Спосіб отримання біоматеріалу на основі ортофосфату натрію кальцію

Реферат: Спосіб отримання біоматеріалу на основі ортофосфату натрію кальцію включає приготування реакційної суміші вихідних реагентів шляхом змішування стехіометричних кількостей Nа2СО3, NH4H2PO4, солі кальцію, її відпал. Як сіль кальцію використовують водорозчинну сіль кальцію, а вихідні реагенти спочатку розчиняють у воді, їх розчини змішують з наступним випарюванням суміші при 70-80 °С до утворення осаду прекурсору, основною кристалічною фазою якого є СаНРO4, а відпал прекурсору здійснюють при температурі 450 °С. UA 95123 U (54) СПОСІБ ОТРИМАННЯ БІОМАТЕРІАЛУ НА ОСНОВІ ОРТОФОСФАТУ НАТРІЮ КАЛЬЦІЮ UA 95123 U UA 95123 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до фізико-хімії біоматеріалів, а саме до способу отримання біоматеріалів для заміни ушкодженої кісткової тканини на основі ортофосфату натрію кальцію. Відомо, що ортофосфат натрію кальцію (β-NaCaPO4) збільшує біоактивність і швидкість резорбції біоматеріалів для заміни ушкодженої кісткової тканини на основі гідроксіапатиту кальцію Са10(РО4)6(ОН)2, а також набагато краще стимулює остеогенез у порівнянні з іншими швидкорезорбованими фосфатами [див. S. Jalota, S.B. Bhaduri, А.С. Tas. A new rhenanite (βNaCaPO4) and hydroxyapatite biphasic biomaterials for skeletal repair. // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. - 2007-V. 80 B, № 2. -- P. 304-316; С Knabe, G. Berger, R. Gildenhaar, C.R. Howlett, B. Markovic, H. Zreiqat. The functional expression of human bone-derived cells grown on rapidly resorbable calcium phosphate ceramics // Biomaterials. - 2004. V. 25. - P. 335-344.]. Полікристалічний β-NaCaPО4, придатний для одержання гетерофазної кераміки на основі ГАП, повинен мати високу активність до спікання, яка досягається при низький температурі синтезу за рахунок високої дисперсності порошку, вузького розподілу його часток за розміром, високої дефектності решітки окремого кристаліта. Відомі методи синтезу потребують використання високих температур випалу суміші вихідних реагентів для одержання β-NaCaPO4, що призводить до агломерації кристалітів, збільшення розміру часток матеріалу і катастрофічного зниження активності до спікання. Найближчим аналогом до корисної моделі, що заявляється, є синтез ортофосфату натрію кальцію методом твердофазної реакції, що включає приготування суміші вихідних реагентів Na2CO3, CaCO3, ΝΗ4Η2ΡΟ4 шляхом розмелу та змішування реагентів, відпал суміші при температурі 900 °C протягом не менш ніж 3 години [див. Ζ. Yang, G. Yang, S. Wang, J. Tian, X. Li, Q. Guo, G. Fu. A novel green-emitting phosphor NaCaPO4:Eu2+for white LEDs. // Materials Letters2008. - V. 62. - P. 1884-1886.]. Найближчий аналог і спосіб, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: 1) однакові етапи синтезу - приготування суміші вихідних реагентів, відпал суміші; 2) стехіометричний вміст компонентів в реакційній суміші. Недоліком відомого способу синтезу є висока температура відпалу (900 °C) суміші вихідних реагенті, що призводить до агломерації кристалітів і катастрофічного зниження активності до спікання часток отриманого β-NaCaPО4. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача отримання біоматеріалу на основі β-NaCaPО4 з високою дисперсністю порошку, вузьким розподілом його часток за розміром та високою активністю до спікання при температурі відпалу, нижче за 900 °C. Поставлена задача вирішується в способі отримання біоматеріалу на основі ортофосфату натрію кальцію з високою активністю до спікання та розміром часток 0.5-10 мкм, що включає приготування реакційної суміші вихідних реагентів шляхом змішування стехіометричних кількостей Nа2СО3, NH4H2PO4, солі кальцію та її відпал, який відрізняється тим, що як сіль кальцію використовують водорозчинну сіль кальцію, а вихідні реагенти спочатку розчиняють у воді, їх розчини змішують з наступним випарюванням суміші при 70-80 °C до утворення осаду прекурсору, основною кристалічною фазою якого є СаНРО4, а відпал прекурсору здійснюють при температурі 450 °C. Новим у способі, який заявляється, є те що вихідні реагенти спочатку розчиняють у воді, потім змішують їх водні розчини, отриману суміш випарюють при температурі 70-80 °C до утворення кристалічного осаду прекурсору, під час чого формується сполука СаНРО 4, а відпал прекурсору здійснюють при температурі 450 °C. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак, що заявляються, і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному: - розчинення та змішування вихідних компонентів у воді з наступним випарюванням суміші таким чином, як у способі, який заявляється, призводить до утворення прекурсору на основі СаНРО4 та забезпечує високу гомогенність суміші необхідних для синтезу β-NaCaPO4 компонентів. Ці два фактори сприяють формуванню ортофосфату натрію кальцію при порівняно низькій температурі (450 °C), завдяки чому отриманий у такий спосіб P-NaCaPU4 характеризується вузьким розподілом часток за розміром та потенційно високою активністю до спікання, що робить його придатним для подальшого використання при створенні кераміки для кісткового протезування. Спосіб отримання біоматеріалу β-NaCaPO4 здійснюється таким чином. Розраховані за рівнянням реакції стехіометричну кількість Са(NО3)2 поміщають у скляну ємкість і розчиняють у воді. До нагрітого до 70 °C розчину Са(NО3)2 при постійному перемішуванні додають попередньо приготовлений розчин Nа2СО3 і NH4H2PO4. Потім склянку з сумішшю ставлять на водяну баню й витримують при температурі 70-80 °C протягом 10-12 годин до утворення осаду. 1 UA 95123 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Висушений осад поміщають в алундовий тигель і піддають випалу на повітрі при температурі 450 °C протягом 3 годин. Біоматеріал контролюють методами рентгенофазового аналізу і скануючої електронної мікроскопії. Спосіб забезпечує отримання біоматеріалу β-NaCaPO4 з високою активністю до спікання та вузьким розподілом часток матеріалу за розміром (0.5-10 мкм). Приклад 1. Для синтезу 10 г біоматеріала β-NaCaPO4 розраховану кількість Са(NО3)2•4Н2О (14.9367 г) поміщають у скляну ємкість і розчиняють у воді. До нагрітого до 70 °C розчину Са(NО3)2 при постійному перемішуванні додають попередньо приготовлений розчин, що містить 3.3544 г Nа2СО3 і 7.2784 г NH4H2PO4. Потім склянку з сумішшю ставлять на водяну баню й витримують при температурі 70-80 °C протягом 10-12 годин до утворення кристалічного осаду прекурсору. Висушений осад поміщають в алундовий тигель і піддають випалу на повітрі при температурі 450 °C протягом 3 годин. Склад прекурсору та кінцевого продукту контролюють методом рентгенофазового аналізу. За даними рентгенофазового аналізу під час утворення прекурсору формується нова кристалічна фаза СаНРO4 (див. фiг. 1a). Також в рентгенограмі прекурсору присутні рефлекси NaNO3. Рентгенограма продукту відпалу прекурсору при 450 °C повністю відповідає даним JCPDS №29-1193 для β-NaCaPO4 (див. фіг. 16). Жодних домішкових фаз не знайдено. Утворення кінцевого продукту β-NaCaPO4 в результаті відпалу прекурсору при 450 °C підтверджується даними диференційно-термічного аналізу (ДТА). Як видно з фіг. 2, в інтервалі температур 420-530 °C спостерігається інтенсивний ендотермічний ефект, що супроводжується втратою маси зразка та відповідає формуванню β-NaCaPO4. Приклад 2. Для синтезу 10 г β -NaCaPO4 методом твердофазної реакції розраховані кількості Na2CO3, СаСО3 і NH4H2PO4 ретельно змішували й подрібнювали. Отриману суміш поміщали в алундовий тигель і піддавали термічній обробці при температурі 450 °C на повітрі протягом 3 годин. Як видно з фіг. 3, рентгенограма суміші Nа2СО3, СаСО3 і NH4H2PO4 містить рефлекси усіх її компонентів. Після відпалу цієї суміші при 450 °C протягом 3 годин на рентгенограмі спостерігаються рефлекси СаСО3 і Nа2СО3 (див. фіг. 4). Жодних слідів β-NaCaPO4 не виявлено. Це підтверджується даними диференційно-термічного аналізу. Як видно з фіг. 5, ендоекзотермічних ефектів, що відповідають формуванню β -NaCaPO4 в інтервалі 420-530 °C не спостерігається. Після підвищення температури відпалу суміші до 950 °C рентгенограма продукту відповідає JCPDS №29-1193 для β –NaCaPO4. Для порівняння, у способі синтезу на основі відпалу прекурсору, який заявляється, утворення β-NaCaPO4 спостерігається вже при 450 °C. Мікрофотографії β -NaCaPO4, отриманого запропонованим методом та шляхом твердофазної реакції представлені на фіг. 6 і 7. Як видно з фіг. 6, отриманий з використанням прекурсору при 450 °C біоматеріал β -NaCaPO4 складається з часток порівнянного розміру (0.510 мкм) сфероподібної або пластинчастої форми, у той час як зразок β-NaCaPO4, одержаний шляхом твердофазних реакцій (фіг. 7) при 950 °C, містить велику кількість агломератів різної форми й розмірів (0.1-80 мкм). В табл. проведено порівняння гранулометричного складу біоматеріалу β-NaCaPO4, синтезованого з використанням прекурсору та β-NaCaPO4, отриманого шляхом твердофазних реакцій. Таблиця Приклад 1 2 Середній розмір часток, мкм 3 40 Розподіл часток за розміром, мкм 0.5-10 0.1-80 45 50 Приклад 1 - біоматеріал β -NaCaPO4, синтезований з використанням прекурсору на основі СаНРО4; Приклад 2 - β -NaCaPО4, одержаний шляхом твердофазних реакцій. Як видно з табл. 1, β -NaCaPO4, синтезований заявленим способом, характеризується вузьким розподілом часток матеріалу за розміром та меншим середнім розміром часток у порівнянні зі зразком β -NaCaPO4, одержаним шляхом твердофазних реакції. Таким чином, спосіб, що заявляється, завдяки низькій температурі синтезу дозволяє одержати β-NaCaPО4, який характеризується високою активністю до спікання та вузьким 2 UA 95123 U розподілом часток матеріалу за розміром, що робить його придатним для подальшого використання у якості біоматеріалу при створенні кераміки для кісткового протезування. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб отримання біоматеріалу на основі ортофосфату натрію кальцію, що включає приготування реакційної суміші вихідних реагентів шляхом змішування стехіометричних кількостей Nа2СО3, NH4H2PO4, солі кальцію, її відпал, який відрізняється тим, що як сіль кальцію використовують водорозчинну сіль кальцію, а вихідні реагенти спочатку розчиняють у воді, їх розчини змішують з наступним випарюванням суміші при 70-80 °С до утворення осаду прекурсору, основною кристалічною фазою якого є СаНРO4, а відпал прекурсору здійснюють при температурі 450 °С. 3 UA 95123 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4