способ получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия

Формула изобретения

Способ получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия, включающий синтез порошка взаимодействием водных растворов соли кальция и гидрофосфата натрия, формование и обжиг, отличающийся тем, что в качестве соли кальция используют ацетат кальция, при этом мольное соотношение Са/Р для исходных растворов лежит в интервале 0,8-1,3, после сушки порошок представляет собой смесь ацетата натрия и карбонатгидроксиапатита (КГАП), которые после обжига при нагревании 900-1200°С в течение 2-6 ч образуют материал, фазовый состав которого представлен трикальцийфосфатом (ТКФ) и ренанитом (NaCaPO₄).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицины, может быть использовано в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, а также в качестве носителей лекарственных средств.

В качестве биодеградируемых материалов используют фосфаты кальция с соотношением Са/Р менее 1,67. Такими фосфатами могут являться аморфный фосфат кальция (АФК), трикальцийфосфат (ТКФ), пирофосфат(ПФК), брушит [1]. В медицинской практике используют материалы на основе гидроксиапатита (ГАП), содержащего в качестве биодеградируемой фазы одну из таких фаз или их сочетание [2]. В качестве биодеградируемой фазы или деградируемого материала могут быть использованы стекла в системе СаО-Р₂O ₅, Na₂O-P₂O₅-CaO, K ₂O-P₂O₅-CaO, Na₂O-P ₂O₅-CaO-SiO₂, K₂O-P ₂O₅-CaO-SiO₂ и другие [3].

Известен способ получения биодеградируемого материала, содержащего фосфаты кальция и натрия, в том числе ренанита NaCaPO₄ , как одной из фаз при кристаллизации стекла в системе SiO ₂-Al₂O₃-Na₂O-K₂ O-P₂O₅-F [4] или в SiO₂-CaO-Na ₂O-P₂O₅-F-K₂O [5]. Недостатком первого способа является присутствие оксида алюминия, осложняющее полную деградацию материала, недостатком второго способа является необходимость получения расплава при высокой (до 1650°С) температуре.

Известен способ обработки фосфатных руд с помощью карбоната натрия или хлорида калия при температурах 300-900°С, когда образование сложного фосфата кальция натрия (ренанита) происходит только при взаимодействии фосфатного камня с карбонатом натрия [6], или при обработке фосфатного камня алюмосиликатом или карбонатом натрия при 900°С [7]. Такой способ не подходит для синтеза ренанита медицинского назначения.

Известен способ получения слоистого композиционного материала, содержащего ГАП и стекло в системе Na₂O-P₂O₅ -CaO-SiO₂, в котором количество сложного фосфата кальция натрия невелико и составляет не более 5% [8]. Недостатком этого способа является необходимость применения для консолидации материала метода горячего прессования, требующего сложного оборудования.

Известен способ [9] получения композиционного материала на основе сложного фосфата кальция натрия - ренанита NaCaPO ₄ и желатина. Размер частиц ренанита, распределенного в органической матрице, чрезвычайно велик (500-700 мкм), что нежелательно для биорезорбируемых материалов. Кроме того, синтез ренанита в этом способе включает твердофазный синтез при 1300°С в течение 16 часов. Применение высокой температуры и длительность синтеза делают такой способ экономически невыгодным.

Известен способ получения композиционного материала, содержащего различные фосфаты кальция, кварц и кристобалит, в котором в качестве временного технологического связующего используют агрессивный раствор NaOH [10].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [11], в котором керамический биодеградируемый материал на основе фосфатов кальция и натрия получают из порошка, синтезированного в результате взаимодействия водных растворов соли кальция (Са(NО₃)₂) гидрофосфата натрия. Полученный порошок прессуют, а затем обжигают. Недостатками этого способа являются необходимость регулирования рН дополнительным введением NaOH; использование дополнительного компонента при синтезе NaHCO₃ - источника карбонат ионов и натрия; применение процедуры промывания осадка; применение лиофильной сушки в вакууме при -80°С, что требует дорогостоящего оборудования. Кроме того, полученный материал содержит устойчивую к биодеградации фазу - ГАП до 60%, что существенно снижает предел биодеградируемости материала.

Была поставлена задача разработки способа, который не содержал бы этих недостатков. Задача была решена настоящим изобретением.

В способе получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия, включающем синтез порошка взаимодействием водных растворов соли кальция и гидрофосфата натрия, формование, обжиг, согласно изобретению в качестве соли кальция используют ацетат, при этом мольное соотношение Са/Р для исходных растворов лежит в интервале 0,8-1,3, при этом синтез исходного порошка проводят из водных растворов ацетата кальция и гидрофосфата натрия при температуре 40-60°С. Концентрации исходных растворов как ацетата кальция, так и гидрофосфата натрия лежат в интервале 0,3-1,0. Соотношение Са/Р лежит в интервале 0,8-1,3. После фильтрования осадка и сушки порошок представляет собой смесь ацетата натрия и карбонатгидроксиапатита (КГАП). Образование двухфазного керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция натрия, а именно ТКФ и ренанита, происходит при обжиге сформованных прессованием образцов в интервале температур 900-1200°С в течение 2-6 часов.

Синтез порошка происходит в соответствии с формальной реакцией (1):

Синтез при температуре ниже 40°С приводит к формированию трудно фильтруемого осадка. Нагревание выше 60°С приводит к существенному понижению концентрации ацетат ионов, что неблагоприятно сказывается на уровне рН в реакционной смеси. Na₂HPO₄, взятый в избытке относительно соотношения Са/Р=1,67, необходимого для синтеза стехиометрического гидроксиапатита, обеспечивает в реакционной смеси формирование буферного раствора, поддерживающего рН на протяжении всего синтеза. В заявленных пределах для соотношения Са/Р 0,8-1,3 рН находится на уровне 8 и гарантирует протекание синтеза с необходимым соотношением гидроксиапатита и сопутствующих солей. При соотношении Са/Р менее 0,8 или более 1,3 возможно изменение состава буферного раствора и отклонение от необходимого уровня рН. Близость ионных радиусов Са²⁺ и Na⁺ создает условия для формирования Na-замещенного гидроксиапатита (Na-ГАП). Такое замещение требует компенсации зарядов ионной решетки, которая реализуется замещением части групп (РO₄)^3-. И тогда такая реакция будет записана следующим образом (реакция 2);

Таким образом после синтеза, фильтрования и сушки порошок будет состоять из Na-замещенного карбонатгидроксиапатита (Na-КГАП) и адсорбированных сопутствующих продуктов реакции, состоящих из ацетата натрия и гидрофосфата натрия.

Формирование микроструктуры и фазового состава биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция натрия происходит в процессе обжига. При этом из Na-КГАП и сопутствующего продукта образуются биорезорбируемые фазы ТКФ и ренанита (фосфата кальция натрия) (реакции 3-7). Возможно формирование некоторого количества стеклофазы из карбоната натрия и гидрофосфата натрия в системе Na₂ O-P₂O₅, которая, взаимодействуя с фосфатами кальция, может обогащаться СаО, преобразуясь в систему Na ₂O-P₂O₅-CaO. Указанный расплав интенсифицирует происходящие процессы спекания и фазообразования, а впоследствии кристаллизуется с образованием фаз ренанита и ТКФ.

Обжиг материала при температуре ниже 900°C с выдержкой при этой температуре менее 2 часов не обеспечивает получения полностью спеченного материала. Обжиг при температуре выше 1200°C с выдержкой при этой температуре более 6 часов ведет к деградации микроструктуры биодеградируемого керамического материала, связанного с аномальным ростом зерен.

Пример 1

1 л 0,5М раствора ацетата кальция 10Са(СН₃СОО)₂ приливают к 1 л 0,5М раствора Na₂HPO₄. Дополнительный регулятор рН среды не используется, так как присутствие в растворе ацетат-ионов и гидрофосфат-ионов при заданном соотношении исходных компонентов обеспечивает формирование буферной смеси.

Порошок исходной шихты после фильтрования и сушки содержит 10% сопутствующего продукта и 90% Na-КГАП Са_10-х/2Na_x/2(PO ₄)_6-х(СО₃)_х(ОН)₂ . Из полученного порошка формуют образцы в виде балочек или дисков. При нагревании в течение 4 часов при 1050°С происходит образование керамического биодеградируемого материала, фазовый состав которого представлен ТКФ и ренанитом.

Аналогично были изготовлены образцы керамического биодеградируемого материала на основе ренанита при заявленных условиях (Таблица). Из таблицы следует, что при указанных условиях синтеза исходной шихты и указанных условиях термообработки формируется материал, фазовый состав которого представлен ТКФ и ренанитом. Такой материал является биодеградируемым керамическим материалом, выделяющим при взаимодействии со средой организма Na⁺, Ca²⁺, PO₄ ^3-, из которых два последних иона являются источником компонентов для формирования ГАП in vivo.

Таблица
		Состав исходной шихты	Обжиг	Фазовый состав
	Са/Р, моль	Na-КГАП, %	(NaCH3COO+Na2HPO4), %	Т, °С	t, час
1	0,8	92	8	900	2	ТКФ, ренанит
2	1,0	90	10	1050	4	ТКФ, ренанит
3	1,3	87	12	1200	6	ТКФ, ренанит

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что применение заявленного способа позволяет получать керамический биодеградируемый материал на основе фосфатов кальция натрия, содержащего после обжига фазы ТКФ и ренанита.