СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ МАГНИЙ-ЗАМЕЩЁННОГО ФОСФАТА КАЛЬЦИЯ-ЦИРКОНИЯ Российский патент 2024 года по МПК A61L27/10 C01B25/32 

Изобретение относится к химической технологии, а именно к получению керамического материала, а именно плотноспечённого магний-замещённого фосфата кальция-циркония, который может быть использован в травматологии и ортопедии.

Биологически активные материалы, способные заменять повреждённые участки костной ткани по своим физико-химическим и биологическим свойствам должны быть остеосовместимыми и способствовать оптимальному протеканию репаративных процессов в костной ткани реципиента. Костная ткань – это уникальный по составу и свойствам материал на основе карбонатсодержащего нестехиометрического гидроксиапатита: Ca_10-x-y/2(HPO₄)_x(CO₃)_y(PO₄)_6-x-y (OH)_2-x и белка коллагена. В составе костной ткани также присутствуют микроэлементы натрий, калий, магний, а также хлор, фтор, карбонат, обладающие способностью влиять на развитие костной ткани. Среди них магний является ключевым двухвалентным катионом, который усиливает минерализацию кости, а также пролиферацию остеобластов.

Наиболее близкими к минеральной составляющей костной ткани являются керамические материалы на основе гидроксиапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ и трикальцийфосфата Ca₃(PO₄)₂.

Так, известен синтез магний-замещённых апатитов осаждением из раствора [Баринов С.М., Комлев B.C. «Биокерамика на основе фосфатов кальция» - М.: Наука, с.49-50], заключающийся в том, что в качестве исходных соединений использовали водные растворы нитратов (1 моль/л), двузамещенного фосфата аммония (0,6 моль/л) и аммиака (6 моль/л). Реакционную смесь перемешивали и помещали в СВЧ-печь мощностью 700 Вт на 30 мин, после чего осадки отфильтровывали, промывали водой и высушивали на воздухе.

Основным недостатком указанного метода является необходимость использования дополнительного оборудования, такого как СВЧ-печь, что создаёт неудобство применения способа. Помимо этого, структура апатита не обладает достаточной прочностью для медицинских изделий для протезирования, которые должны эксплуатироваться под нагрузкой.

Известен способ получения магний-замещённого трикальцийфосфата, используемого для получения биосовместимых покрытий, применяемых в челюстно-лицевой хирургии и травматологии для изготовления внутритканевых эндопротезов [пат. RU №2623076, опубл. 21.06.2017]. Способ осуществляют в несколько этапов. Для получения шихты проводят подготовку исходных компонентов: карбоната кальция и синтез пирофосфата магния. Пирофосфат магния в стехиометрическом соотношении Mg/P=1,67 получают жидкофазным синтезом или методом осаждения из водных растворов. Полученный в результате осадок оставляют на созревание на 24-26 часов в химическом стакане. После отстаивания осадок MgNH₄PO₄ пятикратно промывают декантацией до pH=7 для его частичного гидролиза, фильтруют на воронке Бюхнера. Далее сушат осадок при температуре 95-100°C в течение 24-26 часов, а затем в течение 2-3 часов при температуре 200-250°C и далее в течение 3-4 часов прокаливают порошок при температуре 600-650°C для придания ему кристаллической структуры.

Далее проводят подготовку шихты, в качестве которой используют смесь пирофосфата магния и карбоната кальция при массовом соотношении 1:1 моль, и обжиг шихты при температуре 1120-1180°C в течение 5-7 часов.

К недостаткам известного способа относится многостадийность за счёт необходимости приготовления пирофосфата магния, а также общая длительность синтеза. Помимо этого, трикальцийфосфат даже с добавкой магния не обеспечивает достаточную прочность для нагружаемых имплантов.

Материалы на основе фосфатов кальция имеют отличную биосовместимость, но при этом не обладают достаточной прочностью и не могут быть использованы самостоятельно в качестве заменителей костной ткани. Помимо этого, обработка при высоких температурах, необходимых для создания прочных ортопедических конструкций для нагружаемых имплантов, приводит к структурной деградации. Так, у гидроксиапатита наблюдается дегидроксилирование при температуре 1100°C, а трикальцийфосфат склонен к аллотропному фазовому превращению из бета- в альфа-форму при температуре 1180°C.

Фосфат кальция-циркония CaZr₄(PO₄)₆ характеризуется высокой прочностью, коррозионной стойкостью, стойкостью к химически активным средам и является альтернативным химическим соединением для восстановления костных дефектов в ортопедии с приемлемыми характеристиками растворимости в биологической среде, механической прочности, структурной стабильности при температуре 1700°C и низкого теплового расширения. Помимо этого, большая изоморфная ёмкость структуры позволяет включать различные катионы со степенями окисления в диапазоне от 1+ до 5+ и с размером элементов в диапазоне от 0,53 до 1,65 Å.

Наиболее близким из уровня техники аналогом является способ получения Mg²⁺-замещённого CaZr₄(PO₄)₆, описанный в [Vasanthavel S. et al. «Structural, morphological and mechanical analysis of Mg²⁺ substituted calcium zirconium phosphate [CaZr₄(PO₄)₆]» //Journal of Alloys and Compounds, 2021, V.854, р.157185, DOI 10.1016/j.jallcom.2020.157185]. Фосфат кальция-циркония, замещённый магнием получали золь-гель-методом. В качестве прекурсоров для Ca²⁺, Zr⁴⁺, Mg²⁺ и P⁵⁺ соответственно использовали Ca(NO₃)₃, ZrOCl₂, Mg(NO₃)₂ и триэтилфосфит (C₆H₁₅OP) марки «ч.д.а.». Концентрации Zr⁴⁺ и P⁵⁺ поддерживали постоянными, а концентрации Ca²⁺ и Mg²⁺ варьировали в диапазоне 0,05-0,095 и 0,005-0,05 моль, соответственно. В кратком описании синтеза порошков индивидуальные исходные растворы Ca(NO₃)₃, ZrOCl₂ и Mg(NO₃)₂, приготовленные в деионизированной воде, смешивали в условиях постоянного перемешивания при 80°C. Затем медленно добавляли C₆H₁₅OP в концентрации 0,6 моль. Через 15 минут добавляли раствор лимонной кислоты и после этого полученные смеси перемешивали до образования влажного геля. Полученный гель сушили при 120°С в течение ночи и измельчали до тонкого порошка. Приготовленные порошки подвергали термообработке при температуре 1450–1550°С, со скоростью изменения температуры 5°С/мин и временем выдержки 2 часа, а затем охлаждали до комнатной температуры в условиях окружающей среды. Все процедуры термообработки проводили в воздушной атмосфере.

Состав полученных порошков определяли с помощью рентгеновского дифрактометра с излучением CuKa. Анализ рентгенограмм с использованием карточек Международного центра дифракционных данных (ICDD) показал наличие фазы CaZr₄(PO₄)₆ (карточка 98-010-3913) и примесных фаз Zr(P₂O₇) (карточка 98-001-3123) и Zr₂O(PO₄)₂ (карточка 98-010-3435).

К недостаткам прототипа относятся многостадийность, длительность и высокие температуры обжига.

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение плотноспечённой керамики на основе магний-замещённого фосфата кальция-циркония за меньшее число стадий, уменьшение времени синтеза и температуры обжига прекурсора за счёт пиролиза смеси органических производных кальция, циркония, фосфора и магния, которые помещают в органический растворитель – этиловый спирт с добавлением канифоли.

Технический результат получения магний-замещённого фосфата кальция-циркония достигают термической обработкой прекурсоров путём растворения ацетилацетоната циркония(IV), трибутилфосфата и магния уксуснокислого четырёхводного в этиловом спирте с добавлением олеата кальция и канифоли, последующей отгонки растворителя для получения смеси прекурсоров в расплаве канифоли и двухстадийной термической обработки в течение 30 минут при 500°С и 1200°С.

Заявленный технический результат подтверждали рентгенофазовым анализом на дифрактометре Stoe «STADI P». Состав продукта определяли с помощью программы поиска EVA c использованием базы порошковых данных ICDD PDF-2. Изобретение проиллюстрировано на рисунке Фиг.1, на котором приведены спектры рентгенофазового анализа образцов магний-замещенного фосфата кальция-циркония, полученных по примерам 1-4. Рентгенофазовый анализ подтверждает получение состава CaZr₄(PO₄)₆ (карточка 00-033-0321) без Mg-содержащих примесных фаз. Следовательно, Mg встраивается в кристаллическую решетку CaZr₄(PO₄)₆.

Значение теоретической (рентгенографической) плотности кристаллического вещества характеризует кристаллическую решётку с идеальными параметрами. Экспериментальные значения плотности всегда меньше рентгенографических. Разница связана с наличием в реальных кристаллах примесей, дефектов кристаллической решётки, внутренних напряжений. Теоретическая плотность фосфата кальция-циркония CaZr₄(PO₄)₆ составляет 3,203 г/см³. Образцы полученной в заявляемом изобретении керамики имели высокую плотность, близкую к теоретической, что позволяет говорить о получении плотноспечённых образцов фосфата кальция-циркония.

Заявляемый способ реализован в следующих примерах.

Пример 1

При постоянном помешивании и нагревании до температуры 40-50°С в 100 г этилового спирта растворяют ацетилацетонат циркония(IV), ацетат магния и трибутилфосфат. К полученному раствору добавляют олеат кальция и канифоль. Мольное отношение прекурсоров Ca:Zr:P:Mg составляет 1,35:4:8,4:0,35. Масса растворителя в 20 раз превышает сумму масс компонентов прекурсора. Масса канифоли в 1,5 раза превышает сумму масс компонентов прекурсора. Смесь нагревают до 70°С и перемешивают до полного растворения компонентов. Затем поднимают температуру до 80°С, удаляют растворитель и получают смесь компонентов в расплаве канифоли. Полученный расплав подвергают термообработке при температуре 500°С в течение 30 минут для формирования аморфного порошка, который измельчают ручным сухим способом в течение 1 минуты и подвергают пиролизу при температуре 1200°С в течение 30 минут. В результате получают керамику, состоящую из магний-замещённого фосфата кальция-циркония (Фиг.1(1)) с плотностью ρ = 3,048 г/см³, что составляет 95% от теоретической рентгенографической плотности.

Пример 2

Аналогичен примеру 1 с разницей в том, что мольное отношение прекурсоров Ca:Zr:P:Mg составляет 1,35:4:8,4:0,7. В результате получают керамику на основе магний-замещённого фосфата кальция-циркония, со следовым количеством примесной фазы моноклинного ZrO₂ (Фиг.1(2)). Плотность керамики ρ = 2,892 г/см³, что составляет 90% от теоретической.

Пример 3

Аналогичен примеру 1 с разницей в том, что мольное отношение компонентов прекурсора Ca:Zr:P:Mg составляет 1,4:4:8,1:0,35. В результате получают керамику, состоящую из магний-замещённого фосфата кальция-циркония (Фиг.1(3)). Плотность керамики ρ = 3,010 г/см³, что составляет 94% от теоретической.

Пример 4

Аналогичен примеру 1 с разницей в том, что мольное отношение компонентов прекурсора Ca:Zr:P:Mg составляет 1,4:4:8,1:0,7. В результате получают керамику на основе магний-замещённого фосфата кальция-циркония, со следовым количеством примесной фазы моноклинного ZrO₂ (Фиг.1(4)). Плотность керамики ρ = 2,740 г/см³, что составляет 86% от теоретической.

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к получению керамического материала в виде магний-замещённого фосфата кальция-циркония. Может использоваться в травматологии и ортопедии. Для приготовления раствора используют прекурсоры циркония, фосфора, магния и кальция в виде ацетилацетоната циркония(IV), ацетата магния, трибутилфосфата и олеата кальция при мольном отношении Ca:Zr:P:Mg 1,35-1,4:4:8,1-8,4:0,35-0,7. Прекурсоры циркония, фосфора и магния растворяют при 40-50°С в этиловом спирте, а прекурсор кальция растворяют в канифоли. Полученные растворы смешивают, нагревают до 80°С и удаляют растворитель. Смесь подвергают термообработке при 500°С в течение 30 минут для формирования аморфного порошка. Полученный порошок измельчают и подвергают пиролизу при температуре 1200°С в течение 30 минут. Обеспечивается получение спеченного магний-замещенного фосфата кальция-циркония с высокой плотностью. 1 ил., 4 пр.

Способ получения магний-замещённого фосфата кальция-циркония из раствора, содержащего прекурсоры кальция, циркония, магния и органический прекурсор фосфора, при термической обработке, отличающийся тем, что используют ацетилацетонат циркония (IV), ацетат магния, трибутилфосфат и олеат кальция при мольном отношении Ca:Zr:P:Mg 1,35-1,4:4:8,1-8,4:0,35-0,7, при этом прекурсоры циркония, фосфора и магния растворяют при 40-50°С в этиловом спирте, а прекурсор кальция растворяют в канифоли, растворы смешивают, нагревают до 80°С, удаляют растворитель, затем смесь подвергают термообработке при 500°С в течение 30 минут для формирования аморфного порошка, который измельчают и подвергают пиролизу при температуре 1200°С в течение 30 минут.