СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНОГО КАЛЬЦИЙ-ДЕФИЦИТНОГО КАРБОНАТСОДЕРЖАЩЕГО ГИДРОКСИАПАТИТА Российский патент 2016 года по МПК C01F11/00 C01B25/32 C01F11/18 B82B3/00 B82Y30/00 A61L27/12 A61K6/33 

Изобретение относится к способам получения высокочистых порошков наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита (далее Са_д-КГА), которые могут быть использованы для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии, и в качестве сорбентов для адсорбции ионов тяжелых металлов.

В настоящее время синтетический гидроксиапатит Ca₁₀(PO₄)₆OH₂ (далее ГА) и материалы на его основе находят широкое применение в стоматологии, реконструктивно-восстановительной костной хирургии, ортопедии в качестве заменяющего материала для поврежденных зубов и костей [Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of HA-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants //J. Mater. Res. Soc. 1998. V.13. №1. P.94-103]. Многочисленные исследования подтверждают биологическую совместимость ГА с организмом, а также его близкие показатели физических и химических свойств [Bauer I W, Li S. P., Han Y. C. and Yin L. M. Internalization of hydroxyapatite nanoparticles in liver cancer cells //J Mater Sci: Mater Med. 2008. V.19. P.1091-1095.; Abdel-Gawad E. I. and Awwad S. Biocompatibility of Intravenous Nano Hydroxyapatite in Male Rats //Nat. and Sci.2010.V.8. P.60-68].

Благодаря высокой адсорбционной способности по отношению к ионам тяжелых металлов в настоящее время материалы на основе ГА представляют большой интерес к использованию в качестве сорбентов для решения таких экологических проблем как очистка сточных вод, утилизация промышленных отходов, восстановление загрязненных почв [Janga, S. H., Jeonga,Y.G., Mina, B.G., Lyoob, W.S. and Leea, S.L. Preparation and lead ion removal property of hydroxyapatite polyacrylamide composite hydrogels //J. Hazardous Materials. 2008. V.159. P.294-3002]. Кроме того, гидроксиапатиты могут успешно применяться для извлечения ионов тяжелых металлов из крови и восстановления функциональности печени и почки [Removal of Lead Nitrate Toxicity //Journal of American Science. 2011. Vol.7. №.1. P. 105-119 Abdel-Gawad E.I., Awwad S.A. In-vivo and in-vitro prediction of the efficiency of Nano-Synthesized Material in].

Было установлено, что ГА в живых организмах не находится в чистом виде, а всегда содержит в своей структуре примеси, преимущественно карбонат-ионы, благодаря их способности адаптироваться к постоянно меняющимся условиям внутренней среды. Карбонатные группы, содержащиеся в кости (около 4-8% по массе), находятся в нестабильном положении, замещая либо ОН^--группы (А-тип замещения), либо (РО₄)^3--группы (В-тип замещения). Для костной ткани характерен смешанный АВ-тип замещения [Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука 2005. 204c]. По результатам исследований ряда работ выяснено, что в костях и зубах ГА не является чистым, стехиометрическим Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ с молярным соотношением Ca/P=10/6=1,67 [Elliott, J. C. Structure and chemistry of the apatites and other calcium orthophosphates //Elsevier: Amsterdam, Holland. 1994. 404p; Dorozhkin, S. V. Calcium orthophosphates //J. Mater. Sci. 2007. V.42. P.1061-1095; Dorozhkin, S. V. Calcium orthophosphates in nature, biology and medicine //Materials. 2009. V.2. P.399-498].

В основном можно считать, что апатит биологического происхождения является кальций-дефицитным карбонатсодержащим с молярным соотношением Ca/(P+CO₃)<1,67.

В связи с вышеизложенным синтез высокобиосовместимого наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита для медицинских целей, а также в качестве высокоэффективного сорбента ионов тяжелых металлов для детоксикации организма человека и восстановления окружающей среды является весьма актуальным.

Известен способ получения карбонатсодержащего гидроксиапатита (далее КГА) по патенту EP 0722772 A1, опубликованному 24.07.1996 г., путем нагрева стехиометрического ГА в среде углекислого газа из атмосферного воздуха при примерно 900°С в течение несколько дней. Это трудно контролируемый процесс, который, с одной стороны, приводит к получению КГА с низким коэффициентом замещения, с другой стороны, не всегда получают однофазные образцы. При этом карбонат-анионы замещаются в неоптимальные позиции т.е. в А-позиции, а не в В-позиции, что соответствует получению биомиметического материала подобного биоапатиту.

Известен также способ получения КГА методом осаждения из водных растворов, описанный в источнике J. C. Merry, I. R. Gibson, S. M. Best, W. Bonfield. Synthesis and characterization of carbonate hydroxyapatite (Journal of materials science: materials in medicine. 1998. V.9. P.779-783.), где в качестве источника ионов кальция и фосфат-ионов использовали четырехводный нитрат кальция - Са(NO₃)₂·4H₂O и гидрофосфат аммония - (NH₄)₂HPO₄. Реакцию проводили при температуре 20°С, а рН поддерживали на уровне ≥ 11 за счет добавления раствора гидроксида аммония. Источником карбонат-ионов являлся гидрокарбонат натрия NaHCO₃, который добавлялся к раствору гидрофосфата аммония до синтеза. Синтез осуществляли добавлением по каплям смеси растворов гидрофосфата аммония и гидрокарбоната натрия к раствору нитрата кальция. Полученную суспензию ставили для старения на 24 часа. Затем осадок тщательно промывали дистиллированной водой, отфильтровали под вакуумом с последующим высушиванием и измельчением. Недостатками данного способа являются низкая термостабильность продукта при обжиге/спекании, т.е. потеря больших количеств ионов карбоната при нагревании, и трудность за контролем степени замещения карбоната. Кроме того, полученные частицы КГА имеют большой размер и, следовательно, низкую удельную поверхность, а также происходит негативное дополнительное замещение ионов Na⁺или NH₄ ⁺в структуре гидроксиапатита.

В патенте EP 0722773 A1 (опубликован 24.07.1996 г.) описан метод получения КГА А-типа, у которого карбонат-анионы замещались только по позиции ОН-групп в структуре ГА. К недостатку данного метода относится несходство по структуре полученных образцов к биоапатиту природной кости.

В патенте EP 0625490 A1 (опубликован 23.11.1994 г.) предложен метод получения КГА, который имеет молярное соотношение Са/Р близко к 1,66. В качестве источника ионов СО₃ ^2- использовали Na₂CO₃. Недостаток данного метода состоит в том, что вместе с карбонат-ионами в кристаллической решетке ГА идет нежелательное примесное замещение катионов Na⁺.

В патенте WO1994008458 A1 (опубликован 28.04.1994 г.) описан способ получения КГА, где исходные реагенты смешивали так, чтобы сформировать гидроксиапатитный цемент при комнатной или физиологической температуре. Источником карбонат-ионов является твердый карбонат кальция СаСО₃. Полученный материал представляет собой низкокристаллический или аморфный апатит, который содержит нежелательные ионы натрия.

Патент EP 0342932 A1 (опубликован 23.11.1989 г.) описывает способ получения КГА путем добавления Ca(OH)₂ и СаСО₃ к суспензии CaHPO₄. Ионы CO₃ ^2-, которые вводятся в реакционную смесь, находятся в виде нерастворимого CaCO₃, а не в виде раствора. Молярное соотношение Са/Р согласно этому патенту всегда меньше 1,67. После спекания при температуре от 1000°С до 1100°С содержание карбоната полученного материала уменьшается менее 0,1%. Недостаток данного метода заключается в том, что полученный продукт содержит в своем составе примесь CaCO₃ и высокая температура спекания.

В патенте WO 2001083367 A2 (опубликован 08.11.2001 г.) получали КГА путем выдерживания кальция фосфата в сверхкритическом или конденсированном диоксиде углерода. Недостатком данного способа являются техническая сложность и крайне высокая стоимость, которые не позволяют организовать массовое производство продукта.

Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в патенте US 6582672B1 (опубликован 24.06.2003 г. ). Указанный способ получения монофазного КГА включает синтез КГА методом осаждения при рН 10,5-11 путем смешения водных растворов реагентов, содержащих ионы СО₃ ^2-, РО₄ ^3- и Са²⁺. Причем реагенты вводятся в реакционную смесь при условии обеспечения молярного соотношения Са/Р выше 1,67, содержание СО₃ ^2-, замещенного в Б-позиции или в А и Б позициях, не должно быть выше 5%. Углекислый газ барботируют в деионизированную воду в течение 30 минут, затем к этому раствору прибавляют ортофосфорную кислоту. В полученную смесь при постоянном перемешивании добавляют по каплям суспензию Са(ОН)₂ со скоростью 5,5 мл/мин, рН реакционной смеси поддерживают в интервале 10,5-11 путем добавления концентрированного аммиака. Полученную суспензию после синтеза продолжают перемешивать в течение 2 часов и затем оставляют для старения около 12 часов. Вся реакция проходит при комнатной температуре. Осадок фильтруют, промывают дистиллированной водой для удаления избытка аммиака с последующим высушиванием при 80°С в течение 12 часов. После чего высушенный фильтр-корж извлекают, измельчают в мелкий порошок. Частицы порошка имеют средний размер ниже 100 мкм. Это способ позволяет получать монофазовый карбонатсодержащий гидроксиапатит, не содержащий ионы Na⁺, NH₄ ⁺. Основными недостатками данного способа являются низкое содержание карбонат-ионов, трудность точного контроля степени замещения СО₃ ^2-, а кристаллохимическая формула полученного карбонатсодержащего гидроксиапатита не соответствует формуле кальций-дефицитного гидроксиапатита. Кроме того, частицы КГА, полученные данным методом, имеют большой средний размер около 100 мкм.

Задачей данного изобретения является разработка способа получения монофазного наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита наиболее близкого по химическому составу и структуре к природной кости с высокими биоактивностью и удельной поверхностью при молярном соотношении Са/(Р+СО₃ ^2-)<1,67.

Технический результат:

- получение монофазного продукта Са_д-КГА наиболее близкого по химическому составу и структуре к природной кости формулы Ca_10-d(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)_2+x-2d, где d - степень дефицитности Са²⁺; х - коэффициент или степень замещения карбоната в интервале от 0,76 до 1,21, а массовое содержание карбонат-ионов от 5% до 8%;

- в полученном Са_д-КГА молярное соотношение Са/(Р+СО₃ ^2-)<1,67, средний размер кристаллов от 8 нм до 70 нм, удельная поверхность 90-200 м²/г, что обеспечивает повышенную биоактивность и адсорбционную способность готового продукта.

Для решения поставленной задачи получения монофазного наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита предложен способ получения Са_д-КГА, включающий синтез путем осаждения из водного раствора реагентов, содержащих ионы СО₃ ^2-, РО₄ ^3- и Са²⁺, отстаивание при комнатной температуре для завершения процесса фазообразования, выделение осадка и высушивание до постоянной массы с последующем измельчением.

Способ включает следующие новые признаки:

- готовят водный раствор композиции гидроксид кальция/карбонат аммония с использованием 0,08-0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция и расчетного количества карбоната аммония для получения готового продукта с массовым содержанием карбонат-ионов от 5 до 8 мас.% и молярным соотношением Са/(Р+СО₃ ^2-) ниже 1,67;

- приливают раствор ортофосфорной кислоты со скоростью 0,5-5 мл/мин на литр водного раствора к композиции гидроксид кальция/карбонат аммония;

- рН реакционной смеси поддерживают выше 11.

В качестве поставщика ионов СО₃ ^2- использовали карбонат аммония, который позволяет более точно контролировать содержание СО₃ ^2- в полученном продукте и вносит вклад в поддержание значения рН реакционной смеси.

Количество карбонат-ионов в продукте составляет от 5 до 8 мас.%, что соответствует оптимальному содержанию карбонат-ионов в природной кости. При этом не требуется проведения контроля содержания карбонат-ионов, что обусловливается точной навеской (NH₄)₂CO₃.

Скорость приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты менее 0,5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксида кальция и карбоната аммония нецелесообразна из-за крайне большой длительности процесса синтеза.

Скорость приливания 10-20%-ного раствора ортофосфорной кислоты более 5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксида кальция и карбоната аммония приводит к возможности получения продукта с большой дефектностью в структуре, т.к. при быстром приливании кислоты карбонат-ионы не успевают встраиваться в структуру гидроксиапатита, большая часть их адсорбируется на поверхности образовавшихся кристаллов.

Молярное соотношение Са/(Р+СО₃ ^2-) выше или равно 1,67, нецелесообразно из-за того, что не дает возможность получить кальций-дефицитный карбонатсодержащий гидроксиапатит и может приводить к появлению побочных продуктов, например СаСО₃, Са₃(РО₄)₂.

Если молярное соотношение Са/(Р+СО₃ ^2-) меньше 1,67 вызывается не из-за дефицита Са, а из-за увеличения содержания замещенных карбонат-ионов в дополнительных позициях, то структура полученного гидроксиапатита не соответствует структуре природной кости.

Значение рН реакционной смеси, поддерживающееся выше 11 благодаря использованию насыщенного раствора гидроксида кальция и карбоната аммония, обеспечивает большое количество гидроксильных групп, что позволяет получить продукт с более завершенной структурой.

Теоретическое обоснование предложенного изобретения заключается в следующем.

Карбонатсодержащие кальций-дефицитные гидроксиапатиты могут быть представлены формулой:

Ca_10-d(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)_2+x-2d, где d - степень дефицитности Са²⁺; х - коэффициент или степень замещения СО₃ ^2-.

При этом наличие 5-8 мас.% карбоната в составе костной ткани является принципиально важным для формирования полноценной естественной кости с требуемыми строением и функционалом. Для обеспечения необходимого содержания карбоната и кальция в синтетическом карбонатсодержащем гидроксиапатите степень замещения СО₃ ^2- в синтезируемом продукте должна быть в пределах х=0,76-1,21, а молярное соотношение Са/(Р+CO₃ ^2-) ниже 1,67.

В предлагаемом способе источником карбонат-ионов является (NH₄)₂CO₃, который добавляют в раствор гидроксида кальция. В результате диссоциации в реакционную смесь поступают свободные карбонат-ионы по реакции:

(NH₄)₂CO₃ →2NH₄ ⁺+CO₃ ^2- (1)

Далее свободные ионы CO₃ ^2- сразу вступают в реакцию с избытком ионов Са²⁺с образованием малорастворимого карбонат кальция по реакции:

Са²⁺+СО₃ ^2- → СaCO₃↓ (2)

и тем самым уходят из реакционного объема.

Затем в реакционную смесь начинают с заданной скоростью дозировать раствор ортофосфорной кислоты. В этот период происходит формирование промежуточного продукта - аморфного фосфата кальция

3Са²⁺+2PО₄ ^3- → Сa₃(PO₄)₂↓ (3)

Аморфный фосфат кальция затем трансформируется в термодинамически наиболее устойчивое и самое малорастворимое соединение в системе:

гидроксиапатит СаО-Р₂O₅-Н₂O.

Поскольку CaCO₃ является наиболее растворимым соединением в этом ряду, то по мере формирования новой фазы Са₃(РO₄)₂ и далее ГА карбонат кальция начинает растворяться с высвобождением в объем раствора ионов CO₃ ^2-. Новообразующаяся фаза фосфата кальция, адсорбируя карбонат-ионы и гидроксильные ионы, образует карбонатсодержащий гидроксиапатит.

СaCO₃↓ → Са²⁺+СО₃ ^2- (4)

(3-x/2)Сa₃(PO₄)₂+(1-d+3x/2)Са²⁺+xСО₃ ^2-+(2+x-2d)OH^- → Ca_10-d(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)_2+x-2d (5)

Предложенный способ характеризуют следующие фигуры.

Фиг. 1. Дифрактограмма РФА образца Са_д-КГА с молярным соотношением Са/(Р+СО₃ ^2-)=1,50, полученного при степени замещения карбоната х=0,76 и содержании СО₃ ^2- равном 5 мас.%;

Фиг. 2. Ик-спектр образца Са_д-КГА с молярным соотношением Са/(Р+СО₃ ^2-)=1,50, полученного при степени замещения карбоната х=0,76 и содержании СО₃ ^2- равном 5 мас.%;

Фиг. 3. Дифрактограмма РФА образца Са_д-КГА с молярным соотношением Са/(Р+СО₃ ^2-)=1,67, полученного при степени замещения карбоната х=1,21 и содержании СО₃ ^2- равном 8 мас.%.

Фиг. 1 и 3 были получены на дифрактометре Rigaku Ultima IV (Япония) с детектором D/teX Ultra. Съемку проводили в кварцевых кюветах в режиме на отражение (геометрия Брегга-Брентано) с использованием Cu K_α-излучения (длина волны λ=1.54178 ). Параметры работы генератора: ускоряющее напряжение 40 кВ, ток трубки 250 мА. Параметры съемки интервал углов 2θ=5-85°, шаг по 2θ=0.02°, скорость регистрации спектров 3°/мин. Качественный анализ полученных рентгенограмм и профильный анализ спектров, определение значений параметров решетки проводили с помощью программы PDXL Qualitative Analysis при использовании баз данных ICDD (PDF 2008).

Фиг. 2 была снята на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 6700 (Thermo Electron Corporation, США) с детектором МСТ-А (50 мкм). ИК-спектры поглощения образцов регистрировали в диапазоне 400-4000 см¹ со следующими параметрами: число сканов пробы 32; число сканов 32; разрешение 4,000; усиление 8,0; скорость зеркала 0,6329; диафрагма 100,00. Анализ полученных ИК-спектров, определение значений волновых чисел проводили с помощью программного комплекса OMNIC (версия 7.3) при использовании автофильтра, базовой коррекции.

Описание способа поясняется примерами.

Пример 1

Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са₉(PO₄)_5,24(CO₃)_0,76(ОН)_0,76 с молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-)-1,50, степенью дефицитности Са²⁺ d=1 и степенью замещения карбоната x=0,76, что соответствует около 5 мас.% CO₃ ^2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.

Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,1753 г (NH₄)₂CO₃.

Затем 11,69 мл 10%-ного раствора H₃PO₄ помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 0,5 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)₂ и (NH₄)₂CO₃ в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са_д-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.

Дифрактограмма РФА полученного образца Са_д-КГА с молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-)=1,50, полученного при степени замещения карбоната х=0,76, что соответствует 5 мас.% CO₃ ^2-, представлена на фиг. 1, ИК-спектр образца Са_д-КГА с молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-)=1,50 и х=0,76 представлен на фиг. 2.

Пример 2

Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са₉(PO₄)₅(CO₃)₁(ОН)₁ с молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-) - 1,50, степенью дефицитности Са²⁺ d=1 и степенью замещения карбоната х=1,0, что соответствует около 6,5 мас.% CO₃ ^2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 20 мас.%.

Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2306 г (NH₄)₂CO₃.

Затем 5,54 мл 20%-ного раствора H₃PO₄ помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 1 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)₂ и (NH₄)₂CO₃ в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са_д-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.

Пример 3

Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са₉(PO₄)_4,79(CO₃)_1,21(ОН)_1,21 с молярным отношением Са/(Р+CO₃ ^2-) - 1,50, степенью дефицитности Са²⁺ d=1 и степенью замещения карбоната х=1,21, что соответствует около 8,0 мас.% CO₃ ^2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,08 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.

Навеску гидроксида кальция массой 0,8 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,08%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,1394 г (NH₄)₂CO₃.

Затем 5,35 мл 10%-ного раствора H₃PO₄ помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/(NH₄)₂CO₃, со скоростью 3,5 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)₂ и (NH₄)₂CO₃ в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са_д-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.

Пример 4

Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са_9,36(PO₄)_5,24(CO₃)_0,76(ОН)_1,48 с молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-) - 1,56, степенью дефицитности Са²⁺ d=0,64 и степенью замещения карбоната х=0,76, что соответствует около 5,0 мас.% CO₃ ^2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 15 мас.%.

Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,1685 г (NH₄)₂CO₃.

Затем 7,31 мл 15%-ного раствора H₃PO₄ помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 1 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)₂ и (NH₄)₂CO₃ в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са_д-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.

Пример 5

Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са_9,36(PO₄)₅(CO₃)₁(ОН)_1,72 с молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-) - 1,56, степенью дефицитности Са²⁺ d=0,64 и степенью замещения карбоната x=1,0, что соответствует около 6,5 мас.% CO₃ ^2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.

Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2218 г (NH₄)₂CO₃.

Затем 10,75 мл 10%-ного раствора H₃PO₄ помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 5 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)₂ и (NH₄)₂CO₃ в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са_д-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм

Пример 6

Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са_9,36(PO₄)_4,79(CO₃)_1,21(ОН)_1,93 с молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-) - 1,56, степенью дефицитности Са²⁺ d=0,64 и степенью замещения карбоната х=1,21, что соответствует около 8,0 мас.% CO₃ ^2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.

Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2683 г (NH₄)₂CO₃.

Затем 10,29 мл 10%-ного раствора H₃PO₄ помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 2 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)₂ и (NH₄)₂CO₃ в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са_д-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.

Пример 7

Синтез наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы с молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-) - 1,67 и степенью замещения карбоната х=1,21, что соответствует около 8,0 мас.% CO₃ ^2-, в случае, когда концентрация водного раствора гидроксида кальция - 0,16 мас.%, а концентрация водного раствора ортофосфорной кислоты - 10 мас.%.

Навеску гидроксида кальция массой 1,6 г при комнатной температуре добавляли к 1000 мл дистиллированной воды, перемешивали с помощью магнитной мешалки в течение 10-15 минут и оставляли на 6 часов до полного растворения гидроксида кальция. После чего к 1000 мл 0,16%-ного водного раствора гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляли 0,2511 г (NH₄)₂CO₃.

Затем 9,64 мл 10%-ного раствора H₃PO₄ помещали в делительную воронку и добавляли по каплям в водный раствор, содержащий композицию гидроксид кальция/карбонат аммония, со скоростью 1 мл/мин. После добавления всего объема раствора ортофосфорной кислоты проверяли рН смеси реагентов и рН оставался более 11, в связи с использованием насыщенного раствора Са(ОН)₂ и (NH₄)₂CO₃ в качестве исходных реагентов. Реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут, а затем оставляли для созревания около 24 часов. Вся реакция проходила при комнатной температуре. Образовавшийся коллоидный раствор отфильтровывали с помощью фильтровальной бумаги. Затем осадок с фильтра количественно переносили в фарфоровую чашку и сушили при 105°С в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого Са_д-КГА измельчали в мелкий порошок с использованием ступки и пестика и просеивали через сито с диаметром ячейки 0,14 мм.

Дифрактограмма РФА образца Са_д-КГА с молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-)=1,67, полученного при степени замещения карбоната х=1,21, что соответствует 8 мас.% CO₃ ^2-, представлена на фиг. 3.

Физико-химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-7, приведены в табл.1.

Таблица 1
Физико-химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-7 Образец Массовая доля СО₃ ^2-, % Степень замещения СО₃ ^2-, х Молярное соотношение Са/(Р+СО₃ ^2-) Количество фаз Параметры решетки, нм Ось - а Ось - с Пример 1 5 0,76 1,50 1 9,418 6,901 Пример 2 6,5 1,0 1,50 1 9,424 6,905 Пример 3 8 1,21 1,50 1 9,415 6,908 Пример 4 5 0,76 1,56 1 9,428 6,906 Пример 5 6,5 1,0 1,56 1 9,434 6,895 Пример 6 8 1,21 1,56 1 9420 6,911 Пример 7 8 1,21 1,67 2 9,397 6,916

Текстурные характеристики образцов, полученных по примерам 1-7,

приведены в табл.2.

Таблица 2
Текстурные характеристики образцов, полученных по примерам 1-7 Образец Средний размер кристаллов, нм Удельная поверхность, м²/г Кристалличность, % Пример 1 42,3 151,2 92,3 Пример 2 35,7 201,3 94,7 Пример 3 7,95 167,4 90,5 Пример 4 36,8 165,8 91,2 Пример 5 73,9 174,0 87,8 Пример 6 24,6 184,2 89,8 Пример 7 17,7 91,0 92,0

Определение удельной поверхности, объема и среднего размера пор материалов по методу БЭТ проводили на автоматизированной сорбционной установке TriStar II 3020 производства Micromeritics (США) с использованием объемного варианта сорбционного метода. Удельная поверхность была рассчитана по изотерме низкотемпературной сорбции паров азота по одноточечному методу БЭТ в точке P/Po=0,3189. Образцы были выдержаны в инертном газе азота и гелия с одновременным обеспечением нагрева образцов при температуре 95°С.

Известно, что поверхностный заряд наноразмерных частиц, наряду с их размером и формой, являются важными характеристиками ГА, определяющими процессы клеточной адсорбции. В этом аспекте частицы гидроксиапатита, обладающие отрицательно заряженной поверхностью, имеют заметное преимущество [Yingchao Han et al. Nanosize and Surface Charge Effects of Hydroxyapatite Nanoparticles on Red Blood Cell Suspensions //ACS Appl. Mater. Interfaces. 2012. V.4. №9. P. 4616-4622]. Измерение величины и знака дзета-потенциала частиц КГА после созревания осуществляли методом электрофореза на анализаторе Zetasizer Nano ZS фирмы Malvern Instruments.

Значения дзета-потенциала частиц КГА в виде гидрогеля после 24 часов выдерживания в маточном растворе (время созревания) представлены в табл.3

Таблица 3.
Дзета-потенциал образцов КГА Образец Молярное соотношение Са/(Р+СО₃ ^2-) рН после синтеза рН после созревания Значение дзета-потенциала, мВ. Пример 1 1,50 11,60 11,10 -27,8 Пример 5 1,56 11,62 11,13 -15,7 Пример 7 1,67 11,76 11,33 +12,3

Проблема загрязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов в настоящее время особенно значима. Соединения тяжелых металлов являются распространенными компонентами выбросов транспорта и многих предприятий различных отраслей промышленности. Среди ионов тяжелых металлов наиболее опасными загрязнителями считаются ионы свинца, так как его техногенное накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Путем миграции по пищевым цепям ионы Pb²⁺попадают в организм человека, вызывая единовременные или хронические отравления, и приводят к серьезным нарушениям процессов обмена веществ и жизненно важных функций организма [Herbert L. Needleman, Christine McFarland, Roberta B. Ness, Stephen E. Fienberg, Michael J. Tobin. Bone lead levels in adjudicated delinquents A case control study //J. Neurotoxicology and Teratology. 2002. V.24. P. 711-717; Sharma A., Sharma V., Kansal L. Amelioration of lead-induced hepatotoxicity by Allium sativum extracts in Swiss albino mice //Libyan J. of Med. 2010. V.5. P. 4621-4630]. Одним из наиболее опасных последствий действия ионов свинца считается его способность замещать кальций в костях и быть постоянным источником отравления в течение длительного времени [Silbergeld E.K. Facilitative mechanisms of lead as a carcinogen //Mutation Research: Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 2003. V.533. P. 121-133].

Сорбцию ионов свинца на полученных образцах изучали при комнатной температуре при 25±2°С с использованием ацетатного буферного раствора при рН=5,5. В качестве поставщика ионов Pb²⁺был выбран Pb(CH₃COO)₂·3H₂O. В химические стаканы емкостью 100 мл, содержащие навески 0,1±0,0010 г исследуемых образцов, помещали по 50 мл модельных растворов с разными концентрациями ионов Pb²⁺в диапазоне концентраций Pb²⁺от 40 до 4800 мг/л. Определение равновесных концентраций ионов свинца и ионов кальция в модельных растворах было проведено после 48 часов экспозиции.

Концентрацию ионов свинца определяли на вольтамперометрическом анализаторе АКВ-07МК с твердотельным электродом (компания Аквилон, Россия). Для определения концентрации ионов свинца была использована методика с пределом обнаружения 0,2 мг/дм³; диапазон тока - 5000 мА; время накопления - 10 с.

Данные о сорбционной емкости полученных образцов, представленные в табл.4, определили графическим путем, строя график зависимости отношения равновесной концентрации ионов свинца С к величине сорбции Г от величины сорбции Г, используя традиционное

уравнение Лэнгмюра $$Г=\frac{V(C_o-C)}{m}$$ и его преобразованное уравнение в линейной форме $$\frac{C}{Г}=\frac{1}{k{Г}_{о}}+\frac{С}{{Г}_{о}}$$

где Г- величина сорбции, мг/г; V - объем раствора ионов свинца, мл; C - равновесная концентрация ионов свинца, мг/л; C_о - исходная концентрация ионов свинца, мг/л; Г_о - сорбционная емкость, мг/г; k - константа адсорбции, характеризующая степень сродства данного иона к сорбции по Ленгмюру.

Таблица 4
Сорбционная емкость образцов, полученных по примерам 1-6, по отношению к ионам тяжелых металлов (при рН=5,5) Образец Массовая доля СО₃ ^2-, % Молярное соотношение Са/(Р+СО₃ ^2-) Сорбционная емкость к ионам Pb²⁺, мг/г Пример 1 5 1,50 1689 Пример 2 6,5 1,50 1724 Пример 3 8 1,50 1720 Пример 4 5 1,56 1697 Пример 5 6,5 1,56 1686 Пример 6 8 1,56 1650

Из табл.4 следует, что в зависимости от степени дефицитности и содержания карбоната сорбционная емкость синтетических образцов Са_д-КГА по отношению к ионам Pb²⁺составляет до 1720 мг/г, что превышает почти в 5 раз сорбционную емкость немодифицированного гидроксиапатита [Bailliez S., Nzihou А., Beche А., Flamant G. Removal of lead (Pb) by hydroxyapatite sorbent //Trans IChemE, Part B, Process Safety and Environmental Protection. 2004.V. 82. №2.Р. 175-180].

Таким образом, приведенные примеры подтверждают возможность осуществления предложенного способа с достижением заявленного технического результата:

- получение монофазного продукта Са_д-КГА наиболее близкого по химическому составу и структуре к природной кости формулы Ca_10-d(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)_2+x-2d, где d - степень дефицитности Са²⁺; х - коэффициент или степень замещения карбоната в интервале от 0,76 до 1,21, а массовое содержание карбонат-ионов от 5% до 8%;

- повышенную биоактивность и адсорбционную способность в полученном Са_д-КГА с удельной поверхность 90-200 м²/г, что обеспечивается за счет молярного соотношения Са/(Р+СО₃ ^2-)<1,67 и среднего размера кристаллов от 8 нм до 70 нм.

Изобретение может быть использовано в производстве медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии, и в качестве сорбентов для адсорбции ионов тяжелых металлов. Для получения монофазного нанокристаллического кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита Са_10-d(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)_2+x-2d, где d - степень дефицитности Са²⁺, а х - степень замещения CO₃ ^2-, величина которой не ниже 0,76, но не выше 1,21, готовят водный раствор композиции гидроксид кальция/карбонат аммония с использованием 0,08-0,16% водного раствора гидроксида кальция. К указанному раствору после перемешивания в течение 10-15 минут и отстаивания до полного растворения гидроксида кальция добавляют расчетное количество карбоната аммония для получения готового продукта с массовым содержанием карбонат-ионов от 5 до 8 мас.% и молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-) ниже 1,67. Затем к композиции гидроксид кальция/карбонат аммония приливают 10-20% раствор ортофосфорной кислоты со скоростью 0,5-5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксид кальция/карбонат аммония при условии поддержания рН реакционной смеси выше 11. Осуществляют отстаивание для завершения процесса фазообразования, выделение и высушивание осадка. После сушки продукта до постоянной массы его подвергают измельчению. Изобретение позволяет получать наноразмерный продукт с высокой биоактивностью, со средним размером кристаллов от 8 нм до 70 нм, удельной поверхностью 90-200 м²/г и сорбционной емкостью к ионам тяжелых металлов до 1720 мг/г. 3 ил., 4 табл., 7 пр.

Способ получения монофазного наноразмерного кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита формулы Са_10-d(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)_2+x-2d, где d - степень дефицитности Са²⁺, а х - степень замещения CO₃ ^2-, величина которой не ниже 0,76, но не выше 1,21, включающий синтез путем осаждения из водного раствора реагентов, содержащих ионы CO₃ ^2-, PO₄ ^3- и Са²⁺, для чего сначала готовят водный раствор композиции гидроксид кальция/карбонат аммония с использованием 0,08-0,16% водного раствора гидроксида кальция, к которому после перемешивания в течение 10-15 минут и отстаивания до полного растворения гидроксида кальция добавляют расчетное количество карбоната аммония для получения готового продукта с массовым содержанием карбонат-ионов от 5 до 8 мас.% и молярным соотношением Са/(Р+CO₃ ^2-) ниже 1,67, затем к композиции гидроксид кальция/карбонат аммония приливают 10-20% раствор ортофосфорной кислоты со скоростью 0,5-5 мл/мин на литр водного раствора композиции гидроксид кальция/карбонат аммония при условии поддержания рН реакционной смеси выше 11, проводят отстаивание при комнатной температуре для завершения процесса фазообразования, выделение осадка и высушивание до постоянной массы с последующим измельчением.