способ изготовления пористых керамических гранул фосфатов кальция

Формула изобретения

Способ изготовления пористых сферических гранул фосфата кальция, заключающийся в приготовлении суспензии предварительно синтезированного порошка фосфата кальция с соотношением Са/Р от 1,5 до 1,67 с 10%-ным раствором желатина в соотношении от 0,5 до 3,0 мл раствора желатина на 1 г порошка при температуре раствора от 10 до 39°С с получением суспензии порошка в растворе желатина, добавление этой суспензии в растительное масло, перемешивание смеси лопастной мешалкой со скоростью ее вращения от 100 до 1500 об/мин с последующей промывкой гранул и их термической обработкой при температуре от 900 до 1250°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области керамических материалов для медицины, а именно травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, и может использоваться для изготовления материалов, предназначенных для заполнения костных дефектов.

Керамические гранулы могут быть изготовлены разными способами, включая дробление блоков с последующей обкаткой, распылительной сушкой, закалкой в жидкости, гидротермальным синтезом, с получением гранул нерегулярной или близкой к сферической геометрии (1-4). Последняя предпочтительна как для предотвращения воспалительных реакций организма, так и для процесса остеоинтеграции (5, 6).

Известен метод, основанный на сфероидизации жидких капель за счет сил поверхностного натяжения, реализуемый при использовании смесей суспензии гидроксиапатита в растворе связующего (хитозана) и жидкого парафина (5). Способ позволяет получать пористые гранулы сферической формы, открытые поры в которых образуются за счет выжигания связки. Однако недостатки способа связаны с использованием расплавленного парафина и низкой пористостью получаемого материала.

Наиболее близким техническим решением является способ получения гранул на основе гидроксиапатита, заключающийся в смешивании гидроксида кальция и монозамещенного фосфата кальция, моногидрата в мольном соотношении Са/Р=1,67, добавлении к этой смеси водного раствора, содержащего гидрогель с концентрацией полимера 0,01-10,0 мас.%, перемешивании данных веществ при температуре 20-41°С при нейтральном значении рН6,8-7,2 с последующем фильтрованием и высушиванием осажденного конечного продукта в виде гранул при температуре 105-160°С (7).

Технический результат предлагаемого изобретения - способ изготовления сферических пористых керамических гранул с регулируемым размером и открытой пористостью от 20 до 80 об.%, размером от 50 до более чем 2000 мкм, состава от трехкальциевого фосфата (Са/Р=1,5) до гидроксиапатита (Са/Р=1,67).

Для достижения технического результата предлагается суспензионная технология, основанная на принципе несмешивающихся жидкостей с последующей термической обработкой. Порошок фосфата кальция от трехкальциевого фосфата до гидроксиапатита смешивают с раствором желатина в дистиллированной воде, который способствует сцеплению частиц порошка, при температуре раствора в интервале от 15 до 39°С. Концентрация суспензии варьируется от 0,5 до 3,0 мл 10%-ного раствора желатина на 1 г. порошка фосфата кальция. После этого суспензию вводят в диспергирующую среду, в качестве которой используется растительное масло, перемешивая лопастной мешалкой. Скорость перемешивания варьируется в пределах от 100 до 1500 об/мин, длительность перемешивания - от 5 до 60 мин. После отстаивания в течение 5 мин осадок в виде сферических гранул отфильтровывают, отмывают от масла этиловым спиртом, сушат и подвергают термической обработке при температурах от 900 до 1250°С с выдержкой при этих температурах от 30 до 300 мин.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. 5 г порошка фосфата кальция с Са/Р=1,67 смешивают с 10%-ным раствором желатина в дистиллированной воде при температуре 20°С в соотношении порошок-жидкость 1 г/1,5 мл. Суспензию помещают в растительное масло при комнатной температуре, которое перемешивается лопастной мешалкой со скоростью 200 об/мин в течение 15 мин. После отстаивания, фильтрования, промывки и сушки гранулы подвергают термической обработке при температуре 1200°С с выдержкой 60 мин. Обожженные образцы имеют пористую структуру с содержанием открытых пор 39-41%, размером пор от 1 до 10 мкм. Размер получаемых гранул находится в пределах от 1000 до 10000 мкм.

Пример 2. 5 г. порошка фосфата кальция с Са/Р=1,60 смешивают с 10%-ным раствором желатина в дистиллированной воде при температуре 25°С в соотношении порошок-жидкость 1 г/2 мл. Суспензию помещают в растительное масло при комнатной температуре, которое перемешивается лопастной мешалкой со скоростью 500 об/мин в течение 15 мин. После отстаивания, фильтрования, промывки и сушки гранулы подвергают термической обработке при температуре 1200°С с выдержкой 60 мин. Обожженные образцы имеют пористую структуру с содержанием открытых пор 53-55%, размером пор от 1 до 10 мкм. Размер получаемых гранул находится в пределах от 600 до 7000 мкм.

Пример 3. 5 г порошка фосфата кальция с Са/Р=1,58 смешивают с 10%-ным раствором желатина в дистиллированной воде при температуре 35°С в соотношении порошок-жидкость 1 г/2,5 мл. Суспензию помещают в растительное масло при комнатной температуре, которое перемешивается лопастной мешалкой со скоростью 1000 об/мин в течение 30 мин. После отстаивания, фильтрования, промывки и сушки гранулы подвергают термической обработке при температуре 1000°С с выдержкой 60 мин. Обожженные образцы имеют пористую структуру с содержанием открытых пор 70-72%, размером пор от 0,5 до 15 мкм. Размер получаемых гранул находится в пределах от 50 до 900 мкм.

Пример 4. 5 г порошка фосфата кальция с Са/Р=1,50 смешивают с 10%-ным раствором желатина в дистиллированной воде при температуре 39°С в соотношении порошок-жидкость 1 г/3 мл. Суспензию помещают в растительное масло при комнатной температуре, которое перемешивается лопастной мешалкой со скоростью 1500 об/мин в течение 60 мин. После отстаивания, фильтрования, промывки и сушки гранулы подвергают термической обработке при температуре 900°С с выдержкой 60 мин. Обожженные образцы имеют пористую структуру с содержанием открытых пор 79-81%, размером пор от 0,5 до 15 мкм. Размер получаемых гранул находится в пределах от 50 до 400 мкм.

В таблице приведены характеристики гранул фосфатов кальция, получаемые при различных режимах проведения процесса. При температуре суспензии и дисперсионной среды ниже 15°С процесс гранулирования не реализуем из-за быстрого твердения суспензии, а при температуре выше 39°С - средний размер получаемых гранул составляет менее 50 мкм. При скорости перемешивания менее 100 об/мин происходит агломерирование гранул, а при скорости более 1500 об/мин - гранулы имеют средний размер менее 50 мкм. При температуре термообработки ниже 900°С не происходит спекания порошка фосфата кальция, а при температуре выше 1250°С резко снижается пористость.

Таблица Характеристики гранул фосфатов кальция, получаемые при различных режимах проведения процесса.
№	Температура раствора, °С	Концентрация суспензии, мл/г	Скорость перемешивания, об/мин	Длительность перемешивания, мин	Температура термообработки, °С	Время выдержки, мин	Размер гранул, мкм	Открытая пористость, %
1	10	1	200	20	-	-	-	-
2	10	2	500	40	-	-	-	-
3	10	3	1500	60	-	-	-	-
4	15	1	200	20	950	30	1500-1900	36
5	15	2	500	40	1100	120	900-1300	53
6	15	3	1500	60	1250	300	500-900	84
7	20	1	200	20	950	30	1200-1600	36
8	20	2	50	40	-	-	-	-
9	20	3	1500	60	1250	300	400-800	87
10	25	1	200	20	950	30	800-1200	39
11	25	2	500	40	1100	120	400-800	55
12	25	3	1500	60	1250	300	200-500	83
13	30	1	200	20	950	30	800-1200	33
14	30	2	500	40	1100	120	300-700	54
15	30	3	1500	60	1250	300	100-500	84
16	35	1	200	20	950	30	300-700	33
17	35	2	500	40	1100	120	100-500	52
18	35	3	1500	60	1250	300	100-200	87
19	39	1	200	40	950	120	200-600	37
20	39	3	1500	40	1250	120	50-100	85
21	45	1	500	60	1000	120	менее 50	37
22	25	2	500	40	850	120	-	-
23	25	2	500	40	1300	120	400-800	23

Источники информации, принятые во внимание

1. Williams D.F. The science and applications of biomaterials // Advances in Materials Technology Monitor. 1994. V.1, N2. P.1-38.

2. Орловский В.П., Суханова Г.Е., Ежова Ж.А., Родичева Г.В. Гидроксиапатитовая керамика // Ж. Всесоюзного хим. об-ва им. Д.И.Менделеева. 1991. Т.36, №6. С.683.

3. Hench L.L. Bioceramics and the future // Ceramics and Society. Ed. P.Vincenzini. Techna, Faenza, 1995. P.101-120.

4. De Bruijn J.D. Calcium phosphate biomaterials: bone-bonding and biodegradation properties. Thesis Leiden. - Haveka B.V., Alblasserdam, 1993. - 172 p.

5. Paul W., Sharma C.P. Development of porous spherical hydroxyapatite granules: application towards protein delivery // J.Mater. ScL: Mater. Med. 1999. V.10, N7. P.383-388.

6. Weinlander M., Plenk H., Jr., Adar F. and Holmes R. In: Bioceramics and the human body, Eds. A.Ravaglioli and A.Krajewski. Elsevier, London, 1992. P.317.

7. Крылова Е.А. Способ получения гидроксиапатитовых полисахаридных гранул. Патент RU 2235061, 2004.