СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КАРБОНАТГИДРОКСИАПАТИТА И БРУШИТА

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, а именно к способам получения смесей фосфатов кальция (ФК), которые являются биологически активными соединениями и в этой связи могут быть использованы для создания новых керамических, композиционных материалов, цементных масс и лечебных паст для травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.

ФК рассматриваются как наиболее перспективные соединения с точки зрения возможности их использования в медицине в составе материалов, предназначенных для восстановления дефектов костных тканей. Обусловлено это близостью их кристалло-химического состава минеральной компоненте кости, наличием в структуре ионов Ca²⁺ и PO₄ ^3-, которые в процессе растворения синтетической конструкции могут служить строительными элементами вновь образующейся ткани, что обуславливает такие свойства биоматериалов, как биоактивность и остеокондуктивность и обеспечивает эффективную интеграцию инородного тела в живую систему. Для создания требуемого уровня биохимических характеристик (дисперсность, растворимость, прочностные свойства и др.) варьируют как физическую форму, в которой предлагается использовать материал (цементы, блоки, гранулы, керамики, покрытия на металлических имплантантах и др.), так и его состав. Все большее внимание уделяется разработке способов создания материалов на основе нескольких кальцийсодержащих соединений.

По данным научной и патентной литературы в качестве компонентов биоматериалов может быть использован широкий спектр веществ. К их числу относятся все известные ФК (одиннадцать соединений с атомным соотношением Ca/P в пределах от 0.5 до 2.0), как минимум, две изоморфные разновидности гидроксиапатита (ГА), Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) - Ca₁₀(PO₄)₆Cl₂, Ca₁₀(РО₄)₆F₂, а также некоторые соли кальция, например Ca₂P₂O₇, CaCO₃. Однако согласно опубликованным работам [1-12], а также сведениям о коммерчески доступных материалах [2, 12-14] разработан, исследован и применяется в медицинских целях очень узкий круг полифазных составов на основе Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂, (α,β-)Ca₃(PO₄)₂ (α,β-ТКФ), реже CaCO₃, Ca₁₀(PO₄)₆F₂, Ca₂P₂O₇ (ПФК). Так, известны способы получения смесей ГА + β-ТКФ, ГА + α-ТКФ, ГА + β-ТКФ + α-ТКФ путем разложения нестехиометрического ГА (нГА, Ca/Р=1.50÷1.66) при высоких температурах (t>700°C) [1-6], твердофазного взаимодействия CaHPO₄·2Н₂О или CaHPO₄ с CaCO₃, β-Ca₃(РО₄)₂ с Ca(ОН)₂ [2] или гидротермального синтеза [2]. Бифазную резорбируемую керамику на основе β-Ca₃(PO₄)₂ и Ca₂P₂O₇ в работах [9, 15] предложено получать термическим разложением ОКФ. Статьи [7, 8] и патенты [16, 17] регламентируют способы получения композиционных материалов, содержащих ГА и карбонат кальция.

Наиболее близким по техническому решению является способ получения наноразмерного порошка для биоматериалов на основе системы ГА-карбонат кальция (патент №2440149). В прототипе двухфазные смеси получали в результате химического осаждения из водных растворов гидрокарбоната и гидрофосфата аммония и водного раствора, содержащего взвесь гидроксида кальция, с последующей промывкой в этаноле, фильтрованием и сушкой до удаления жидкой фазы. Согласно изобретению сразу после осаждения порошок подвергают старению в маточном растворе в течение не менее 14 суток. В результате получают продукт состава 75÷85 масс.% ГА и 15÷25 масс.% карбоната кальция, характеризующийся площадью удельной поверхности не менее 210 г/м².

К недостаткам данного технического решения можно отнести длительность процесса синтеза (14 суток), а также ограниченное содержание примесной к ГА фазы - CaCO₃ (15÷25 масс.%), ввиду необходимости создания определенной площади удельной поверхности и растворимости.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке способа, позволяющего за 2 суток получать порошковый материал на основе смеси нКГА и брушита с варьируемым в широком диапазоне содержанием компонентов.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения порошкового материала на основе карбонатгидроксиапатита и брушита, включающий смешение растворов солей кальция и фосфата, отстаивание, фильтрование, промывку от маточного раствора и сушку, при этом в качестве исходных компонентов используют четырехводный нитрат кальция и безводный двузамещенный фосфат аммония, соотношение концентраций реагентов (Ca/Р) задают равным 1.00 или 1.70, концентрацию Са(NO₃)₂ в реакционной системе варьируют в диапазоне 0.010÷0.050 моль/л, содержание (NH₄)₂HPO₄ рассчитывают исходя из выбранного соотношения Ca/Р и концентрации Ca(NO₃)₂, pH поддерживают на уровне 5.00÷6.50, после осаждения полученную твердую фазу выдерживают под маточным раствором в течение 2 суток при температуре 22÷25°C, отфильтровывают, промывают дистиллированной водой, высушивают при 80°C до полного удаления химически не связанной воды.

Соотношение концентраций реагентов в водных растворах (Ca/Р) задают равным 1.00 или 1.70, что соответствует стехиометрии брушита (CaHPO₄·H₂O, Ca/Р=1.00) или несколько превышает значение Ca/Р=1.67, характерное для стехиометрического ГА - Ca₁₀(РО₄)₆OH₂ соответственно. Во втором случае превышение допущено с целью учета отклонения величины выхода ФК от 100%.

Концентрацию Ca(NO₃)₂ в реакционной среде варьируют в диапазоне 0.010÷0.050 моль/л. Использование более разбавленных растворов делает процесс осаждения менее производительным. В случае когда концентрация реагентов в системе превышает 0.050 моль/л, формируются монофазные осадки, сложенные брушитом.

pH реакционных сред в процессе синтеза поддерживают в слабокислой области, поскольку в данных условиях возможно совместное осаждение брушита и ГА. При pH<5.00 в исследуемой системе не наблюдается формирования твердой фазы, тогда как при pH>6.50 образуются осадки, состоящие из нестехиометрического плохоокристаллизованного и/или высокодисперсного ГА.

Готовые реакционные смеси оставляют для кристаллизации на 2 суток при комнатной температуре (22-25°C), что обеспечивает установление равновесия между твердой и жидкой фазой.

Отфильтрованную твердую фазу промывают на фильтре дистиллированной водой 5-8 раз. При этом объем промывных вод на каждой стадии промывки составляет 50 мл. После этого полученный осадок высушивают в тонком слое при температуре не более 80°C для обеспечения постепенного удаления химически не связанной воды и предотвращения потери брушитом кристаллизационной воды.

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

- в качестве исходных реагентов используют четырехводный нитрат кальция и безводный двузамещенный фосфат аммония, взятые из расчета, что соотношение их концентраций в конечной системе (Ca/Р) равно 1.00 или 1.70;

- концентрацию Ca(NO₃)₂ в реакционной системе варьируют в диапазоне 0.010-0.050 моль/л, содержание (NH₄)HPO₄ рассчитывают исходя из выбранного соотношения Ca/Р и концентрации Ca(NO₃)₂;

- осаждение проводят в водных растворах, pH которых принимает значения из диапазона 5.00÷6.50 и задается после смешения растворов исходных реагентов.

Благодаря совокупности этих отличительных признаков заявляемым способом получают порошкообразный двухфазный продукт, содержащий до 90 масс.% пластинчатых кристаллов брушита в смеси с наноразмерным нКГА Б-типа (Са/Р≈1.50), который может быть использован для создания новых керамических, композиционных материалов, цементных масс и лечебных паст для травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.

Предлагаемый способ получения порошкового материала, содержащего смесь нКГА и брушита, основан на возможности осаждения в водных растворах ФК различной стехиометрии. Границы областей устойчивости солей определяются величинами pH, исходных концентраций реагентов и их соотношением (Ca/Р). Варьирование данных параметров позволяет изменять относительные концентрации четырех полиморфных форм ортофосфорной кислоты (Н₃РО₄↔Н₂РО₄ ^-↔НРО₄ ^2-↔РО₄ ^3-) и, следовательно, химический состав и количество ФК, формирующихся в результате прямого осаждения. Таким образом, подбор условий кристаллизации, на основании имеющихся данных об относительной устойчивости различных ФК ([1, 18, 19]), дает возможность проводить быстрый одностадийный синтез двухфазных материалов с различным содержанием компонентов. При этом присутствие карбонат-ионов в используемой для синтеза дистиллированной воде, обусловленное самопроизвольным растворением CO₂ воздуха в воде, обеспечивает возможность включения аниона в состав кристаллизующихся солей без дополнительного введения в реакционную среду карбонатсодержащих реагентов.

Заявляемый способ подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Порошок состава 17 масс.% брушита и 83 масс.% нКГА получали путем покапельного смешения водных растворов Са(NO₃)₂ (с добавкой 5 мл концентрированного раствора аммиака) и (NH₄)₂HPO₄ с корректировкой pH полученного раствора до значения 6.00±0.05. Осадок выдерживали под маточным раствором при комнатной температуре в течение 2 суток, после чего отфильтровывали, промывали, высушивали и перемалывали до порошкообразного состояния. Полученный порошок состоял из пластинчатых кристаллов брушита с наростами агрегатов нанокристаллитов ГА (ОКР≈11 нм) и характеризовался соотношением Ca/Р=1.34±0.13, площадью удельной поверхности 69±4 м²/г, средним модальным диаметром частиц 70 мкм и растворимостью в физиологическом растворе 0.51 ммоль/л.

Пример 2. Порошок состава 61 масс.% брушита и 39 масс.% нКГА получали путем быстрого смешения водных растворов Ca(NO₃)₂ и (NH₄)₂HPO₄ с корректировкой pH полученного раствора до значения 5.95±0.05. Осадок выдерживали под маточным раствором при комнатной температуре в течение 2 суток, после чего отфильтровывали, промывали, высушивали и перемалывали до порошкообразного состояния. Полученный порошок состоял из агломератов пластинчатых кристаллов брушита с наростами агрегатов нанокристаллитов ГА (ОКР≈13 нм) и характеризовался соотношением Ca/Р=1.16±0.05, площадью удельной поверхности 29±2 м²/г, средним модальным диаметром частиц 110 мкм и растворимостью в физиологическом растворе 0.65 ммоль/л.

Подобным образом изготовлены порошки, содержащие в своем составе до 90 масс.% пластинчатых кристаллов брушита в смеси с наноразмерным нКГА. Характеристика образцов приведена в таблице в сравнении с чистыми фазами ГА и брушита.

На фиг.1 приведены дифрактограммы всех смесей, где численными значениями, выраженными в %, указаны доли брушита (Бру) в образцах; ГА - порошок, на 100% состоящий из гидроксиапатита, Бру - на 100% брушита. Осадки, помимо рентгенофазового, элементного и дисперсионного анализа, исследовались методом ИК-Фурье-спектроскопии.

На фиг.2 приведены ИК-спектры порошков, где численными значениями, выраженными в %, указаны доли брушита (Бру) в образцах. На данных спектрах присутствуют полосы поглощения группировок CO₃ ^2-, включенных в положения фосфатов в ГА, что указывает на формирование в предложенных условиях карбонатгидроксиапатита Б-типа.

Исследование порошков методом дифференциально-термического анализа в сочетании с рентгенофазовым показало, что в результате воздействия высоких температур (t>700°C) происходит разложение исходных составляющих всех образцов с образованием смесей пирофосфата кальция и β-ТКФ. При этом Ca₂P₂O₇ формируется из брушита:

β-ТКФ является единственным продуктом разложения синтетического КГА:

Согласно [20] данный тип превращений характерен для кальцийдефицитного ГА с Ca/Р=1.50 при нагревании до температур более 700°C. Таким образом, в состав синтетических смесей совместно с брушитом входит нестехиометрическая форма КГА [Ca₉(PO₄)_6-x-y(НРО₄)_y(СО₃)_x(ОН)_2-y], характеризующаяся величиной Ca/Р≈1.50.

Литература

1. Баринов С.М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины / С.М. Баринов // Успехи химии. - 2010. - Т.79, №1. - С.15-32.

2. Dorozhkin S.V. Biphasic, triphasic and multiphasic calcium orthophosphates / S.V. Dorozhkin // Acta Biomaterialia. - 2012. - V.8. - P.963-977.

3. Комлев B.C. Формирование микроструктуры и свойства кальцийфосфатной керамики для инженерии костной ткани: дис. … докт. тех. наук: 05.17.11 / Комлев Владимир Сергеевич. - М., 2011. - 340 с.

4. Dorozhkina E.I. Mechanism of the solid-state transformation of a calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) into biphasic calcium phosphate (BCP) at elevated temperatures / E.I. Dorozhkina, S.V. Dorozhkin // Chem. Mater. - 2002. - V.14. - P.4267-4272.

5. Furuzono T. Preparation of plated β-tricalcium phosphate containing hydroxyapatite for use in bonded inorganic-organic composites / T. Furuzono, D. Walsh, S. Yasuda, K. Sato, J. Tanaka, A. Kishida // Journal of materials science. - 2005. - V.40. - P.2595-2597.

6. Dorozhkin S.V. Amorphous calcium (ortho)phosphates / S.V. Dorozhkin // Acta Biomaterialia. - 2010. - V.6, №12. - P.4457-4475.

7. Смирнов В.В. Синтез композиционных биоматериалов в системе гидроксиапатит-кальцит / В.В. Смирнов, М.А. Гольдберг, Л.И. Шворнева, И.В. Фадеева, Т.В. Шибаева, С.М. Баринов //Доклады академии наук. - 2010. - Т.432, №2. - С.199-202.

8. Гольдберг М.А. Влияние времени старения на свойства порошков в системе гидроксилапатит-карбонат кальция / М.А. Гольдберг, В.В. Смирнов, В.М. Иевлев, С.М. Баринов, С.В. Куцев, Т.В. Шибаева, Л.И. Шворнева // Неорганические материалы. - 2012. - Т.48, №2. - С.225-230.

9. Кукуева Е.В. Бифазная резорбируемая керамика ТКФ/ПФК, полученная из продуктов разложения октакальциевого фосфата / Е.В. Кукуева, В.И. Путляев, Т.В. Сафронова // Тезисы докладов конференции «Нанотехнологии в онкологии 2010». - М., 2010. - С.25-27.

10. Dorozhkin S.V. Bioceramics of calcium orthophosphates / S.V. Dorozhkin // Biomaterials. - 2010. - №31. - P.1465-1485.

11. Grover L.M. Biologically mediated resorption of brushite cement in vitro / L.M. Grover, U. Gbureck, A.J. Wright, M. Tremayne, J.E. Barralet // Biomaterials. - 2006. - V.27. - P.2178-2185.

12. Huan Z. Calcium - phosphate - silicate composite bone cement: self-setting properties and in vitro bioactivity / Z. Huan, J. Chang // J. Mater. Sci: Mater. Med. - 2009. - V.20. - P.833-841.

13. Баринов С.М. Цементы на основе фосфатов кальция для медицинского применения / С.М. Баринов, B.C. Комлев, А.Н. Гурин, И.В. Фадеева, П.В. Бакунова, А.С.Фомин // Тезисы докладов конференции «Нанотехнологии в онкологии 2010». - М., 2010. - С.3-13.

14. Фомин А.С. Нанокристаллическая гидроксилапатитовая керамика, полученная спеканием при пониженной температуре после воздействия высоких давлений / А.С. Фомин, С.М. Баринов, В.М. Иевлев, В.В. Смирнов, Б.П. Михайлов, Е.К. Белоногов, Н.А. Дроздова // Доклады академии наук. - 2008. - Т.418, №3. - С.352-355.

15. Путляев В.И. Способ подготовки шихты для получения керамического биодеградируемого материала / В.И. Путляев, Т.В. Сафронова, Е.В. Кукуева, Ю.Д. Третьяков // Патент на изобретение №2456253 от 24.06.2010 г., www.fips.ru.

16. Смирнов В.В. Способ получения наноразмерного порошка для биоматериалов / В.В. Смирнов, М.А. Гольдберг, С.М. Баринов // Патент на изобретение №2440149 от 06.07.2010 г., www.fips.ru.

17. Баринов С.М. Композиционный материал на основе гидроксиапатита и карбоната кальция для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях // С.М. Баринов, В.В. Смирнов, М.А. Гольдберг, В.И. Чиссов, Н.С. Сергеева, И.К. Свиридова, В.А. Кирсанова, С.А. Ахмедова // Патент на изобретение №2429885 от 16.06.2010 г., www.fips.ru.

18. Солоненко А.П. Термодинамическое моделирование процессов образования ортофосфатов кальция / А.П. Солоненко, О.А. Голованова // Бутлеровские чтения. - 2011. - Т.24, №4. - С.106-112.

19. Солоненко А.П. Определение возможности и условий осаждения брушита из водных растворов при варьировании параметров кристаллизационной среды / А.П. Солоненко, О.А. Голованова, B.C. Ишутина // Бутлеровские сообщения. - 2010. - Т.21, №8. - С.17-27.

20. Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphates / S.V. Dorozhkin // J. Mater. Sci. - 2007. - №42. - P.1061-1095.