СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИАПАТИТА Российский патент 1997 года по МПК C01B25/32 

Изобретение относится к технологии неорганических материалов, а именно к способу получения гидроксиапатита, используемому в медицине в качестве зубопротезного материала, материала для костной хирургии, а также в качестве наполнителя или сорбента для газожидкостной хроматографии.

Получение строго стехиометрического гидроксиапатита (ГАП) является трудной синтетической задачей. Часто синтез ГАП сопровождается образованием других фосфатов кальция: CaHPO₄•2H₂O (брушит), Сa₄H(PO₄)₃•5H₂O (октакальций фосфат) и Ca₃(PO₄)₂ (трикальций фосфат). В качестве примеси из-за поглощения углекислого газа атмосферы может образовываться также карбонат кальция или карбонатапатит переменного состава Сa₅(PO₄)₃(OH)_x(CO₃)_y. В таких случаях целевой продукт является смесью двух или нескольких фаз, что нежелательно в случае медицинского применения ГАП. Требования к ГАП медицинского назначения высоки и по примесной чистоте и аналогичны требованиям, предъявляемым к особо чистым химическим веществам.

Известны способы получения ГАП, предусматривающие смешение растворов кальцийсодержащего реагента, например, СаО, Са(OH)₂, растворимых солей кальция, с фосфорной кислотой или какой-либо растворимой ее соли [например, 1,2] с осаждением на первой стадии аморфного трикальций фосфата или также аморфного апатитоподобного материала [1,2] Второй стадией в этих способах является перевод этих продуктов в кристаллический гидроксиапатит за счет фазового перехода с изменением состава. Это превращение осуществляется либо в растворе самопроизвольно при повышенной температуре [2] либо требует проведения дополнительной твердофазной реакции полученного материала с соединениями кальция [1] Оба варианта являются недостаточно технологичными, поскольку связаны с существенными энергетическими и временными затратами (по [2] время созревания суспензии ГАП до 4 суток), не обеспечивая при этом стабильности качества и однородности получаемого материала. Контроль за образованием осадка в этих методах затруднен, что приводит к низкой степени кристалличности ГАП и вариации соотношения Сa/P в широком диапазоне.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ, в основе которого также лежит смешение суспензии гидроксида кальция с водным раствором фосфорной кислоты. Особенностью его является введение дополнительной стадии истирания исходных компонентов либо в процессе их смешения и осуществления реакции, либо после смешения, что обеспечивает механохимическую активацию реагентов. В качестве истирающего устройства по этому способу могут быть использованы мельницы и дробилки различного типа, а в качестве истирающей среды стеклянные бусы, алюминиевые шары или какие-либо керамические материалы. Применение этого приема позволило избежать ряд недостатков, свойственных другим способам, в частности исключить стадию длительного старения суспензии ГАП и получать продукт с соотношением Сa/P=1,66-1,67 и высокой степенью кристалличности [3]
Однако один из основных вопросов в методиках получения гидроксиапатита, связанный с воспроизводимостью характеристик ГАП от синтеза к синтезу, а следовательно, качества и выхода продукта заданного состава (стехиометрического ГАП) остался, по-существу, нерешенным. Из-за невоспроизводимости локальных условий смешения реагентов при выдерживании указанных в описании способа оптимальных макрорежимов процесса в конечном продукте, как показали наши исследования, может присутствовать до 8-10 посторонних примесных фаз. Кроме того, введение по данному способу в реакционную среду истирающих тел в известной мере усложняет процесс как за счет необходимости предъявления повышенных требований к аппаратурному его оформлению (внутренние части реактора должны быть достаточно износостойкими), так и за счет дополнительных стадий загрузки-выгрузки и отделения от суспензии ГАП мелющих тел. К тому же при значительном времени эксплуатации оборудования нельзя исключить и намол, приводящий к загрязнению целевого продукта различными нежелательными примесями.

Задачей данного изобретения является улучшение качества за счет повышения чистоты фазового состава и увеличение выхода гидроксиапатита при одновременном упрощении процесса его получения.

Решение данной задачи достигается предложенным способом получения гидроксиапатита, заключающимся в следующем. Суспензию Сa(OH)₂ смешивают с фосфорной кислотой, взятой в стехиометрическом количестве по отношению к Сa(OH)₂ в замкнутом цикле при последовательном прохождении суспензии гидроксикальция через две зоны. При этом в первой зоне осуществляют непрерывное добавление раствора фосфорной кислоты при поддержании постоянного рН, равного 10,0-11,0 и скорости движения потока суспензии 0,8-1,5 м/c, затем через 1,0-1,5 с смешивания в 1-ой зоне полученную реакционную смесь при непрерывном добавлении Н₃PO₄ подают по замкнутому циклу во вторую зону, где ее разбавляют в 400-500 раз исходной суспензией гидроксида кальция, после чего смесь, содержащую гидроксид кальция и гидроксиапатит, возвращают в первую зону, обеспечивая 4-5-кратную циркуляцию полного объема смеси за время 10-20 минут, после этого на стадии достижения стехиометрии подачу кислоты прекращают, и суспензию полученного продукта дополнительно перемешивают в течение 10-12 минут в замкнутом цикле.

При этом используют суспензию гидроксида кальция, приготовленную путем растворения оксида кальция в воде при соотношении Т:Ж=1:35-40, а раствор фосфорной кислоты берут с концентрацией 35-37 вес.

Отличительными признаками способа являются: проведение процесса получения гидроксиапатита по замкнутой двухзонной схеме, поддержание в первой зоне постоянного рН, равного 10,0-11,0, и скорости движения потока суспензии 0,8-1,5 м/с, подача полученной смеси через 1,0-1,5 с во вторую зону с разбавлением ее в 400-500 раз, 4-5-кратная циркуляция полного объема смеси за время 10-20 минут, а также величины концентрации исходных реагентов.

При реализации процесса по двухзонной схеме осуществляется регулируемый синтез гидроксиапатита, позволяющий избежать локальные неоднородности при смешении исходных реагентов, приводящих к образованию посторонних фаз, а замкнутый цикл обеспечивает полноту протекания реакции на стадии превращения аморфного трикальций фосфата в кристаллический гидроксиапатит при введении в процесс стехиометрических количеств исходных веществ. При этом отпадает необходимость в продолжительном времени созревания суспензии гидроксиапатита.

Поддержание рН в первой зоне на уровне 10,0-11,0 обусловлено тем, что при рН 10,0 образуются кислые фосфаты кальция (при рН 9,2 октафосфат кальция, при рН 7,5 брушит), а при рН 11,0 реакция протекает не до конца. Эти процессы существенно ухудшают качество и снижают выход целевого продукта.

Указанные скорости движения потока суспензии в первой зоне (0,8-1,5 м/c) необходимы для быстрого и однородного смешения исходных реагентов и обеспечения требуемого времени пребывания смеси в первой зоне (1,0-1,5 с). При этом скорости меньше 0,8 м/c не обеспечивают требуемого времени гомогенизации смеси (10^-1 c), а при скорости больше 1,5 м/с качество продукта не улучшается.

Подачу ортофосфорной кислоты в первую зону производят таким образом, чтобы, с одной стороны, поддерживать в ходе реакции заданное значение рН, в с другой синхронизировать подачу кислоты со скоростью перекачки суспензии через первую зону (т.е. производительностью насоса) с учетом 4-5-кратного пребывания всего объема суспензии в первой зоне за полное время приливания требуемого количества кислоты (10-20 минут).

Разбавление смеси, поступающей из первой зоны, суспензией гидроксида кальция в 400-500 раз определяется тем, что при меньшей степени разбавления суспензия, содержащая ГАП и Сa(OH)₂, загустевает и ее перекачка становится затруднительной, а при разбавлении более чем в 500 раз существенно возрастает объем реакционной смеси, что приводит к увеличению времени проведения процесса.

Кратность циркуляции суспензии меньше 4 и время циркуляции менее 10 минут не обеспечивает полноту протекания реакции, снижая, тем самым, выход продукта заданного состава, а кратность циркуляции больше 5 и время большее 20 мин не улучшает качества продукта. Дополнительное перемешивание суспензии ГАП после прекращения подачи кислоты в 10-12 мин является оптимальным для получения хорошо сформировавшегося кристаллического продукта.

Что же касается концентрации исходных компонентов, то использование фосфорной кислоты с концентрацией меньше 35 вес. увеличивает объем реакционной смеси и экономически невыгодно, а при концентрациях выше 37 вес. не обеспечивается локальная равномерность смешения реагентов, что может приводить к появлению посторонних фосфатных фаз.

В качестве кальцийсодержащего реагента по данному изобретению используют суспензию Сa(OH)₂, которую готовят путем растворения оксида кальция в воде. При этом соотношение Т:Ж меньше 35 не обеспечивает получение насыщенного по Ca(OH)₂ раствора, а при Т:Ж большем 40 суспензия становится слишком густой, что затрудняет ее движение по циклу перекачивания.

Химическая чистота целевого продукта по данному изобретению достигается использованием исходных реагентов высокой квалификации (ОСЧ) и химически пассивных материалов, контактирующих с реагентами и суспензией продукта.

Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Схема установки для проведения синтеза гидроксиапатита по предложенному способу приведена на рис.1. Установка включает: 1 загрузочное устройство для введения оксида кальция; 2 дозатор фосфорной кислоты; 3 - погружной центробежный насос (I-я зона); 4 выходное отверстие центробежного насоса; 5 кристаллизатор (II-я зона); 6 уровень полной загрузки кристаллизатора; 7 электродвигатель; 8 -мешалка; 9 двухходовый кран; 10 - трехходовый кран; 11 сливной штуцер; 12 направление циркуляции суспензии гидроксиапатита.

Процесс ведут следующим образом. В кристаллизатор 5, содержащий дистиллированную воду, при комнатной температуре через загрузочное устройство 1 при закрытых кранах 9 и 10 вносят навеску безводного оксида кальция в количестве 554,6 г. После этого загрузочное устройство промывают водой, обеспечивая таким образом полноту перенесения оксида кальция в реактор. Затем в кристаллизатор добавляют дистиллированную воду, поднимая уровень воды до отметки 6, что соответствует объему 20 дм³ и Т:Ж=1:35 и обеспечивает нормальную работу погружного центробежного насоса 3, представляющего собой I-ю зону реакции. После этого включают электродвигатель 7, обеспечивающий работу насоса и вращение мешалки 8. Суспензию оксида кальция перемешивают по циклу 12 в течение 4-5 мин.

Затем без остановки насоса открывают кран 9 и из емкости 2 рассчитанное количество ортофосфорной кислоты с концентрацией 36 вес. начинает поступать в объем насоса, где смешивается с суспензией гидроксида кальция. рН в первой зоне поддерживается в течение всего времени приливания кислоты, равной 10,0, при скорости движения потока суспензии, равном 1,0 м/с. После пребывания суспензии в объеме погруженного насоса в течение 1,0 с, ее подают во II-ю зону, где разбавляют исходной суспензией Сa(OH)₂ до соотношения Т:Ж, равного 1:400.

Затем реакционная смесь циркулирует по замкнутому циклу через первую и вторую реакционные зоны при непрерывной подаче кислоты. После 4-кратной циркуляции полного объема смеси (время циркуляции 10 минут) подачу кислоты прекращают. Емкость 2 промывают небольшим количеством дистиллированной воды и суспензию полученного продукта дополнительно перемешивают в замкнутом цикле еще в течение 10 минут. Затем насос отключают и через штуцер 11 сливают суспензию в приемник.

Затем суспензию центрифугируют, отделяют жидкую фазу, полученную пасту гидроксиапатита сушат и твердый продукт при необходимости размалывают.

В результате проведения синтеза гидроксиапатита по данному примеру получают чистый стехиометрический гидроксиапатит без существенных примесей посторонних фаз с высокой степенью кристалличности, что подтверждено данными рентгенографического анализа (рис.2). Параметры и объем гексагональной элементарной ячейки (а=9,413 А, c=6,889 А, d=528,606 А³) хорошо согласуются с литературными данными [4]
Соотношения Сa/P в полученном образце равно 1,67. Высушенный образец представляет собой мелкодисперсный кристаллический порошок с размерами кристаллов 200х500-1000 А. Удельная поверхность 70 м². Выход целевого продукта составляет 99,5% от теоретического.

Пример 2. Получение гидроксиапатита осуществляют аналогично примеру 1, за исключением того, что фосфорную кислоту берут с концентрацией 36 вес. рН суспензии в первой зоне поддерживают равной 10,5 при скорости движения потока суспензии 0,8 м/с и времени пребывания смеси в первой зоне, равном 1,5 с. Кратность разбавления во второй зоне -450, кратность циркуляции полного объема смеси 4 за время 15 мин, время дополнительного перемешивания 10 мин.

Полученный гидроксиапатит обладает характеристиками, аналогичными продукту по примеру 1. Выход продукта 99,6%
Пример 3. Гидроксиапатит готовят аналогично примеру 1, однако фосфорную кислоту берут с концентрацией 37 вес. рН суспензии в первой зоне -11,0 и скорость движения потока суспензии 1,5 м/с. Кратность разбавления во второй зоне 500, кратность циркуляции 5, за 20 минут, время дополнительного перемешивания 12 мин.

Выход гидроксиапатита с характеристиками, аналогичными примерам 1 и 2, составляет 99,8% от теоретического.

В нижеследующей таблице представлена зависимость выхода и качества продукта от выбранных параметров.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что предлагаемый способ в отличие от известного обеспечивает получение продукта заданного состава улучшенного качества, обеспечивает 99,5-99,8% выход продукта от теоретического и повышает технологичность процесса за счет исключения применения в процессе мелющих тел. При этом аппаратурное оформление и режимы процесса позволяют уверенное его масштабирование для повышения производительности.

Изобретение относится к технологии неорганических материалов, а именно к способу получения гидроксиапатита, используемому в медицине, а также в качестве наполнителя или сорбента в газожидкостной хроматографии. Предложенный способ включает смешение суспензии гидроксида кальция с водным раствором фосфорной кислоты при последовательном прохождении реакционной смеси через две зоны, при этом в первой зоне поддерживается рН, равное 10,0-11,0, и скорость движения потока 0,8-1,5 м/с, а во второй зоне суспензию разбавляют в 400-500 раз и возвращают в первую зону, обеспечивая 4-5-кратную циркуляцию реакционной смеси в замкнутом цикле за 10-20 минут. Продукт отделяют фильтрованием и высушивают. Предложенный способ обеспечивает повышение выхода гидроксиапатита при улучшении его качества и повышении чистоты фазового состава. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1 1. Способ получения гидроксиапатита, включающий смешение водной суспензии гидроксида кальция с водным раствором фосфорной кислоты, отделение реакционного осадка и сушку его, отличающийся тем, что смешение компонентов ведут при непрерывном добавлении водного раствора фосфорной кислоты к суспензии гидроксида кальция при последовательном прохождении реакционной смеси через две зоны, при этом в первой зоне поддерживают постоянное pH, равное 10,0 11,0, и скорость движения потока суспензии 0,8 1,5 м/с, затем смесь через 1,0 1,5 с подают во вторую зону, где ее разбавляют в 400 500 раз исходной суспензией гидроксида кальция и возвращаают в первую зону, обеспечивая 4 - 5-кратную циркуляцию реакционной смеси через обе зоны в замкнутом цикле за время 10 20 мин, после этого подачу кислоты прекращают и суспензию реакционного продукта дополнительно перемешивают в замкнутом цикле в течение 10 12 мин.2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что суспензия гидроксида кальция представляет собой продукт растворения оксида кальция в воде при соотношении Т Ж 1 35 40.2 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что раствор фосфорной кислоты берут с концентрацией 35 37 мас.