Порошки на основе системы гидроксиапатит (ГА) - карбоната кальция (КК) перспективны для получения керамических материалов, применяемых в медицине в качестве матриксов для восстановления костной ткани. Варьированием концентрации компонентов возможно получение материалов с требуемой биорезорбцией, что важно для быстрого замещения дефектов костной ткани разного размера и лечения пациентов различного возраста. Основными характеристиками, определяющими использование порошковых материалов при получении керамики, являются их фазовый состав и дисперсность. За счет уменьшения размеров порошков системы ГА-КК можно получить материалы с субмикронной структурой, обладающие высокой прочностью, что способствует созданию на их основе надежных костных имплантатов и пористых матриксов для быстрого восстановления костной ткани.Powders based on the hydroxyapatite (HA) - calcium carbonate (KK) system are promising for the production of ceramic materials used in medicine as matrices for bone tissue repair. By varying the concentration of the components, it is possible to obtain materials with the required bioresorption, which is important for the rapid replacement of bone defects of different sizes and treatment of patients of different ages. The main characteristics that determine the use of powder materials in the preparation of ceramics are their phase composition and dispersion. By reducing the size of the powders of the GA-KK system, it is possible to obtain materials with a submicron structure that have high strength, which contributes to the creation of reliable bone implants and porous matrices for rapid restoration of bone tissue.
Кальцийфосфатные порошки получали методом химического осаждения солей (S.Raynaud, E.Champion*, D.Bemache-Assollant, P.Thomas, Calcium phosphate apatites with variable Ca/P atomic ratio I.Synthesis, characterisation and thermal stability of powders // Biomaterials 23 (2002) 1065-1072) из водных растворов в результате добавления водного раствора диаммония фосфата к водному раствору нитрата кальция. Полученный влажный порошок затем фильтровали, сушили и прокаливали. В зависимости от условий осаждения, температуры прокаливания получали различные по фазовому составу агрегированные порошки с разной удельной поверхностью от 47 до 88 г/м2. Недостатком данных порошков являются невысокая удельная поверхность порошков и образование в процессе сушки и высокотемпературного обжига (выше 1000°С) прочных агрегатов. Использование таких порошков препятствует формированию нанокристаллических керамических материалов с равномерной микроструктурой и высокой прочностью.Calcium phosphate powders were prepared by chemical precipitation of salts (S. Raynaud, E. Champion *, D. Bemache-Assollant, P. Thomas, Calcium phosphate apatites with variable Ca / P atomic ratio I. Synthesis, characterization and thermal stability of powders // Biomaterials 23 (2002) 1065-1072) from aqueous solutions by adding an aqueous solution of diammonium phosphate to an aqueous solution of calcium nitrate. The resulting wet powder was then filtered, dried and calcined. Depending on the deposition conditions and calcination temperatures, aggregated powders with different phase compositions with different specific surfaces from 47 to 88 g / m 2 were obtained. The disadvantage of these powders is the low specific surface of the powders and the formation of strong aggregates during drying and high-temperature firing (above 1000 ° C). The use of such powders prevents the formation of nanocrystalline ceramic materials with a uniform microstructure and high strength.
Наиболее близкими по техническому решению являются композиционные кальцийфосфатные порошки (патент №2367633) с атомарным соотношением Ca/P от 1,4 до 1,8 в результате химического осаждения. Для снижения степени агрегированности и повышения удельной поверхности влажные порошки, полученные в результате химического взаимодействия, промывают водой для удаления растворимых примесей, затем этанолом для вытеснения воды из порошка и толуолом для последующего замещения этанола. При постепенном замещении содержащейся в порошке воды на этанол, этанола на толуол получают влажную суспензию из осажденного порошка и толуола. В отличие от предыдущих промывающих жидкостей толуол имеет более низкое значение поверхностного натяжения, что позволяет получать более дисперсные порошки вследствие снижения поверхностных сил, стягивающих порошки в агрегаты при их сушке. Окончательное удаление жидкости осуществляется при сушке на воздухе при 100-150°С. В результате термообработки при 150-900°С формируются слабо закристаллизованные наноразмерные порошки с площадью удельной поверхности 120-200 м2/г. К недостаткам данного метода относятся: низкая площадь удельной поверхности порошков, что может приводить к формированию крупнокристаллической структуры и, как следствие, снижению прочности спеченных материалов; использование токсичного реактива - толуола; применение термообработки порошков, что повышает стоимость конечного материала. Кроме того, содержание плохорастворимых в порошках фаз - ГА и ТКФ, приводит к снижению резорбции материалов, получаемых на их основе, что приводит к нежелательному повышению времени восстановления костной ткани.The closest in technical solution are composite calcium phosphate powders (patent No. 2367633) with an atomic ratio of Ca / P from 1.4 to 1.8 as a result of chemical deposition. To reduce the degree of aggregation and increase the specific surface area, wet powders obtained as a result of chemical interaction are washed with water to remove soluble impurities, then with ethanol to displace water from the powder and toluene for subsequent substitution of ethanol. By gradually replacing the water contained in the powder with ethanol, ethanol with toluene, a wet suspension is obtained from the precipitated powder and toluene. Unlike previous washing liquids, toluene has a lower surface tension value, which makes it possible to obtain more dispersed powders due to a decrease in the surface forces that pull the powders into aggregates during their drying. The final liquid removal is carried out during drying in air at 100-150 ° C. As a result of heat treatment at 150–900 ° C, weakly crystallized nanosized powders with a specific surface area of 120–200 m 2 / g are formed. The disadvantages of this method include: a low specific surface area of the powders, which can lead to the formation of a coarse-crystalline structure and, as a result, a decrease in the strength of sintered materials; use of a toxic reagent - toluene; the use of heat treatment of powders, which increases the cost of the final material. In addition, the content of phases that are poorly soluble in powders — HA and TCP, leads to a decrease in the resorption of materials obtained on their basis, which leads to an undesirable increase in the recovery time of bone tissue.
Технический результат предлагаемого изобретения - получение композиционного порошка на основе системы ГА-КК, содержащего 15-25 мас.% КК, обладающего высокой площадью удельной поверхности не менее 210 м2/г.The technical result of the invention is the production of a composite powder based on the GA-KK system, containing 15-25 wt.% KK, having a high specific surface area of at least 210 m 2 / g.
Технический результат достигается тем, что в способе получения наноразмерного порошка для биоматериалов, получаемого в результате химического осаждения из водных растворов с последующей промывкой в этаноле, фильтрованием и сушкой, согласно изобретению сразу после осаждения порошок подвергают старению в маточном растворе в течение не менее 14 суток и получают порошок состава 75-85 мас.% гидроксиапатита и 15-25 мас.% карбоната кальция, и площадью удельной поверхности не менее 210 м2/г.The technical result is achieved by the fact that in the method for producing nanosized powder for biomaterials obtained by chemical deposition from aqueous solutions, followed by washing in ethanol, filtration and drying, according to the invention, immediately after deposition, the powder is aged in a mother liquor for at least 14 days and get a powder composition of 75-85 wt.% hydroxyapatite and 15-25 wt.% calcium carbonate, and a specific surface area of at least 210 m 2 / g
Полученный в результате химического осаждения, сначала выдержанный в маточном растворе в течение 14 и более суток, порошок промывали этанолом, затем фильтровали и сушили до удаления жидкой фазы. Сразу после осаждения порошок состоит из слабоагрегированных частиц с низкой степенью закристаллизованности. В процессе старения в маточном растворе происходит кристаллизация аморфного осадка с образованием хорошо закристаллизованного высокодисперсного порошка. Промывка в этаноле препятствует вторичной агрегации во время сушки порошка. В результате получаются нанопорошки с площадью удельной поверхности не менее 210 м2/г.The resulting chemical precipitation, first kept in the mother liquor for 14 or more days, the powder was washed with ethanol, then filtered and dried until the liquid phase was removed. Immediately after precipitation, the powder consists of poorly aggregated particles with a low degree of crystallization. During aging, crystallization of the amorphous precipitate in the mother liquor results in the formation of a well crystallized fine powder. Washing in ethanol prevents secondary aggregation during drying of the powder. The result is nanopowders with a specific surface area of at least 210 m 2 / g.
В случае старения материалов в маточном растворе в течение меньшего времени, чем 14 суток, и использовании материалов, содержащих более 25 мас.% КК, порошки обладают меньшей величиной площади удельной поверхности (менее 200 м2/г). Использование материалов, содержащих менее 15 мас.% КК, приводит к снижению его растворимости и, как следствие, может уменьшать биорезорбцию имплантанта.In the case of aging of materials in the mother liquor for less than 14 days, and the use of materials containing more than 25 wt.% KK, the powders have a smaller specific surface area (less than 200 m 2 / g). The use of materials containing less than 15 wt.% KK leads to a decrease in its solubility and, as a result, can reduce the bioresorption of the implant.
Пример 1. Порошок состава 80 мас.% ГА - 20 мас.% КК синтезировали путем смешения водных растворов гидрокарбоната и гидрофосфата аммония и водного раствора, содержащего взвесь гидроксида кальция. Осадок выдерживали в маточном растворе в течение 14 суток. После этого осадок промывали этиловым спиртом, фильтровали и сушили. Полученный порошок характеризовался площадью удельной поверхности 220 м2/г (размер частиц 5-13 нм).Example 1. A powder composition of 80 wt.% HA - 20 wt.% CC was synthesized by mixing aqueous solutions of ammonium hydrogen carbonate and hydrogen phosphate and an aqueous solution containing a suspension of calcium hydroxide. The precipitate was kept in the mother liquor for 14 days. After that, the precipitate was washed with ethanol, filtered and dried. The obtained powder was characterized by a specific surface area of 220 m 2 / g (particle size 5-13 nm).
Были изготовлены порошки, имеющие состав в пределах заявленного, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.Powders having a composition within the claimed were made, and their properties were determined in comparison with the prototype. The results are summarized in table.
Состав и свойства спеченных керамических композитовComposition and properties of sintered ceramic composites
ОбразецSample
Соотношение ГА и КК, мас.%The ratio of GA and KK, wt.%
Время старения, суткиAging time, day
Площадь удельной поверхности, м2/гThe specific surface area, m 2 / g
Размер частиц, нмParticle size, nm
Растворимость на 7 сутки в физиологическом растворе мг/л, Са2+ Solubility on the 7th day in physiological saline mg / l, Ca 2+
ПримечаниеNote
ГАGA
ККQC
1one
8080
20twenty
14fourteen
220220
5-135-13
1010
22
8080
20twenty
2121
240240
5-105-10
10,110.1
33
8080
20twenty
77
7373
20-4520-45
9,99.9
4 (прототип)4 (prototype)
100one hundred
00
--
180180
10-4010-40
Менее 3Less than 3
55
9090
1010
--
8080
15-4515-45
Менее 6Less than 6
66
50fifty
50fifty
2121
125125
15-2515-25
11eleven
77
6060
4040
30thirty
196196
10-3510-35
1010
Непромытый в этанолеUnwashed in Ethanol