СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СИЛИКАТЗАМЕЩЕННОГО КАРБОНАТГИДРОКСИАПАТИТА

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, а именно к способам получения нанокристаллического силикатзамещенного карбонатгидроксиапатита (КГА), который, ввиду создаваемой дефектности структуры, характеризуется более высокой растворимостью в физиологическом растворе, и в этой связи может быть использован для формирования кальциево-фосфатных покрытий на металлических имплантантах, а также создания новых керамических и композиционных материалов для травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии.

Для расширения возможностей использования ГА в медицинских целях, а именно создания новых материалов для эффективного возмещения утраченных участков твердых тканей, разрабатываются вопросы получения различных форм основного фосфата кальция, содержащих изоморфные примеси. Особое внимание при этом уделяется элементам и группировкам, которые являются естественными компонентами кости, как то: натрий, калий, магний, карбонаты, силикаты и др. [1-13]. Активная роль кремния в процессах роста и регенерации минерализованного матрикса, демонстрируемая в работах [14, 15], указывает на потенциальную эффективность использования силикат-ионов в качестве допантов синтетического ГА медицинского назначения.

Для получения силикатзамещенных форм ГА предложены различные методы, в числе которых твердофазный [8, 16, 17], гидротермальный синтез [18, 19], а также осаждение в водном растворе [9, 11-13, 20-22]. Тогда как первые две группы методов для проведения операций синтеза требуют специального аппаратурного оформления, способ осаждения малорастворимых фосфатов кальция (ФК) из водных растворов получил широкое распространение ввиду простоты исполнения и возможности значительного варьирования условий проведения без существенных энергетических и материальных затрат. «Мокрым» способом удается получать ФК требуемого состава, приближенные к биогенным аналогам по структуре, морфологии, дисперсности.

Для введения силикат-ионов в состав ГА при его синтезе методом осаждений в качестве кремнийсодержащих реагентов используются Na₂SiO₃, Ca₂SiO₄, Mg₂SiO₄, Si(C₂H₅O)₄, Si(C₃H₇O)₄, Si(СН₃СОО)₄, коллоидный или аморфный SiO₂ [9, 11-13, 20-23]. При этом ряд предлагаемых соединений плохо растворим в водных средах, в связи с чем возникают определенные ограничения по количеству используемой добавки и силикатионов, включаемых в состав кристаллизующейся из раствора фазы. Кроме этого, порошки, получаемые с использованием данных кремниевых агентов, часто плохо окристаллизованы и загрязнены примесями вторично образовавшихся фаз [12]. В условиях же правильного подбора исходных реагентов возможно получение монофазных ГА, содержащих только силикатные замещения или дополнительные к примесные группировки (например, ), изменяющие характеристики структуры ФК и, следовательно, его свойства.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ получения путем осаждения ГА, содержащего изоморфные примеси Na⁺, и , как материала, который может быть использован для изготовления керамики, композитов с полимерами и других медицинских целей [13]. В прототипе стехиометрический ГА и серия силикатзамещенных образцов синтезированы осаждением в процессе титрования растворами NaH₂PO₄ и Na₄SiO₄ суспензии Са(ОН)₂, полученной в результате прокаливания при 1100°С в течение 4 часов СаСО₃ и гашения образовавшегося СаО. Количество реагентов было рассчитано для фиксированного соотношения Ca/(P+Si)=1.67 при мольной доле силикатов в системе от 0 до 50%. Синтез проводили в открытом полиэтиленовом сосуде в статической атмосфере, смесь исходных растворов реагентов термостатировали при 37°С в течение 24 часов, после чего отфильтровывали и высушивали при 105°С в течение 24 часов. Описанный способ позволял получать нанокристаллический ГА, в состав которого входило до 8.1 масс. % кремния, порядка 0.40 масс. % натрия и 0.30-1.12 масс. % углерода (в форме карбонатов, которые появлялись в составе реакционной системы в результате растворения в водной среде СО₂ воздуха; подобный эффект отмечается в ряде работ [9, 18, 21, 24]).

Недостатки данного технического решения заключаются в:

- использовании в процессе синтеза суспензии Са(ОН)₂, что делает реакционную среду изначально гетерогенной и повышает вероятность получения продукта, содержащего примеси;

- необходимости поддержания температуры на уровне 37°С в процессе созревания ФК под маточным раствором.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа, позволяющего упростить процедуру получения нанокристаллического силикатзамещенного КГА за счет использования легкорастворимых и доступных кальциевых, фосфатных и силикатных реагентов и выполнения синтеза при комнатной температуре без специального термостатирующего оборудования.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения нанокристаллического силикатзамещенного карбонатгидроксиапатита, включающий смешение растворов солей кальция, фосфата и силиката, отстаивание, фильтрование, промывку от маточного раствора и сушку, при этом смешивают растворы четырехводного нитрата кальция, безводного двузамещенного фосфата аммония, пятиводного метасиликата натрия при соотношении концентраций Ca/(P+Si), равном 1,70, и доле силикат-ионов в общем количестве осадкообразующих анионов , составляющей не более 30 мол. %, рН поддерживают на уровне 9.00÷12.00, полученную в результате осаждения твердую фазу выдерживают под маточным раствором в течение 2 суток при температуре 22÷25°С, затем отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и высушивают при 80°С до постоянной массы.

Соотношение концентраций реагентов в водном растворе Ca/(P+Si) задают равным 1.70, что необходимо для формирования в щелочных растворах фазы основного фосфата кальция. Превышение значения Са/Р=1.67, характерного для стехиометрического ГА - Са₁₀(PO₄)₆ОН₂, допущено с целью учета растворимости ФК и отклонения величины его выхода от 100%.

Долю кремниевого агента в растворах создают равной не более 30 мол. %. Превышение данного значения приводит к формированию в результате осаждения в заявляемых условиях аморфного продукта, в составе которого кристаллические фазы (Ca₅(PO₄)₂SiO₄ и Са₁₀(PO₄)₆ОН₂) фиксируются лишь после прокаливания при 1100°С в течение не менее 2 часов.

Значение рН реакционных сред в процессе синтеза поддерживают в щелочной области. При рН меньше 9.00 (±0.05) в условиях, заявляемых в данном техническом решении, возможно формирование смеси плохо окристаллизованного ГА и октакальция фосфата (ОКФ, Ca₈H₂(PO₄)₆·5H₂O). В сильнощелочных средах с рН более 12.00 (±0.05) отмечается образование совместно с нанокристаллическим силикатзамещенным карбонатгидроксиапатитом некоторого количества силиката кальция.

Готовые реакционные смеси оставляют для кристаллизации на 2 суток при температуре 22÷25°С, что обеспечивает установление равновесия между твердой и жидкой фазой.

Отфильтрованный осадок промывают на фильтре дистиллированной водой 5÷8 раз. При этом объем промывных вод на каждой стадии промывки составляет 50 мл. После этого полученную твердую фазу высушивают в тонком слое при температуре порядка 80°С для обеспечения постепенного обезвоживания синтетической массы.

Существенные отличительные признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что:

- в качестве исходных компонентов используют легкорастворимые и доступные четырехводный нитрат кальция, безводный двузамещенный фосфат аммония, пятиводный метасиликат натрия;

- соотношение концентраций реагентов Ca/(P+Si) задают равным 1.70, долю силикат-ионов в общем количестве осадкообразующих анионов создают равной не более 30 мол. %;

- осаждение проводят в водных растворах, рН которых поддерживают на уровне 9.00÷12.00, корректируя кислотность свежеприготовленной смеси реагентов,

Благодаря совокупности этих отличительных признаков заявляемым способом получают порошок нанокристаллического ГА, содержащий в своем составе до 7.36 масс. % силикат-ионов и до 7.34 масс. % карбонат-ионов, который может быть использован для формирования кальциево-фосфатных покрытий на металлических имплантантах, а также создания новых керамических и композиционных материалов для травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии.

Предлагаемый способ позволяет упростить процедуру получения нанокристаллического силикатзамещенного КГА за счет использования легкорастворимых и доступных кальциевых, фосфатных и силикатных реагентов. При этом варьирование концентраций вводимого кремниевого агента дает возможность получать ряд однофазных нанокристаллических КГА, содержащих от 0 до 7.36 масс. % силикат-ионов в позициях фосфатных тетраэдров. Выполнение синтеза в водной среде в атмосфере воздуха (без специальной продувки инертным газом) обеспечивает возможность перехода СО₂ воздуха в раствор и участия карбонат-ионов в реакциях фазообразования, тем самым исключается необходимость введения в реакционную систему карбонатсодержащих реагентов. Условия исполнения данного технического решения не требуют специального аппаратурного оформления процедуры синтеза для поддержания конкретной температуры и атмосферы, за счет чего достигается упрощение способа по сравнению с рядом аналогов.

Заявляемый способ подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В 250 мл дистиллированной воды растворяли 1.3134 г (NH₄)₂HPO₄ и 0.0106 г Na₂SiO₃·5H₂O =0.5 мол. %). Полученную фосфатно-силикатную смесь приливали при помощи делительной воронки со скоростью 4.5÷5.0 мл/мин к кальциевому раствору, который предварительно получали растворением 4.012 г Са(NO₃)₂·4H₂O в 250 мл дистиллированной воды с добавкой 5 мл концентрированного раствора аммиака. После полного смешения реагентов суспензию переносили в полиэтиленовый сосуд и проводили корректировку рН среды до значения 9.00±0.05 при помощи растворов NaOH (20%) или HCl (1:1). Осадок выдерживали под маточным раствором в закрытом полиэтиленовом сосуде без перемешивания при комнатной температуре в течение 2 суток, после чего отфильтровывали, промывали, высушивали при температуре 80°С в течение 5 часов и перемалывали в фарфоровой ступке до порошкообразного состояния. В результате получали порошок нанокристаллического ГА, содержащий 0.026 масс. % силикатов и 3.79 масс. % карбонатов, характеризующийся молярными коэффициентами Са/Р и Ca/(P+Si)=1.49, площадью удельной поверхности 107 м²/г и растворимостью в физиологическом растворе 0.72 ммоль/л.

Пример 2. В 250 мл дистиллированной воды растворяли 1.278 г (NH₄)₂HPO₄ и 0.053 г Na₂SiO₃·5H₂O =2.5 мол. %). Полученную фосфатно-силикатную смесь приливали при помощи делительной воронки со скоростью 4.5÷5.0 мл/мин к кальциевому раствору, который предварительно получали растворением 4.012 г Са(NO₃)₂·4H₂O в 250 мл дистиллированной воды с добавкой 5 мл концентрированного раствора аммиака. После полного смешения реагентов суспензию переносили в полиэтиленовый сосуд и проводили корректировку рН среды до значения 12.00±0.05 при помощи растворов NaOH (20%) или HCl (1:1). Осадок выдерживали под маточным раствором в закрытом полиэтиленовом сосуде без перемешивания при комнатной температуре в течение 2 суток, после чего отфильтровывали, промывали, высушивали при температуре 80°С в течение 3.5 часов и перемалывали в фарфоровой ступке до порошкообразного состояния. В результате получали порошок нанокристаллического ГА, содержащий 0.88 масс. % силикатов и 5.16 масс. % карбонатов, характеризующийся молярными коэффициентами Са/Р=1.69 и Ca/(P+Si)=1.66, площадью удельной поверхности 190 м²/г и растворимостью в физиологическом растворе 0.39 ммоль/л.

Пример 3. В 250 мл дистиллированной воды растворяли 1.122 г (NH₄)₂HPO₄ и 0.318 г Na₂SiO₃·5H₂O =15 мол. %). Полученную фосфатно-силикатную смесь приливали при помощи делительной воронки со скоростью 4.5-5,0 мл/мин к кальциевому раствору, который предварительно получали растворением 4.012 г Са(NO₃)₂·4H₂O в 250 мл дистиллированной воды с добавкой 5 мл концентрированного раствора аммиака. После полного смешения реагентов суспензию переносили в полиэтиленовый сосуд и проводили корректировку рН среды до значения 9.00±0.05 при помощи растворов NaOH (20%) или HCl (1:1). Осадок выдерживали под маточным раствором в закрытом полиэтиленовом сосуде без перемешивания при комнатной температуре в течение 2 суток, после чего отфильтровывали, промывали, высушивали при температуре 80°С в течение 4 часов и перемалывали в фарфоровой ступке до порошкообразного состояния. В результате получали порошок нанокристаллического ГА, содержащий 3.38 масс. % силикатов и 5.17 масс. % карбонатов, характеризующийся молярными коэффициентами Са/Р=1.50 и Ca/(P+Si)=1.40, площадью удельной поверхности 93 м²/г и растворимостью в физиологическом растворе 0.64 ммоль/л.

Подобным образом изготовлены порошки нанокристаллического ГА, содержащие в своем составе до 7.36 масс. % силикат-ионов и 7.34 масс. % карбонат-ионов. Характеристика образцов приведена в таблице в сравнении с чистыми фазами ГА различной стехиометрии, полученными при тех же условиях, но в отсутствии силикатов в исходной среде. На Фиг. 1 и Фиг. 2 представлены дифрактограммы синтетических порошков, полученных при рН=9.00 (±0.05) (Фиг. 1) и 12.00 (±0.05) (Фиг. 2) и доле силикат-ионов в растворах (1) 0 мол. %, (2) 0.5 мол. %, (3) 1.0 мол. %, (4) 1.5 мол. %, (5) 2.5 мол. %, (6) 5.0 мол. %, (7) 10 мол. %, (8) 15 мол. %, (9) 30 мол. %.

Вывод о присутствии в составе всех синтетических порошков карбонат-ионов сделан на основании их исследования методом ИК-Фурье-спектроскопии. На Фиг. 3 и Фиг. 4 представлены ИК-спектры образцов, полученных при рН=9.00 (±0.05) (Фиг. 3) и 12.00 (±0.05) (Фиг. 4) и доле силикат-ионов в растворе 0 мол. %, 0.5 мол. %, 2.5 мол. %, 15 мол. %, 30 мол. %. Количественная оценка содержания примесных ионов проведена по данным термогравиметрического анализа (Табл. 1). Наличие на ИК-спектрах образцов полос поглощения группировок указывает на их включение в структуру ГА, причем в зависимости от величины кислотности реакционной среды они локализуются в различных положениях. Так, при рН=9.00 (±0.05) преимущественно реализуется механизм изоморфного замещения (1), при рН=12.00 (±0.05) - механизм (2).

С учетом частичного замещения по механизму (3), также выявленного по присутствию полос поглощения групп на ИК-спектрах порошков, брутто-формулы полученных соединений можно представить в виде (4) и (5).

Кинетические исследования процесса растворения порошков нанокристаллического силикатзамещенного КГА показали, что после двухчасового выдерживания образцов в физиологическом растворе (0.9% NaCl) при 37°С концентрация ионов кальция в водной среде, в которой инкубировались содержащие кремний ФК, в 2÷4 раза таковой для КГА, полученных в отсутствии кремниевого агента в реакционной системе. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получать порошки нанокристаллического ГА, содержащего изоморфные силикатные и карбонатные примеси, которые в разы повышают его активность при растворении в физиологическом растворе по сравнению с незамещенными аналогами (Табл. 1).

С использованием формулы Шерерра по данным РФА были определены размеры кристаллитов в направление кристаллографических осей а и с расчет выполнен по отражениям [002] b [300] соответственно. Расчет параметров решетки для образцов выполняли в программе «TOPAS 3.0» (Bruker) по методу ЛеБэйля (метод наименьших квадратов).

По данным, представленным в табл. 1, прослеживается рост параметра с при увеличении доли силикат-ионов в растворе. Синтетические твердые фазы, осажденные при pH=9.00, характеризуются меньшими величинами с по сравнению с таковыми для ГА (согласно PDF №9-432), тогда как значения данного параметра образцов из систем с pH=12.00 близки к эталонной величине либо превышают ее. В зависимости от кислотности реакционной среды прослеживается различный характер изменения параметра а при повышении X_Si. Сжатие элементарной ячейки вдоль оси а фиксируется при нарастании содержания кремния в исходном растворе с pH=9.00. В условиях синтеза при pH=12.00 значение а изменяется немонотонно: уменьшается до X_Si=2.5% и затем возрастает. Аналогичные тенденции варьирования прослеживаются для объема элементарной ячейки осажденных фаз (табл. 1). Описанные закономерности могут быть связаны с включением в структуру ГА в процессе кристаллизации изоморфных примесей в виде силикат-, карбонат-, гидрофосфат-ионов, молекул воды и/или появлением Са-вакансий. Линейные размеры кристаллитов L_a, и L_c находятся в пределах от 5.1 до 23.8 нм и изменяются при варьировании концентрации силикат-ионов.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получать порошки нанокристаллического ГА, содержащего изоморфные силикатные и карбонатные примеси, которые в разы повышают его активность при растворении в физиологическом растворе по сравнению с незамещенными аналогами.

Литература

1. Сафронова, Т.В. Способ получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия / Т.В. Сафронова, В.И. Путляев, А.В. Кузнецов, Ю.Д. Третьяков // Патент на изобретение №2372891 от 20.11.2009 г., www.fips.ru.

2. Чиссов В.И. Материал для закрытия костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях / В.И. Чиссов, СМ. Баринов, Н.С.Сергеева, И.В. Решетов, И.К. Свиридова, В.А. Кирсанова, И.В. Фадеева, B.C. Комлев, С.А. Ахмедова, М.М. Филюшин // Патент на изобретение №2333010 от 12.12.2006 г., www.fips.ru.

3. Баринов С.М. О стабилизации карбонатзамещенного гидроксиапатита изоморфным замещением кальция натрием / СМ. Баринов, И.В. Фадеева, Д. Ферро, Д.В. Pay, С.Н. Чезаро, B.C. Комлев, А.С.Фомин // Журнал неорганической химии. - 2008. - Т. 53, №2. - С. 204-208.

4. Фадеева И.В. Синтез и структура магнийсодержащих гидроксилапатитов / И.В. Фадеева, Л.И. Шворнева, СМ. Баринов, В.П. Орловский // Неорганические материалы. - 2003. - Т. 39, №9. - С.1102-1105.

5. Liao, J. Synthesis of Ca-Mg apatite via mechanochemical hydrothermal process / Liao J., Hamada K., Senna M. // Journal of materials synthesis and processing. 2000. - №8. - P. 305-311.

6. Комлев B.C. Влияние содержания карбонат-групп в карбонатгидроксилапатитовой керамике на ее поведение in vivo / B.C. Комлев, И.В. Фадеева, А.Н. Гурин, Е.С.Ковалева, В.В. Смирнов, Н.А. Гурин, СМ. Баринов // Неорганические материалы. -2009. - Т. 45, №3. - С. 373-378.

7. Климашина Е.С. Синтез, структура и свойства карбонатзамещенных гидроксилапатитов для создания резорбируемых биоматериалов: автореф. дис… канд. хим. наук: 02.00.01, 02.00.21 / Климашина Елена Сергеевна. - М., 2011. - 23 с.

8. Соин А.В. Синтез и исследование анионмодифицированных апатитов / А.В. Соин, П.В. Евдокимов, А.Г. Вересов, В.И. Путляев // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». - 2007. - Т. 45, №1. - С. 130-132.

9. Бакунова Н.В. Нанопорошки кремнийсодержащих гидроксиапатитов / Бакунова Н.В., Фомин А.С, Фадеева И.В., Баринов СМ., Шворнева Л.И. // Журнал неорганической химии. - 2007. - Т. 52, №10. - С. 1594-1599.

10. Свентская Н.В. Силикофосфатные биокомпозиционные материалы с регулируемой поровой структурой для костно-пластической хирургии: автореф. дис… канд. тех. наук: 05.17.11 / Свентская Наталья Валерьевна. - М., 2011 г. - 16 с.

11. Bianco, A. Si-substituted hydroxyapatite nanopowders: synthesis, thermal stability and sinterability / A. Bianco, I. Cacciotti, M. Lombardi, L. Montanaro // Materials Research Bulletin. - 2009. - V. 44. - P. 345-354.

12. Marchat, D. Accurate characterization of pure silicon-substituted hydroxyapatite powders synthesized by a new precipitation route / D. Marchat, M. Zymelka, С Coelho, L. Gremillard, L. Joly-pottuz, F. Babonneau, С Esnouf, J. Chevalier, D. Bernache-assollant // Acta Biomaterialia. - 2013. - V. 9. - P. 6992-7004.

13. Mostafa, N.Y. Preparation and Characterization of Na⁺, SiO₄ ^4-, CO₃ ^2- co-substituted hydroxyapatite / N.Y. Mostafa, H.M. Hassan, O.H. Abd Elkader // J. Am. Ceram. Soc, - 2011. - V. 94, №5. - P. 1584-1590.

14. Гроссер, А.В. Микроэлементы и микроэлементозы: кремний, фтор, йод (часть 1) / А.В. Гроссер, С.К. Матело, Т.В. Купец // Журнал «Профилактика сегодня». - 2009. - №10. - С. 6-14.

15. Тутельян В.А. Микронутриенты в питании здорового и больного человека / В.А. Тутельян, В.Б. Спиричев, Б.П. Суханов, В.А. Кудашева // М.: Колос. - 2002. - 424 с.

16. Чайкина, М.В. Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксилапатита // М.В. Чайкина, Н.В. Булина, Л.П. Науменко, Н.З. Ляхов // Патент на изобретение №2489534 от 23.04.2012 г., www.fips.ru.

17. Tian, Т. Synthesis of Si-substituted hydroxyapatite by a wet mechanochemical method / T. Tian, D. Jiang, J. Zhang, Q. Lin // Materials Science and Engineering С - 2008. - V. 28. - P. 57-63.

18. Aminian, A. Synthesis of silicon-substituted hydroxyapatite by a hydrothermal method with two different phosphorous sources / A. Aminian, M. Solati-Hashjin, A. Samadikuchaksaraei, F. Bakhshi, F. Gorjipour, A. Farzadi, F. Moztarzadeh, M. Schmucker // Ceramics International. - 2011. - V. 37. - P. 1219-1229.

19. Tang, X.L. Structural characterization of silicon-substituted hydroxyapatite synthesized by hydrothermal method / X.L. Tang, X.F. Xiao, R.F. Liu // Materials Letters. - 2005. - V. 59. -P. 3841-3846.

20. Gomes, S. Silicon location in silicate-substituted calcium phosphate ceramics determined by neutron diffraction / S. Gomes, J.-M. Nedelec, E. Jallot, D. Sheptyakov, G. Renaudin // Cryst. Growth Des. - 2011. - V. 11. - P. 4017-4026.

21. Sprio, S. Physico-chemical properties and solubility behaviour of multi-substituted hydroxyapatite powders containing silicon / S. Sprio, A. Tampieri, E. Landi, M. Sandri, S. Martorana, G. Celotti, G. Logroscino // Materials science & engineering C. - 2008. - V. 28. - P. 179-187.

22. Porter, A.E. Comparison of in vivo dissolution processes in hydroxyapatite and silicon-substituted hydroxyapatite bioceramics / A.E. Porter, N. Patel, J.N. Skepper, S.M. Best, W. Bonfield // Biomaterials. - 2003. - V. 24. - P. 4609-4620.

23. Вересов, А.Г. Химия неорганических биоматериалов на основе фосфатов кальция / А.Г. Вересов, В.И. Путляев, Ю.Д. Третьяков // Российский химический журнал. - 2004. - Т. 48, №4. - С. 52-64.

24. Баринов С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / С.М. Баринов, B.C. Комлев // М.: Наука, 2005. - С. 20.