, JCPDS №09-0432)]. Удельная поверхность образца составила 39 м/г, средний размер частиц ~51 нм.
4
2
2
4
2
2
2
Пример 5. 7.34 г CaHPO, 2.57 г. СаО и 0.43 г аморфного гидратированного оксида кремния SiO.0.47HO помещают в фарфоровую чашку и перемешивают в течение 0.5-1 минуту. В стальные барабаны планетарной мельницы АГО-2 загружают по 200 г. стальных шаров диаметром 8 мм. Загружают взвешенную смесь CaHPO, СаО и аморфного гидратированного оксида кремния SiO.0.47HO в количестве 10.34 г. в каждый барабан и активируют 30 минут, со скоростью вращения барабанов 1200 об/мин. Полученный продукт исследуют методом рентгенофазового анализа (РФА). На фиг.4 приведена рентгенограмма под номером 2513-0.6Si, на которой присутствуют только рефлексы ГАП, согласно данным картотеки [13. ICDD-International Center for Diffraction Data, JCPDS №09-0432)]. Удельная поверхность образца составила 42 м/г, средний размер частиц ~47 нм.
4
2
2
4
2
2
2
Пример 6. 7.07 г CaHPO, 2.69 г. СаО и 0.58 г аморфного гидратированного оксида кремния SiO.0.47НО помещают в фарфоровую чашку и перемешивают в течение 0.5-1 минуты. В стальные барабаны планетарной мельницы АГО-2 загружают по 200 г. стальных шаров диаметром 8 мм. Загружают взвешенную смесь CaHPO, СаО и аморфного гидратированного оксида кремния SiO.0.47HO в количестве по 10.34 г. в каждый барабан и активируют 30 минут, со скоростью вращения барабанов 1200 об/мин. Полученный продукт исследуют методом рентгенофазового анализа (РФА). На Фиг.4 приведена рентгенограмма под номером 2514-0.8 Si, на которой присутствуют только рефлексы ГАП [13. ICDD-International Center for Diffraction Data, JCPDS №09-0432)]. Удельная поверхность образца составила 49 м/г, средний размер частиц ~41 нм.
Подобным образом синтезированы образцы ГАП, с введением аморфного гидратированного оксида кремния из расчета до 2 молей кремния на элементарную ячейку. Характеристика образцов приведена в таблице. Рентгенограммы всех синтезированных образцов с соответствующим количеством кремния приведены на Фиг.4. Образцы, помимо рентгенофазового анализа исследовались методом высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ) и энерго-дисперсионного рентгеновского микроанализа (ЭДРМА). На Фиг.5 приведено фото ВРЭМ одного из синтезированных образцов 2514-0.8Si, в качестве примера, из которого видно, что наночастицы, размером 10-20 нм, имеют протяженную кристаллическую решетку и, согласно, ЭДРМА, кремний входит в структуру ГАП.
Был количественно рассчитан фазовый состав всех продуктов механохимического синтеза методом Ритвельда, который показал, что исходные соединения отсутствуют, данные приведены в таблице. Рассчитанные параметры решетки образцов показали, что при введении силикатного иона в решетку ГАП более 1.2 моля, резко изменяются параметры решетки, особенно, ее объем, и параметр а (Фиг.6). Это могло быть обусловлено присутствием второй фазы. Из-за малого размера частиц рефлексы образцов уширены. Поэтому для идентификации второй фазы был проведен отжиг образцов при 1000°С.На дифрактограммах образцов после отжига выявлено, что при введении кремния до 1.2 моля на элементарную ячейку ГАП, присутствуют только рефлексы ГАП, а начиная с введения 1.4 моля кремния, появляются рефлексы второй фазы, интенсивность которых возрастает с увеличением оксида кремния в реакционной смеси (Фиг.7). Согласно картотеке Международного центра дифракционных данных - International Center for Diffraction Data - [14. ICDD карточка PDF под номером, №73-1181], второй фазой при синтезе ГАП с введением более 1.2 моля кремния, является силикокарнотит.
10
4-
4.8
4
1.2
0.8
Таким образом, однофазный продукт гидроксилапатита с замещением фосфата на силикат в образцах после отжига при 900°С в течение 5-ти часов, получен при введении кремния - до 1.2 моля на элементарную ячейку, состав которого можно представить формулой: Са(PO)(SiO)(OH)
При введении в реакционную смесь синтеза ГАП гидратированного оксида кремния из расчета более, чем 1.2 моля кремния на элементарную ячейку гидроксилапатита, при отжиге образцов при 900°С в течение 5-ти часов образуется вторая фаза - силикокарнотит.
Таблица 1
Кристаллографические характеристики образцов
Назва-ние образ-ца
Концентрация введенного Si, моль
Параметры, вычисленные из рентгенограмм
Уд. поверх. м<sup>2</sup>/г
Размер частиц в нм
Концентрация ГАП, %
ОКР, НМ
а, А
с, А
V, A<sup>3</sup>
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2511-30
0,2
100
20
9,417
6,909
530,6
36
55
2512-30
0,4
100
25
9,409
6,913
530,0
39
51
2513-30
0,6
100
21
9,402
6,919
529,8
42
47
2514-30
0,8
100
24
9,407
6,916
530,0
49
41
2515-30
1
100
19
9,403
6,923
530,1
51
39
2516-30
1,2
100
22
9,401
6,924
529,9
55
35
2517-30
1,4
100
19
9,421
6,919
531,9
42
47
2518-30
1,5
100
21
9,423
6,920
532,2
42
47
2519-30
1,6
100
17
9,405
6,925
530,5
50
40
2532-30
1,8
100
17
9,402
6,924
530,0
53
37
2520-30
2
100
18
9,425
6,924
532,7
51
39