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

Изобретение относится к области химии фосфорсодержащих соединений кальция, в частности к способу получения стехиометрического гидроксилапатита кальция высокой чистоты, который может быть использован в качестве медицинского материала для стоматологии, изготовления искусственных костей, а также адсорбента и катализатора.

Синтетический гидроксилапатит состава Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ получают путем медленного добавления фосфорной к кипящей суспензии Ca(OH)₂ и CaO [1] По данному способу получают в промышленных условиях до 45 кг в час продукта с мольным соотношением Ca/P 1,69 ± 0,04. Однако сам процесс многостадиен, требует специального оборудования для работы в едких средах и не дает воспроизводимых результатов по стехиометрическому (Ca/P=1,67) составу.

Известен также способ [2] получения гидроксилапатита с отношением Ca/P= 1,48^oC1,67 путем постепенно добавления CaO или Ca(OH)₂ к суспензии CaHPO₄•2H₂O и воды в атмосфере инертного газа при поддерживании величины pH=10 и температуры 5 ^oC 70^o с последующим нагревом выше 100^oC.

Гидроксилапатит с активной поверхностью можно получать, если смещение растворов солей кальция и фосфатов аммония, содержащих аммиак, проводить при 35-50^oC с поддерживанием суммарной концентрации в образовавшейся суспензии CaO+P₂O₅; равной 1,2-3,2% [3] По другому способу [4] удельную поверхность гидроксилапатита повышают, если раствор соли кальция (хлорид кальция) предварительно обрабатывают гидроксидом натрия и на взаимодействие в качестве фосфорсодержащего соединения с ним подают 70-87,5%-ную фосфорную кислту до pH 8,7-10,9.

Однако получить гидроксилапатит высокой чистоты предназначенный для медицинских целей стабильного по фазовому и примесному составу известными способами затруднительно, так как в исходном сырье, как правило, содержатся примеси металлов соосаждаемые при синтезе на поверхности гидроксилапатита, который сам по себе является активным сорбентом. Кроме того, нежелательно присутствие в исходном сырье хлорида кальция трудноотмываемых хлорид-ионов, как и соосаждение при синтезе ортофосфата кальция Ca₃(PO₄)₂, нерегулируемое количество которого приводит к различным отклонениям от стехиометрического состава гидроксилапатита.

Наиболее близким техническим решением является способ получения гидроксилапатита высокой чистоты [5] по которому раствор фосфорнокислой соли NH₄H₂PO₄ перед подачей в реактор пропускают через сильнокислую смолу с целью очистки от тяжелых металлов. Затем в закрытом реакторе проводят осаждение путем раздельного введения в нужном соотношении соединений кальция (CaCl₂), щелочи (NaOH) и очищенного раствора NH₄H₂PO₄.

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Основным недостатком является отсутствие стадии очистки исходного кальцийсодержащего сырья от токсичных примесей тяжелых металлов. Вторым недостатком является использование хлорида кальция в качестве исходного сырья и гидроксида натрия для создания щелочной среды при синтезе, содержащих небольшого размеры ионы натрия и хлорид-ионы, легко адсорбируемых активной поверхностью целевого продукта и негативно влияющих на свойства медицинской керамики на его основе.

В составе приученного по известному способу гидроксилапатита высокой чистоты отсутствуют данные о наличии в нем токсичных примесей в виде оксидов свинца, мышьяка, ртути, что так важно для характеристики медицинских реактивов.

Содержание примесей в виде оксидов кремния, алюминия, железа, никеля, цинка, кадмия, калия и натрия дано в пределах 0 ^oC 10^-2 мас. что не дает достоверной информации о микропримесном составе. Тем более, что современные спекратльные методы позволяют определять концентрации элементы в пределах 1•10^-4oC 1•10^-6 мас.

Мольное отношение компонентов в основном продукте колеблется в пределах Ca/P 1,60 ^oC 1,64, что также не отвечает стехиометрическомк составу гидроксилапатита. Метод рентгенофазового анализа позволяет в целом продукте обнаруживать до 2 мол. соосаждаемого при синтезе ортофосфата кальция, что и соответствует молярному отношению Ca/P 1,64 ^oC 1,65.

В основу изобретения поставлена задача создания способа получения гидроксилапатита, в котором очищаются исходные концентрированные растворы нитрата кальция активированных углем марки "А" и гидрофосфата аммония пропусканием через катионит КУ-2, что обеспечивает высокую степень чистоты конечного продукта и за счет этого его можно использовать как медицинский материал для стоматологии, изготовления искусственных костей, а также адсорбента и катализатора.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения гидроксилапатита, содержащем смешение растворов с последующей фильтрацией, промывкой, сушкой и прокалкой полученного продукта согласно изобретению осаждение проводят из предварительно очищенных концентрированных растворов нитрата кальция активированным углем марки "А" и гидрофосфата аммония пропусканием через катионит КУ-2 с последующим подщелачиванием концентрированным аммиаком очищенных растворов нитрата кальция до pH 12,0 ± 0,5 и гидрофосфат аммония до pH 10,5 ^oC 11,5 и кипячением в течение 30-90 мин образовавшейся суспензии.

Использование предлагаемого способа синтеза гидроксилапатита позволяет достигнуть следующие результаты:
1. Очистка исходного кальцийсодержащего сырья параллельно с очисткой фосфорсодержащего сырья значительно снижает содержание токсичных примесей в составе целевого продукта гидроксилапатита.

2. Использование нитрата кальция Ca(N₃O)₂ вместо хлорида кальция CaCl₂ в качестве кальцийсодержащего сырья и раствора аммиака вместо NaOH для подщелачивания благоприятствует быстрой отмывки продукта от нитрат-ионов, что сокращает продолжительность синтеза и устраняет загрязнение его другими легко сорбируемыми ионами малого размера таким как Cl^- и Na⁺.

3. Диапазон значений pH 10,8 ^oC 11,5 по заявляемому способу для подщелачивания очищенного раствора фосфата аммония способствует образованию стехиометрического гидроксилапатита, т.к. позволяет избежать соосаждение ортофосфата кальция. Это связано с тем, что при рекомендуемом в известных способах значении pH фосфата аммония около 12 ед. pH нарушается стехиометрия в осадок в сторону избытка фосфат-аниона, особенно в концентрированных растворах (при > 0,1 моль/л), из-за сильного понижения растворимости соли при pH > 11,2, приводящего к соосаждению при синтезе Ca₃(PO₄)₂ по реакции:

4. Использование очищенных концентрированных исходных растворов при рекомендованных значениях pH повышает производительность способа получения гидроксилапатита стехиометрического состава Ca/P 1,67) высокой чистоты до одного килограмма и выше за один синтез.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в известном осаждение проводят с использованием растворов CaCl₂ и предварительно очищенного только одного исходного раствора NH₄H₂PO₄. Щелочную среду, как основное необходимое условие, регулируют только в реакторе 1%-ным раствором NaOH, а исходный раствор дигидрофосфата аммония перед пропусканием его через сильнокислую ионообменную смолу готовят методом нейтрализации ортофосфорной кислоты раствором аммиака.

В заявленном же способе используют легкодоступные исходные реактивы Ca(NO₃)₂ и (NH₄)₂HPO₄, выпускаемые отечественной химической промышленностью, что значительно упрощает способ из-за отсутствия стадии приготовления исходного фосфорсодержащего сырья. Кальций- и фторсодержащие растворы готовят перед очисткой путем растворения в воде количеств, заданных исходных соотношением. Раствор гидрофосфата аммония пропускают через катионит КУ-2, предварительно доочищенный азотной кислотной и омытый от избытка кислоты глубокодеминерализованной водой, полученной на смешанном слое ионитов. Раствор нитрата кальция чистят от примеси тяжелых металлов с помощью связывания их в комплексные соединения с люмогаллионом ИРЕА при pH=7^oC7,5 и последующим пропусканием его через активированный уголь марки "А". Активированный уголь предварительно очищают от ионов железа (III) кипячением в растворе соляной кислоты, затем окисляют его персульфатом аммония и отмывают водой от хлорид-ионов.

Очищенные фосфор- и кальцийсодержащие растворы подщелачивают концентрированным раствором аммиака марки "о.с.ч." до pH=11^oC12 и смешивают при сильном перемешивании в реакторе. Осадок после получасового кипячения образовавшейся суспензии отделяют фильтрованием, промывают горячей бидистиллированной водой до отсутствия нитрат-ионов в промывных водах, сушат при 120^oC, измельчают и прокаливают при 900^oC в течение 2 ч.

Фазовый состав полученного по заявляемому способу различной массы (100 ^oC 2000 г) целевого продукта, контролируемый методами рентгенофазового (дифрактометр ДРОН-3) и химического анализа, указывает на образование однофазного гидроксилапатита с воспроизводимым мольным отношением Ca/P 1,66 ^oC 1,67.

Содержание примесей в целевом продукте и в очищенных исходных растворах не превышает допустимого количества токсичных элементов мышьяка (As) и ртути (Hg) в медицинских материалах, а по остальным металлам: Свинца (Pb), кадмия (Cd), цинка (Zn), меди (Cu), железа (Fe) показатели значительно ниже (табл. 1).

Пример 1. Готовят отдельно исходные растворы нитрата кальция и гидрофосфата аммония растворения 1180 г Ca(NO₃)₂ • 2H₂O и 396 г (NH₄)HPO₄ в 1 л воды. Приготовленный раствор нитрата кальция подщелачивает раствором аммиака на pH-метре до значения pH 7 ^oC 7,5, добавляют в него при перемешивании 200 мл 0,1% водного раствора люмогаллиона ИРЕА (5-хлор, 3-сульфаазобензол C₁₂H₉O₆ClSN₂), выдерживают один час для полного связывания примесей, затем добавляют 22 г активированного угля марки "А", перемешивают 10 минут и выдерживают 20 мин, отфильтровывают через двойной бумажный фильтр, предварительно промытый разбавленной уксусной кислотой 1:1 и горячей бидистиллированной водой.

Активированный уголь для очистки готовят следующим образом. Обрабатывают его соляной кислотой 1: 1 при кипячении до отсутствия ионов Fe³⁺ (проба с NH₄CNS), затем промывают 8-10 раз разбавленным раствором аммиака 1:3, 2 раза 5% раствором персульфата аммония и водой до отсутствия хлорид-иона (реакция с 0,1 н раствором AgNO₃).

Очищенный раствор нитрата кальция подщелачивают концентрированным аммиаком до pH 12 (на 1 л раствора Ca(NO₃)₂ необходимо 2 л концентрированного раствора аммиака марки "о.с.ч.").

Исходный раствор гидрофосфата аммония пропускают через катионит КУ-2, предварительно доочищенный азотной кислотой (выдергиванием 12 ч в растворе азотной кислоты 1:1) и отмытый от избытка кислоты глубокодеминерализованной водой, полученной на смешанном слое ионитов. Очищенный таким образом раствор фосфата аммония подщелачивает до pH 10,8 концентрированный раствором аммиака марки "о.с.ч." (на 1 л раствора, содержащего 396 г (NH₄)₂HPO₄ необходимо 6 л концентрированного аммиака).

Осаждение гидроксилапатита проводят путем добавления при интенсивном перемещении щелочного раствора фосфата аммония к щелочному раствору нитрата кальция в течение 30 мин. Затем полученную суспензию перемешивают в течение 30 мин, кипятят 50 мин, фильтруют и отмывают горячей водой до отсутствия нитрат-ионов в промывных водах, сушат при 80 ^oC 120^oC, измельчают до необходимого размера частиц и прокаливают при (900 ± 50)^oC в течение 2 ч. Получают 500 г (выход 97%) гидроксилапатита стехиометрического состава высокой частоты.

Пример 2-3. Получают 1 кг стехиометрического гидроксилапатита высокой чистоты аналогично примеру 1. Изменяют количество исходных компонентов для приготовления растворов с последующей их очисткой: Ca(NO₃)₂ • 4H₂O 2400 г; (NH₄)₂HPO₄ 1320 г. Для очистки 2 л приготовленного из соответствующей навески раствора нитрата кальция необходимо 400 мл 0,1% водного раствора люмогаллиона и 44 г активированного угля. Для доведения такой концентрации очищенного раствора нитрата кальция до требуемого значения pH 12,0 расходуется 4 л концентрированного раствора аммиака.

В примерах 2 и 3 изменяют значения pH очищенного раствора гидрофосфата аммония, приготовленного растворением в 2 л воды 792 г безводной соли и пропущенного через ионообменную смолу КУ-2.

Подщелачивание этого раствора концентрированным раствором аммиака в количестве 13 л соответствует значению pH=11,0 (пример 2), а в количестве 15 л pH 11,5 (пример 3). Соответственно увеличивается время перемешивания до одного часа и кипячения образовавшейся до 1,5 часов. Результаты приведены в табл. 2.

Для устранения соосаждения при синтезе гидрофосфатов и изополифосфатов кальция pH раствора нитрата кальция должен соответствовать значению 11,5^oC12,5 ед. pH. Раствор гидрофосфата аммония необходимо подщелачивать до 10,8 ^oC 11,5 ед. pH с целью получения в устойчивом состоянии ортофосфат-ионов PO3-4

Время кипячения образовавшейся после смешения исходных растворов суспензии в интервале 30199> 90 мин необходимо для полноты протекания реакции осаждения гидроксилапатита и агрегации частиц с целью сокращения времени фильтрации осадка.

Использование предлагаемого способа синтеза гидросилапатита высокой чистоты обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1. Очистка исходного кальцийсодержащего сырья параллельно с очисткой фосфорсодержащего сырья значительно снижает содержание токсичных примесей в составе целевого продукта гидроксилапатита.

Использование нитрата кальция Ca(NO₃)₂ вместо хлорида кальция CaCl₂ в качестве кальцийсодержащего сырья и раствора аммиака вместо NaOH для подщелачивания благоприятствует быстрой отмывки продукта от нитрат-ионов, что сокращает продолжительность синтеза и устраняет загрязнение его другими легко сорбируемыми ионами малого размера, таким как Cl^- и Na⁺.

Диапазон значений pH 10,8^oC 11,5 по заявляемому способу для подщелачивания очищенного раствора фосфата аммония способствует образованию стехометрического гидроксилапатита, так как позволяет избежать соосаждение ортофосфата кальция. Это связано с тем, что при рекомендуемом в известных способах значение pH фосфата аммония 12 ед. pH нарушается стехиометрия в осадке в сторону избытка фосфат- аниона, особенно в концентрированных растворах (при > 0,1 моль/л), из-за сильного понижения растворимости соли при pH > 11,2, приводящего к соосаждению Ca₃(PO₄)₂ по реакции:

Использование очищенных концентрированных исходных растворов при рекомендованных значениях pH повышает производительность способа получения гидроксилапатита стехиометрического состава Ca/P 1,67 высокой чистоты до одного килограмма и выше за один синтез.

Изобретение относится к области химии фосфорсодержащих соединений кальция и может быть использовано в качестве медицинского материала для стоматологии, а также адсорбента и катализатора. Способ позволяет получать продукт высокой степени чистоты путем очистки исходных концентрированных растворов нитрата кальция активированным углем марки "ОУ-А" и гидрофосфата аммония пропусканием через катионит КУ-2 с последующим подщелачиванием концентрированным аммиаком очищенных растворов нитрата кальция до pH 12,0-12,5 и гидрофосфата аммония до pH 10,5-11,5 и кипячением в течение 30-90 мин образовавшейся суспензии. 2 табл.

Способ получения гидроксилапатита, включающий смешение очищенного раствора фосфорнокислой соли аммония, раствора кальцийсодержащего реагента и щелочного реагента с последующей фильтрацией полученной суспензии, промывкой, сушкой и прокалкой продукта, отличающийся тем, что в качестве очищенного раствора фосфорнокислой соли аммония используют предварительно пропущенный через катионит КУ-2 концентрированный раствор гидрофосфата аммония, а в качестве раствора кальцийсодержащего реагента очищенный активированным углем марки "ОУ-А" концентрированный раствор нитрата кальция, причем перед смешением подщелачивают аммиаком раствор нитрата кальция до рН 12,0 12,5, а раствор гидрофосфата аммония до рН 10,5 11,5, и полученную после смешения суспензию кипятят в течение 30 90 мин.