Состав для производства керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия в волне горения Российский патент 2025 года по МПК C04B35/447 A61L27/10 A61L27/12 

Изобретение относится к области медицины, может быть использовано в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии.

В качестве биодеградируемых керамических материалов используют фосфаты кальция с соотношением Са/Р менее 1,67. Такими фосфатами могут являться аморфный фосфат кальция (АФК), трикальцийфосфат (ТКФ), пирофосфат(ПФК), брушит [1]. В качестве биодеградируемой фазы или деградируемого материала могут быть использованы стекла в системе CaO-P₂O₅, Na₂O-P₂O₅-CaO, K₂O-P₂O₅-СаО, Na₂O-P₂O₅-CaO-SiO₂, K₂O-P₂O₅-CaO-SiO₂ и другие [2-4].

Обычно такие керамические материалы производятся так называемым печным методом. Так, известен способ [5] получения композиционного материала на основе сложного фосфата кальция натрия - ренанита NaCaPO₄ и желатина. Размер частиц ренанита, распределенного в органической матрице, чрезвычайно велик (500-700 мкм), что нежелательно для биорезорбируемых материалов. Кроме того, синтез ренанита в этом способе включает твердофазный синтез при 1300°С в течение 16 часов. Применение высокой температуры и длительность синтеза делают такой способ экономически невыгодным.

В последнее время объектами синтеза в волне горения стали фосфаты кальция, предназначавшиеся для биомедицинских применений, например, [6].

Описано изучение продуктов реакции СаО и гигроскопичного Р₄О₁₀ с предварительным нагреванием до температуры 450°С [7] в инертной атмосфере с образованием фаз α- и β-Са₃(PO₄)₂. Однако такой продукт обладает гетерогенностью. Для устранения гетерогенности был предложен метод предварительной гомогенизации путем приготовления водного раствора нитрата кальция с дигидрофосфатом аммония, добавления мочевины и азотной кислоты (для повышения температуры горения) с последующим выпариванием воды. Обезвоженный осадок после нагревания при 500°С изменяется в волне горения в течение 15 минут. Затем требуется последующее прокаливание при температуре 1300°С в течение 17 часов в атмосфере воздуха [8].

Исключить длительный процесс гомогенизации состава можно за счет использования горючего компонента содержащей кальций и фосфор в своем составе в форме негигроскопичного гипофосфита кальция Са(H₂PO₂)₂.

Для исследования возможности синтеза двойных фосфатов кальция с натрием и калием опробовали реакцию в волне горения гипофосфита кальция с соответствующими нитратами или нитритами щелочных металлов. Готовились порошкообразные смеси с дисперсностью менее 100 мкм с нулевым кислородным балансом для чего дополнительно вводился нитрат аммония:

Са(H₂PO₂)₂+Na(K)NO₃(O₂)+xNH₄NO₃.

Сжигание проводилось на воздухе при атмосферном давлении. Приготовленные смеси устойчиво горели с образованием хрупкой стекломассы белого цвета с пористой внутренней поверхностью (диаметр пор в диапазоне 5-1000 нм) и выделением аэрозоля ортофосфорной кислоты. Температура горения составляла от 1300 до 1500°С. Выход конденсированной фазы составлял от 40 до 60% от массы исходного состава. Образовавшиеся конденсированные продукты исследовали методом рентгенофазового анализа на CuKα_1,2 излучения (λ_ср=1,5418 Å). Для регистрации сигнала использовался одномерный детектор Mythen2R (Dectris, Швейцария). Рентгенограммы были записаны в диапазоне углов 5-70°, с шагом по 2θ=0.02°, накопление в точке - 2 с. Для фазового анализа использовалась порошковая база данных ICDDPDF-2.

Результаты исследования фазового состава конденсированных продуктов сгорания представлены в таблице.

Во всех случаях образуются фосфаты с соотношением Са/Р менее 1,67, которые перспективны для биомедицинских применений в качестве керамического биодеградируемого материала.

Помимо этого на всех рентгенограммах отмечался подъем фоновой линии на рентгенограммах в малоугловую сторону, что свидетельствует об образовании еще и рентгеноаморфной (стекла) фазы. Следует отметить, что применение гипофосфита кальция в качестве прекурсора фосфора позволяет получать преимущественно пирофосфаты и сгорание смесей не сопровождается значительным улетучиванием оксида фосфора, как это имело место при сгорании смесей нитратов с красным фосфором [9].

Таким образом, установлено, что при сгорании смесей гипофосфита кальция в волне горения образуются фазы, перспективные материалов регенеративной медицины: с нитратами или нитритами щелочных металлов образуются биодеградируемые фазы: -α-Ca₂P₂O₇P и β-Ca₂P₂O₇, причем введение в исходный состав нитрата натрия приводит к образованию еще фазы ренанита NaCaPO₄, а нитрата калия - фазы KCaPO₄.

Однако образовавшиеся продукты в волне горения представляли собой хрупкую, пористую массу. Для снижения порообразования использовали реакцию горения между гипофосфитом кальция и нитритом натрия взятых в соотношении 49,64 масс. % Са(H₂PO₂)₂ и 50,36 масс. % NaNO₂ (в соотношении 1 г-моль гипофосфита кальция на 2,5 г-моль нитрита натрия с нулевым кислородным балансом).

Пример 1. Готовилась порошкообразная смесь с дисперсностью менее 100 мкм состава 54,84 масс. % Са(H₂PO₂)₂ и 45,16 масс. % NaNO₂. (в соотношении 1 г-моль гипофосфита кальция на 2 г-моль нитрита натрия с отрицательным кислородным балансом). В волне горения смеси образовался стеклообразный конденсированный продукт с выходом 55,2 масс. %, содержащий керамические биодеградируемые фазы NaCaPO₄+Na₄P₂O₇+α-Ca₂P₂O₇+Na₂CaP₂O₇ с включениями красного цвета и запахом фосфина из-за неполного сгорания гипофосфита кальция.

Пример 2. Готовилась порошкообразная смесь с дисперсностью менее 100 мкм состава 49,64 масс. % Са(H₂PO₂)₂ и 50,36 масс. % NaNO₂. (в соотношении 1 г-моль гипофосфита кальция на 2,5 г-моль нитрита натрия с нулевым кислородным балансом). В волне горения смеси образовался однородный стеклообразный конденсированный продукт с выходом 58,4 масс. %, белого цвета, содержащий керамические биодеградируемые фазы NaCaPO₄+Na₄P₂O₇+α-Ca₂P₂O₇+Na₂CaP₂O₇.

Пример 3. Готовилась порошкообразная смесь с дисперсностью менее 100 мкм состава 44,74 масс. % Са(H₂PO₂)₂ и 55,26 масс. % NaNO₂ (в соотношении 1 г-моль гипофосфита кальция на 3 г-моль нитрита натрия с положительным кислородным балансом). Смесь горела неустойчиво с образованием белого стеклообразный конденсированный продукт с выходом 50,5 масс. %. При этом в продуктах реакции наряду со смесью керамических биодеградируемых фаз NaCaPO+Na₄P₂O₇+α-Ca₂P₂O₇+Na₂CaP₂O₇ качественным анализом была обнаружена примесь токсичного нитрита натрия.

Список литературы

1. Путляев В.И. Новое поколение кальцийфосфатных биоматериалов: роль фазового и химического составов/ В.И. Путляев, Т.В. Сафронова // Стекло и керамика. - 2006. - №3. - С. 30-33.

2. Композиционная керамика, содержащая биорезорбируемую фазу/ Т.В. Сафронова, В.И. Путляев, М.А. Шехирев, А.В. Кузнецов// Стекло и керамика. - 2007. -№3. - С. 31-35.

3. Islam МТ, Felfel RM, Abou Neel ЕА, Grant DM, Ahmed I, Hossain KMZ. Bioactive calcium phosphate-based glasses and ceramics and their biomedical applications: A review. J Tissue Eng. 2017 Jul 21;8:2041731417719170.

4. Сафронова, T.B. Неорганические материалы для регенеративной медицины / Неорганические материалы. - 2021. - Т.57, №5. - С. 467-499.

5. S. Jalotta, S.B. Bhaduri, A.C. Tas A new rhenanite (P-NaCaPO₄) and hydroxyapatite biphasic biomterial for sceletal repair// J. Biomed. Mater. Res. Part B: Appi Biomater 80B: 304-316, 2007.

6. Ramselaar, M.M.A., Van Mullem, P.J., Kalk, W. et al. In vivo reactions to particulate rhenanite and particulate hydroxylapatite after implantation in tooth sockets. J Mater Sci: Mater Med 4, 311-317 (1993).

7. Ayers R., Hannigan N., Vollmer N., Unuvar C./ Combustion Synthesis of Heterogeneous Calcium Phosphate Bioceramics from Calcium Oxide and Phosphate Precursors. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2011, -V. 20.-P.6-14.

8. A.Cuneyt Tas, Combustion synthesis of calcium phosphate bioceramic powders/ Journal of the European Ceramic Society. - 2000. - V. 20, Is.14-15, -P. 2389-2394.

9. Верещагин, А. Л. Препаративный самораспространяющийся синтез оксидов - Бийск.: Изд-во АлтГТУ, 2013.

Изобретение относится к области медицины, конкретно к получению керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия, и может быть использовано в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии. Состав для получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия в волне горения при атмосферном давлении содержит гипофосфит кальция и нитрит натрия с суммарным нулевым кислородным балансом, при следующем соотношении исходных компонентов, масс. %: гипофосфит кальция – 49,64; нитрит натрия – 50,36. Синтез осуществляется в одну стадию и характеризуется сниженным порообразованием. 1 табл., 3 пр.

Состав для получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия в волне горения при атмосферном давлении, отличающийся тем, что состав содержит гипофосфит кальция и нитрит натрия с суммарным нулевым кислородным балансом, при следующем соотношении исходных компонентов, масс. %:

гипофосфит кальция 49,64 гипофосфит кальция 49,64 нитрит натрия 50,36 нитрит натрия 50,36