Способ получения двойных катионзамещенных трикальцийфосфатов Российский патент 2023 года по МПК C01B25/32 C01B25/45 

Изобретение относится к медицинскому материаловедению и может быть использовано в производстве исходного биосовместимого материала, пригодного для изготовления плотной и пористой керамики, применяющейся в качестве скэффолдов в инженерии костной ткани, мишеней для создания покрытий на металлических имплантатах, композиционных минерал-полимерных материалов в хирургии, стоматологии, комбустиологии и в других областях медицины. Порошок трикальцийфосфата (ТКФ) используется для получения керамических материалов, применяемых в медицине в качестве прочных костных имплантатов и/или пористых матриксов для восстановления костной ткани. В связи с тем, что часто в ходе операций и последующего лечения происходит инфицирование раневого пространства, приводящее к необходимости повторных операций, придание материалу имплантата антимикробных свойств становится важной задачей.

Из уровня техники известно, что проведение одновременного замещения ионов кальция в структуре гидроксиапатита (ГА) на два и более катиона позволяет модифицировать свойства последнего, придавая материалу ряд полезных свойств, таких как антибактериальная активность, улучшенные матриксные свойства и др. Так, было изготовлено покрытие из гидроксиапатита, замещенного стронцием/медью (SrCuГA), на коммерчески чистом титане и изучено влияние катионов-допантов на антибактериальные свойства и цитосовместимость in vitro. Ионы Cu²⁺ были включены в состав ГА с целью улучшения его антимикробных свойств. Ионы Sr²⁺ были добавлен в качестве второго бинарного элемента для улучшения биосовместимости. (Huang, Y., Нао, М., Nian, X., Qiao, Н., Zhang, X., Zhang, X., …. & Zhang, H. (2016). Strontium and copper co-substituted hydroxyapatite-based coatings with improved antibacterial activity and cytocompatibility fabricated by electrodeposition. Ceramics International, 42(10), 11876-11888.). Недостатком рассмотренного способа является низкая скорость биорезорбции ГА, являющаяся преимуществом для керамических покрытий, но в то же время - недостатком для керамики, использующейся в качестве матриксов.

Для синтеза двойных замещенных ТКФ наиболее часто используют твердофазный синтез, протекающий при высоких температурах (1200-1300°С) в течение 10-12 часов, являющийся длительным и высоко энергоемким (Matsumoto, N., Sato, K., Yoshida, К., Hashimoto, K., & Toda, Y. (2009). Preparation and characterization of β-tricalcium phosphate co-doped with monovalent and divalent antibacterial metal ions. Acta biomaterialia, 5(8), 3157-3164). Недостатком твердофазного синтеза является его трудоемкость, необходимость многократного повторения чередующихся операций обжига и измельчения шихты, а также высокая энергоемкость синтеза, необходимость использования высокотемпературных печей.

Известен также способ получения двойных серебро- и медь-замещенных ТКФ с использованием гидротермального синтеза, который требует дорогостоящего оборудования (, . В., , D., , S., , V., , R., & , D. (2014). Antimicrobial activity and biocompatibility of Ag+- and Cu2+- doped biphasic hydroxyapatite/a-tricalcium phosphate obtained from hydrothermally synthesized Ag+-and Cu2+- doped hydroxyapatite. Applied surface science, 307,513-519).

Наиболее близким по техническому решению является способ синтеза, описанный в (Макарова, С.В., Булина, Н.В., Просанов, И.Ю., Ищенко, А.В., & Чайкина, М.В. (2020). Механохимический синтез апатита с одновременным замещением кальция на лантан и фосфата на силикат. Журнал неорганической химии, 65(12), 1626-1632). С использованием механохимического синтеза получены двойные замещенные апатиты с одновременным замещением кальция на лантан и фосфата на силикат. Реагенты реакционных смесей взяты таким образом, чтобы получить соединения, содержащие равные концентрации лантана и кремния. Синтез проведен в планетарной мельнице АГО-2. Показано, что при синтезе замещенного апатита полная конверсия исходных реагентов происходит за большее время, чем требуется для получения незамещенного гидроксиапатита. Обнаружено, что для получения лантан-силикат-замещенного апатита со степенью замещения менее 6 моль длительность механохимического синтеза должна составлять 40 мин. При концентрации заместителей более 6 моль полная конверсия исходных реагентов происходит после 100 мин механического воздействия. Недостатком такого способа получения двойных замещенных апатитов является использование дорогостоящего оборудования - планетарной мельницы, обеспечивающей высокую скорость оборотов - порядка 15000 мин^-1, и необходимость использования металлических реакторов и помольных тел, дающих намол в виде металлических частиц, ухудшающих биосовместимость керамики.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение числа оборотов планетарной мельницы до 1000 мин^-1, а также придание ТКФ и пористым керамическим материалам из него одновременно улучшенных пролиферативных свойств и антибактериальной активности.

Технический результат достигается тем, что в способе получения двойных катионзамещенных трикальцийфосфатов посредством механохимической активации оксида кальция и двухзамещенного фосфата аммония, взятых в мольном соотношении 3:2, при рН 7,0, с использованием планетарной мельницы с последующей термической обработкой, согласно изобретению, после смешивания в реактор добавляют рассчитанное количество растворов солей нитратов, или ацетатов, или хлоридов следующих элементов: соли стронция и одного из элементов - железа, цинка, меди, марганца, висмута, кремния - при следующем соотношении реагентов, масс. %:

нитрат кальция - 40-59,9

двухзамещенный фосфат аммония - 40

соли стронция и соли одного из элементов - железа (3+), цинка, меди, марганца, висмута, кремния - 0,1-20, после чего проводят активацию при скорости оборотов планетарной мельницы 1000 мин^-1 в течение 20 минут, при этом образующийся после термической обработки при температуре 1100°С порошок характеризуется однородным фазовым составом, соответствующим структуре витлокита и антимикробной активностью.

При уменьшении числа оборотов мельницы до 1000 мин^-1, происходит измельчение и смешивание исходных реагентов, а при добавлении водных растворов солей одного из элементов - железа (3+), цинка, меди, марганца, висмута, кремния происходит взаимодействие компонентов с образованием аморфного фосфата кальция, в котором часть ионов кальция замещена на ионы железа (3+), цинка, меди, марганца, висмута, кремния. При последующей термической обработке при температуре 1100°С формируется целевая фаза витлокита (β-ТКФ).

Введение одновременно двух замещающих ионов в трикальцийфосфат (ТКФ) позволяет модифицировать свойства последнего, придавая материалу наряду с антибактериальными свойствами, благодаря присутствию катионов железа, цинка, меди, марганца, висмута, кремния. В отсутствие этих ионов ТКФ не проявляет антибактериальной активности. Улучшенные матриксные свойства, а именно улучшенную клеточную пролиферацию, двойные замещенные ТКФ приобретают благодаря присутствию ионов стронция

Уменьшение соотношения (нитрат кальция + соль металла)/фосфат аммония меньше чем 1,5 приводит к появлению в материале после термообработки при 1100 °С фазы пирофосфата кальция, который является нежелательным компонентом, ухудшающим свойства керамики из полученного порошка. Пирофосфат формируется при разложении дикальцийфосфата дигидрата (ДКФД). Соотношение Са/Р в ДКФД равно 1. При увеличении соотношения (нитрат кальция + соль металла)/фосфат аммония более 1,5 а также при увеличении рН выше 7,0 в материале после термообработки формируется фаза ГА, которая уменьшает резорбируемость керамики. При рН больше 7 фаза ГА является термодинамически более устойчивой, и соотношение Са/Р в ГА равно 1.67.

ТКФ в отсутствии антибактериальных ионов не проявляет антибактериальной активности. Благодаря присутствию в материале из двойных замещенных ТКФ ионов стронция, материал приобретает улучшенные матриксные свойства, а именно -улучшается клеточная пролиферация. Наличие в материале ионов железа, цинка, меди, марганца, висмута, кремния придает материалу антибактериальные свойства. Возможность придать антибактериальные свойства без использования антибиотиков особенно актуальна в настоящее время, когда увеличивается антибиотикорезистентность по отношению к патогенным штаммам бактерий, вызванная присутствием антибиотиков в продуктах питания - молоке, мясе, яйцах и др.

Пример 1

Механоактивацию проводили в планетарной мельнице ПМ-1 (ООО «Вибротехник», С.-Петербург, Россия) при скорости вращения 1000 мин^-1. Соотношение материал:шары из диоксида циркония составляло 1:5. В барабан планетарной мельницы помещали 14 г (0,25 моль) оксида кальция, предварительно прокаленного при 950°С, 26,4 г (0,2 моль) двухзамещенного фосфата аммония, 5,3 г (0,025 моль) нитрата стронция, 6,5 г (0,025 моль) нитрата меди и проводили механоактивацию в течение 20 мин. Полученный порошок помещали в корундовый тигель и проводили термообработку при 1100°С в течение 1 часа. По данным рентгенофазового анализа основной кристаллической фазой полученного порошка является витлокит, примесей пирофосфата и ГА не обнаружено. Согласно данным элементного анализа, содержание меди и стронция в ТКФ соответствует введенному при синтезе. Полученный порошок проявлял антибактериальную активность по отношению к штаммам бактерий Escherichia coli, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa.

Пример 2

Механоактивацию проводили в планетарной мельнице ПМ-1 (ООО «Вибротехник», С.-Петербург, Россия) при скорости вращения 1000 мин^-1. Соотношение материал:шары из диоксида циркония составляло 1:5. В барабан планетарной мельницы помещали 14 г (0,25 моль) оксида кальция, предварительно прокаленного при 950°С, 26,4 г (0,2 моль) двухзамещенного фосфата аммония, 5,3 г (0,025 моль) нитрата стронция, 6,12 г (0,025 моль) ацетата марганца и проводили механоактивацию в течение 20 мин. Полученный порошок помещали в корундовый тигель и проводили термообработку при 1100°С в течение 1 часа. По данным рентгенофазового анализа основной кристаллической фазой полученного порошка является витлокит, примесей пирофосфата и ГА не обнаружено. Согласно данным элементного анализа, содержание марганца и стронция в ТКФ соответствует введенному при синтезе. Полученный порошок проявлял антибактериальную активность по отношению к штаммам бактерий Escherichia coli, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus.

Пример 3

Механоактивацию проводили в планетарной мельнице ПМ-1 (ООО «Вибротехник», С.-Петербург, Россия) при скорости вращения 1000 мин^-1. Соотношение материал:шары из диоксида циркония составляло 1:5. В барабан планетарной мельницы помещали 14 г (0,25 моль) оксида кальция, предварительно прокаленного при 950°С, 26,4 г (0,2 моль) двухзамещенного фосфата аммония, 5,3 г (0,025 моль) нитрата стронция, 4,58 г (0,025 моль) ацетата цинка и проводили механоактивацию в течение 20 мин. Полученный порошок помещали в корундовый тигель и проводили термообработку при 1100°С в течение 1 часа. По данным рентгенофазового анализа основной кристаллической фазой полученного порошка является витлокит, примесей пирофосфата кальция (ПФК) и ГА не обнаружено. Согласно данным элементного анализа, содержание цинка и стронция в ТКФ соответствует введенному при синтезе. Полученный порошок проявлял антибактериальную активность по отношению к штаммам бактерий Escherichia coli, Staphylococcus aureus.

Пример 4

Механоактивацию проводили в планетарной мельнице ПМ-1 (ООО «Вибротехник», С.-Петербург, Россия) при скорости вращения 1000 мин^-1. Соотношение материал:шары из диоксида циркония составляло 1:5. В барабан планетарной мельницы помещали 14 г (0,25 моль) оксида кальция, предварительно прокаленного при 950°С, 26,4 г (0,2 моль) двухзамещенного фосфата аммония, 5,3 г (0,025 моль) нитрата стронция, 7,18 г (0,025 моль) ацетата железа (+3) и проводили механоактивацию в течение 20 мин. Полученный порошок помещали в корундовый тигель и проводили термообработку при 1100°С в течение 1 часа. По данным рентгенофазового анализа основной кристаллической фазой полученного порошка является витлокит, примесей ПФК и ГА не обнаружено. Согласно данным элементного анализа, содержание цинка и стронция в ТКФ соответствует введенному при синтезе. Полученный порошок проявлял антибактериальную активность по отношению к штаммам бактерий Escherichia coli, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus

Пример 5

Механоактивацию проводили в планетарной мельнице ПМ-1 (ООО «Вибротехник», С. Петербург, Россия) при скорости вращения 1000 мин-1. Соотношение материал:шары из диоксида циркония составляло 1:5. В барабан планетарной мельницы помещали 14 г (0,25 моль) оксида кальция, предварительно прокаленного при 950°С, 26,4 г (0,2 моль) двухзамещенного фосфата аммония, 5,3 г (0,025 моль) нитрата стронция, 9,88 г (0,025 моль) нитрата висмута и проводили механоактивацию в течение 20 мин. Полученный порошок помещали в корундовый тигель и проводили термообработку при 1100°С в течение 1 часа. По данным рентгенофазового анализа основной кристаллической фазой полученного порошка является витлокит, примесей ПФК и ГА не обнаружено. Согласно данным элементного анализа, содержание висмута и стронция в ТКФ соответствует введенному при синтезе. Полученный порошок проявлял антибактериальную активность по отношению к штаммам бактерий Escherichia coli, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus

Пример 6

Механоактивацию проводили в планетарной мельнице ПМ-1 (ООО «Вибротехник», С. Петербург, Россия) при скорости вращения 1000 мин-1. Соотношение материал:шары из диоксида циркония составляло 1:5. В барабан планетарной мельницы помещали 14 г (0,25 моль) оксида кальция, предварительно прокаленного при 950°С, 26,4 г (0,2 моль) двухзамещенного фосфата аммония, 5,3 г (0,025 моль) нитрата стронция, раствор 5,2 г (0,025 моль) тетраэтоксисилана в 50 мл этанола и проводили механоактивацию в течение 20 мин. Полученный порошок помещали в корундовый тигель и проводили термообработку при 1100°С в течение 1 часа. По данным рентгенофазового анализа основной кристаллической фазой полученного порошка является витлокит, примесей ПФК и ГА не обнаружено. Согласно данным элементного анализа, содержание кремния и стронция в ТКФ соответствует введенному при синтезе. Полученный порошок проявлял антибактериальную активность по отношению к штаммам бактерий Escherichia coli, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus

Пример 7

Механоактивацию проводили в планетарной мельнице ПМ-1 (ООО «Вибротехник», С.Петербург, Россия) при скорости вращения 1000 мин^-1. Соотношение материал:шары из диоксида циркония составляло 1:5. В барабан планетарной мельницы помещали 14 г (0,25 моль) оксида кальция, предварительно прокаленного при 950°С, 26,4 г (0,2 моль) двухзамещенного фосфата аммония, 5,3 г (0,025 моль) нитрата стронция, раствор 5,2 г (0,025 моль) тетраэтоксисилана в 50 мл этанола и проводили механоактивацию в течение 20 мин. Полученный порошок помещали в корундовый тигель и проводили термообработку при 900°С в течение 1 часа. Согласно данным РФА, фазовый состав неоднороден: наряду с целевой фазой витлокита присутствует также фаза ПФК.

Изобретение относится к медицинскому материаловедению, а именно к способу получения двойных катионзамещенных трикальцийфосфатов, которые могут быть использованы в производстве исходного биосовместимого материала, пригодного для изготовления плотной и пористой керамики. Предложенный способ включает механохимическую активацию оксида кальция и двухзамещенного фосфата аммония при рН 7,0 с использованием планетарной мельницы с последующей термической обработкой, при этом после смешивания оксида кальция и двухзамещенного фосфата аммония в реактор добавляют рассчитанное количество растворов солей нитратов следующих элементов: стронция и меди, при следующем соотношении реагентов, мас. %: оксид кальция – 26,8, двухзамещенный фосфат аммония – 50,6, соль стронция – 10,2, соль меди – до 100%, после чего проводят активацию при скорости оборотов планетарной мельницы 1000 мин^-1 в течение 20 минут. При этом образующийся после термической обработки при температуре 1100°С порошок характеризуется однородным фазовым составом, соответствующим структуре витлокита, и антимикробной активностью. Техническим результатом изобретения является уменьшение числа оборотов планетарной мельницы до 1000 мин^-1, а также придание трикальцийфосфату и пористым керамическим материалам из него одновременно улучшенных пролиферативных свойств и антибактериальной активности. 7 пр.

Способ получения двойных катионзамещенных трикальцийфосфатов, включающий механохимическую активацию оксида кальция и двухзамещенного фосфата аммония при рН 7,0 с использованием планетарной мельницы с последующей термической обработкой, при этом после смешивания оксида кальция и двухзамещенного фосфата аммония в реактор добавляют рассчитанное количество растворов солей нитратов следующих элементов: стронция и меди, при следующем соотношении реагентов, мас. %:

оксид кальция 26,8 двухзамещенный фосфат аммония 50,6 соль стронция 10,2 соль меди до 100%,

после чего проводят активацию при скорости оборотов планетарной мельницы 1000 мин^-1 в течение 20 минут, при этом образующийся после термической обработки при температуре 1100°С порошок характеризуется однородным фазовым составом, соответствующим структуре витлокита, и антимикробной активностью.