RU2835237C1 - Способ получения наноразмерного кальцийдефицитного силикат- и фторзамещенного гидроксиапатита - Google Patents
Способ получения наноразмерного кальцийдефицитного силикат- и фторзамещенного гидроксиапатита Download PDFInfo
- Publication number
- RU2835237C1 RU2835237C1 RU2024123062A RU2024123062A RU2835237C1 RU 2835237 C1 RU2835237 C1 RU 2835237C1 RU 2024123062 A RU2024123062 A RU 2024123062A RU 2024123062 A RU2024123062 A RU 2024123062A RU 2835237 C1 RU2835237 C1 RU 2835237C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anions
- silicate
- fluoride
- solution
- molar ratio
- Prior art date
Links
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;hydroxide;triphosphate Chemical class [OH-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D 0.000 title claims abstract description 53
- 239000011575 calcium Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 4
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 title description 3
- 230000002950 deficient Effects 0.000 title description 3
- -1 phosphate anions Chemical class 0.000 claims abstract description 116
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims abstract description 31
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 11
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 69
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 23
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N calcium nitrate Chemical group [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 claims description 18
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 14
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 claims description 14
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 14
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims description 13
- MNNHAPBLZZVQHP-UHFFFAOYSA-N diammonium hydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].[NH4+].OP([O-])([O-])=O MNNHAPBLZZVQHP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 claims description 11
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- DDFHBQSCUXNBSA-UHFFFAOYSA-N 5-(5-carboxythiophen-2-yl)thiophene-2-carboxylic acid Chemical compound S1C(C(=O)O)=CC=C1C1=CC=C(C(O)=O)S1 DDFHBQSCUXNBSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000908 ammonium hydroxide Substances 0.000 claims description 7
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 claims 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-L Phosphate ion(2-) Chemical compound OP([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 239000012620 biological material Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 229910052909 inorganic silicate Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 44
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 24
- 229960004106 citric acid Drugs 0.000 description 21
- ASOMNDIOOKDVDC-UHFFFAOYSA-N 1h-indol-2-yl-[4-[3-(propan-2-ylamino)pyridin-2-yl]piperazin-1-yl]methanone Chemical compound CC(C)NC1=CC=CN=C1N1CCN(C(=O)C=2NC3=CC=CC=C3C=2)CC1 ASOMNDIOOKDVDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 13
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 11
- 239000000047 product Substances 0.000 description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 10
- 230000000035 biogenic effect Effects 0.000 description 9
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 9
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 8
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 6
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 6
- VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;fluoride;triphosphate Chemical compound [F-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D 0.000 description 5
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052586 apatite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 4
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 239000012452 mother liquor Substances 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N Ammonium bicarbonate Chemical compound [NH4+].OC([O-])=O ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 239000001099 ammonium carbonate Substances 0.000 description 3
- 235000012501 ammonium carbonate Nutrition 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 3
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 3
- 230000028709 inflammatory response Effects 0.000 description 3
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 210000000963 osteoblast Anatomy 0.000 description 3
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 241000282412 Homo Species 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 239000005313 bioactive glass Substances 0.000 description 2
- 230000031018 biological processes and functions Effects 0.000 description 2
- 239000002977 biomimetic material Substances 0.000 description 2
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 210000003722 extracellular fluid Anatomy 0.000 description 2
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 2
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007928 intraperitoneal injection Substances 0.000 description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical class [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- ZHJGWYRLJUCMRT-UHFFFAOYSA-N 5-[6-[(4-methylpiperazin-1-yl)methyl]benzimidazol-1-yl]-3-[1-[2-(trifluoromethyl)phenyl]ethoxy]thiophene-2-carboxamide Chemical compound C=1C=CC=C(C(F)(F)F)C=1C(C)OC(=C(S1)C(N)=O)C=C1N(C1=C2)C=NC1=CC=C2CN1CCN(C)CC1 ZHJGWYRLJUCMRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102100026802 72 kDa type IV collagenase Human genes 0.000 description 1
- 101710151806 72 kDa type IV collagenase Proteins 0.000 description 1
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910014497 Ca10(PO4)6(OH)2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- YASYEJJMZJALEJ-UHFFFAOYSA-N Citric acid monohydrate Chemical compound O.OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O YASYEJJMZJALEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 1
- 229910025794 LaB6 Inorganic materials 0.000 description 1
- 102100030412 Matrix metalloproteinase-9 Human genes 0.000 description 1
- 108010015302 Matrix metalloproteinase-9 Proteins 0.000 description 1
- 102100039364 Metalloproteinase inhibitor 1 Human genes 0.000 description 1
- 102100026262 Metalloproteinase inhibitor 2 Human genes 0.000 description 1
- 241000699670 Mus sp. Species 0.000 description 1
- 108091008099 NLRP3 inflammasome Proteins 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 101710156645 Peptide deformylase 2 Proteins 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 1
- 108010031374 Tissue Inhibitor of Metalloproteinase-1 Proteins 0.000 description 1
- 108010031372 Tissue Inhibitor of Metalloproteinase-2 Proteins 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 208000026935 allergic disease Diseases 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000844 anti-bacterial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003462 bioceramic Substances 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 210000001185 bone marrow Anatomy 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- FUFJGUQYACFECW-UHFFFAOYSA-L calcium hydrogenphosphate Chemical compound [Ca+2].OP([O-])([O-])=O FUFJGUQYACFECW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001861 calcium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 description 1
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229960002303 citric acid monohydrate Drugs 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000003926 complexometric titration Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005115 demineralization Methods 0.000 description 1
- 230000002328 demineralizing effect Effects 0.000 description 1
- 210000004443 dendritic cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000004268 dentin Anatomy 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 229910052587 fluorapatite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940077441 fluorapatite Drugs 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000001261 hydroxy acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000009610 hypersensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000002540 macrophage Anatomy 0.000 description 1
- 239000012567 medical material Substances 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 210000001616 monocyte Anatomy 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229920003196 poly(1,3-dioxolane) Polymers 0.000 description 1
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000007112 pro inflammatory response Effects 0.000 description 1
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000028327 secretion Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012890 simulated body fluid Substances 0.000 description 1
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 230000009772 tissue formation Effects 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к созданию новых биоматериалов медицинского назначения, а именно к получению однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и фторид-анионами формулы Ca10-d(РО4)6-y(SiO4)y(ОН)2-y-z-2dFz·nH2O, где d – степень дефицитности ионов кальция Ca2+, у - коэффициент или степень замещения фосфат-анионов силикат-анионами, z - коэффициент или степень замещения гидроксид-анионов фторид-анионами, c молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4-<1,67 и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам, равным от 0 до 2. Биоматериал может быть использован для производства биоактивных стоматологических пломбировочных материалов, а также других стоматологических и хирургических применений. Способ обеспечивает получение упомянутого гидроксиапатита с регулируемой биорезорбируемостью и остеоиндуктивностью. 5 ил., 2 табл., 3 пр.
Description
Заявляемое техническое решение относится к области медицины и созданию новых биоматериалов медицинского назначения, конкретно к способу получения наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, модифицированного силикат- и фторид-анионами, который может быть использован для производства биоактивных стоматологических пломбировочных материалов, а также для других стоматологических и хирургических применений.
Терминология, используемая в рамках данной заявки.
Биомиметические материалы или биомиметики (англ. biomimetic materials, biomimetics, bioinspired materials) - материалы, создаваемые на основе принципов, существующих в живой природе. Это макро-, микро- и наноразмерные синтетические структуры, которые представляют собой аналоги фрагментов тканей, органов или биологически активных продуктов метаболизма, повторяющих свойства живых систем;
ГАП - гидроксиапатит;
Допирование (англ. doping) - внедрение небольших количеств модифицирующих веществ в структуру гидроксиапатита;
Биорезорбируемость - способность материала растворяться при контакте с межтканевыми жидкостями и поглощаться организмом;
Остеоиндуктивность - способность материала стимулировать образование новой зубной и костной ткани;
Остеокондуктивность - способность материала выполнять роль «каркаса» (скаффолда, с англ. «scaffold») для дальнейшего формирования биогенной костной и зубной ткани;
Биосовместимость - свойство материала не вызывать негативную реакцию организма;
Биоактивность - способность материала стимулировать протекание биологических процессов;
Остеобласты - клетки костной и зубной ткани, напрямую обеспечивающие процесс её формирования;
БГАП - биомиметический гидроксиапатит;
ТЭОС - тетраэтоксисилан;
SBF-раствор (англ. Simulated Body Fluid) - раствор, аналогичный по химическому составу межтканевой жидкости человека;
РФА - рентгенофазовый анализ;
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия;
СЭМ - сканирующая электронная микроскопия.
В настоящее время, гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2 (далее - ГАП) и материалы на его основе широко используются в медицинских целях: главным образом, в хирургии и стоматологии, так как данный материал является главной минеральной составляющей костной и зубной ткани человека и животных [Dorozhkin S. V. Calcium Orthophosphates in Nature, Biology and Medicine // Materials. 2009. № 2 (2). C. 399-498.]. Отличительной особенностью материалов на основе гидроксиапатита является их хорошая биосовместимость, а также способность к стимулированию биологических процессов организма, в том числе процессов образования костной и зубной ткани, а также свойство выполнять роль «каркаса» (скаффолда - с англ. «scaffold») для дальнейшего образования новой зубной и костной ткани [Eliaz N., Metoki N. Calcium Phosphate Bioceramics: A Review of Their History, Structure, Properties, Coating Technologies and Biomedical Applications // Materials (Basel, Switzerland). 2017. № 4 (10). C. 334.]. Однако, существенными недостатками материалов на основе ГАП, применяющихся в настоящее время в медицинской практике, являются низкая биорезорбируемость и остеоиндуктивность. Известно, что биорезорбируемость главным образом может регулироваться величиной удельной поверхности ГАП за счёт уменьшения размера частиц, также, на все вышеперечисленные свойства напрямую влияет химическое модифицирование гидроксиапатита различными ионами. Известно, что биогенный апатит, входящий в минеральный состав кости, зубной эмали и дентина человека, содержит помимо ионов кальция, фосфат- и гидроксид-анионов, кремний и фтор в виде силикат- и фторид-анионов соответственно. Помимо этого, биогенный апатит является кальцийдефицитным, то есть его молярное соотношение атомов кальция к суммарному содержанию фосфора, кремния и углерода, представляется меньше 1,67. Также, частицы, составляющие биогенный ГАП, по своей морфологии являются наноразмерными с преимущественно сферической формой. Благодаря вышеперечисленным свойствам, биогенный ГАП обладает оптимальными биорезорбируемостью и остеоиндуктивностью [Cacciotti I. Cationic and Anionic Substitutions in Hydroxyapatite. 2016. C. 145-211.].
Количество научно-исследовательских работ, направленных на получение биомиметического гидроксиапатита, в последние годы существенно возросло.
Известно, что использование пломбировочных материалов, содержащих наночастицы гидроксиапатита, уменьшает зубную гиперчувствительность, ингибирует деминерализацию, приводящую к разрушению зубной ткани, а также способствует восстановлению зубной эмали. Немаловажно, наночастицы ГАП в наибольшей степени биосовместимы, обладают наибольшей адгезией к зубной ткани, и способны защищать биогенную эмаль путём формирования слоя на её поверхности [Umapathy V. R. и др. Current trends and future perspectives on dental nanomaterials - An overview of nanotechnology strategies in dentistry // Journal of King Saud University - Science. 2022. № 7 (34). №. 102231.]. Регулирование размеров частиц и степени кристалличности синтетического гидроксиапатита может осуществляться варьированием технохимических параметров синтеза и введением низкомолекулярных органических ди- и трикарбоновых гидроксикислот. Наиболее часто используется лимонная кислота [Neupane M. и др. Influence of the number of carboxyl groups on the nucleation of hydroxyapatite // Metals and Materials International. 2010. (16). C. 333-338.].
Биогенный апатит включает в свой состав силикат-анионы. Их влияние на свойства ГАП характеризуется увеличением биоактивности вследствие стимулирования активности остеобластов, приводящего к ускорению биореминерализации, также наблюдается увеличение остеокондуктивности и остеоиндуктивности, характеризующееся наибольшей интеграцией силикат-замещённого ГАП в биогенный гидроксиапатит [Cacciotti I. Cationic and Anionic Substitutions in Hydroxyapatite. 2016. C. 145-211.].
Наряду с силикат-анионами, важную роль играет замещение на фторид-анионы. Их влияние на свойства ГАП выражается в виде увеличения кристалличности материала и снижению его биорезорбируемости, а также повышению химической и термической стабильности. Биоактивность фторид-замещённого гидроксиапатита не снижается в значительной мере по сравнению с незамещённым гидроксиапатитом [Cacciotti I. Cationic and Anionic Substitutions in Hydroxyapatite. 2016. C. 145-211.]. Введение фторид-анионов обеспечивает повышенную стойкости ГАП в кислых средах, в том числе в биологических. [Seyedmajidi S., Rajabnia R., Seyedmajidi M. Evaluation of antibacterial properties of hydroxyapatite/bioactive glass and fluorapatite/bioactive glass nanocomposite foams as a cellular scaffold of bone tissue // Journal of Laboratory Physicians. 2018. № 3 (10). C. 265-270.].
В связи с вышеизложенным, синтез наноразмерного кальцийдефицитного силикат- и фторзамещённого гидроксиапатита стоматологического назначения является весьма актуальным.
Макарова С.В. и др. предложили способ получения фторзамещённого гидроксиапатита твердофазным методом при взаимодействии безводного гидроортофосфата кальция CaHPO4, отожжённого оксида кальция CaO и безводного фторида кальция CaF2 [Макарова С.В. и др. Механохимический синтез карбонат- и фторзамещённого гидроксиапатитов // Химия в интересах устойчивого развития. 2020. № 1. С. 51-56.].
Способ включает механохимический синтез в планетарной мельнице с использованием стального барабана и стальных мелющих тел. Навески реагентов переносят в планетарную мельницу и осуществляют измельчение в течение 30 минут, затем, для повышения степени кристалличности, синтезированные образцы отжигают при температуре 1100°C в течение 2ч в электрической печи со скоростью подъёма температуры 10°C/мин. Полученный материал представляет собой частицы ГАП с размером первичных кристаллитов 20-32 нм. Для исключения образования натира железа в продуктах перед проведением синтеза осуществляют футеровку барабанов смесью исходных реагентов. Возможно наличие примеси оксида кальция в синтезированном ГАП. Полученный продукт представляет собой белый порошок.
Недостатками известного способа являются:
-высокий размер первичных кристаллитов гидроксиапатита, из-за которого ГАП не обладает оптимальной биорезорбируемостью;
-высокая температура и продолжительность термообработки, в процессе которой биоактивность ГАП снижается вследствие агломерации и роста частиц;
-присутствие примеси оксида кальция, которая может вызывать локальный переизбыток ионов кальция, быстрая резорбция примеси по отношению к ГАП также может влиять на образование микротрещин при стоматологическом применении.
Известен гидротермальный способ получения гидроксиапатита при взаимодействии в автоклаве 0,06М и 0,1М растворов гидроортофосфата аммония (NH4)2HPO4 и нитрата кальция Ca(NO3)2 соответственно [Prihanto A. и др. Batch hydrothermal synthesis of nanocrystalline, thermostable hydroxyapatite at various pH and temperature levels // Inorganic Chemistry Communications. 2023. (157). №. 111301.].
В раствор гидроортофосфата аммония (NH4)2HPO4 с pH 5,0 при помощи бюретки вводят раствор Ca(NO3)2 с pH 7,5 со скоростью 150 мл/час. Далее раствору дают отстояться в течение 20 минут, поддерживая pH введением раствора аммиака. После отстаивания суспензию переносят в автоклав, который затем нагревают до необходимой температуры и выдерживают в течение 24 часов. После осуществления синтеза осадок отфильтровывают и промывают, затем полученную пасту высушивают при 105°C в течение 2 часов и измельчают. Полученный продукт представляет собой белый порошок.
Недостатками известного способа являются:
- полученный гидроксиапатит обладает неоднородной формой кристаллов;
- крупный размер первичных кристаллитов гидроксиапатита, из-за которого ГАП не обладает оптимальной биорезорбируемостью;
- сложность процесса синтеза, связанная с необходимостью поддерживать повышенную температуру в течение длительного времени.
Наиболее близким к заявленному способу, выбранным за прототип, является способ, описанный в патенте РФ №2736048 опубл. 11.11.2020. Указанный способ получения биомиметического гидроксиапатита (далее - БМГАП) включающий реакцию между растворами, содержащими ионы кальция, фосфат-анионы, карбонат-анионы и силикат-анионы в присутствии лимонной кислоты, отстаивание, отделение осадка, промывку, сушку и измельчение, где для синтеза БМГАП смешивают водные растворы, содержащие тетрагидрат нитрата кальция Ca(NO3)2*4H2O, безводный гидроортофосфат аммония (NH4)2HPO4, моногидрат лимонной кислоты C6H8O7*H2O, тетраэтоксисилан (C2H5O)4Si, безводный карбонат аммония (NH4)2CO3. Процесс синтеза БМГАП формулы Ca10-d(НРО4)x×(РО4)6-x-y-z(СО3)y(SiO4)z(ОН)2+x+y-z-2d*nH2O, где d - степень дефицитности Са2+; у - коэффициент или степень замещения фосфат ионов карбонат-анионами, z - коэффициент или степень замещения фосфат ионов силикат-анионами, осуществляют методом осаждения: в реакционный сосуд, содержащий раствор нитрата кальция, при перемешивании добавляют раствор лимонной кислоты по молярному соотношению 10:1 и с помощью раствора гидроксида аммония рН данной системы доводят до 10-11, продолжая перемешивание, осуществляют допирование силикат- и карбонат-анионами для получения готового продукта со степенью замещения карбоната и кремния у=z=1, для чего последовательно добавляют расчетные количества сначала тетраэтоксисилана, затем карбоната аммония (NH4)2CO3 и интенсивно перемешивают в течение 5-10 минут, затем в композицию из нитрата кальция/лимонной кислоты/ТЭОС/карбоната аммония добавляют по каплям со скоростью 4-5 мл/мин раствор гидроортофосфата аммония (NH4)2HPO4 для получения готового продукта с молярным соотношением в диапазоне от 1,50 до 1,60, поддерживая рН реакционной смеси равным 10-11 с помощью гидроксида аммония, и перемешивают в течение 30 минут, отстаивают в течение 24 часов при комнатной температуре, после чего осадок отделяют, промывают и сушат при 100-120°С до постоянной массы с последующим измельчением. Весь процесс производят при комнатной температуре. Данный способ позволяет получить порошок БМГАП, который может быть использован для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в ортопедии и стоматологии.
Недостатки известного способа заключаются в том, что:
-низкая продолжительность процесса гидролиза тетраэтоксисилана, в результате которого замещение на силикат-анионы может происходить в недостаточной степени;
-значительное время между добавлением карбоната аммония и введением раствора гидроортофосфата аммония, в результате которого может образоваться инертная примесь карбоната кальция.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита с регулируемой биорезорбируемостью и остеоиндуктивностью.
Технический результат заключается в осуществлении поставленной задачи, а именно, реализация предполагаемого изобретения обеспечивает получение БГАП, модифицированного силикат- и фторид-анионами с регулируемой биорезорбируемостью и остеоиндуктивностью формулы Ca10-d(РО4)6-y(SiO4)y(ОН)2-y-z-2dFz. nH2O, где d - степень дефицитности ионов кальция Ca2+; у - коэффициент или степень замещения фосфат-анионов силикат-анионами, z - коэффициент или степень замещения гидроксид-анионов фторид-анионами с молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам от 0 до 2.
Предложен способ получения однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и фторид-анионами формулы Ca10-d(РО4)6-y(SiO4)y(ОН)2-y-z-2dFz. nH2O, где d - степень дефицитности ионов кальция Ca2+; у - коэффициент или степень замещения фосфат-анионов силикат-анионами, z - коэффициент или степень замещения гидроксид-анионов фторид-анионами, c молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- < 1,67 и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам равным от 0 до 2, включающий приготовление композиции из нитрата кальция, лимонной кислоты, тетраэтоксисилана и фторида аммония. Композицию готовят в следующей последовательности: к раствору нитрата кальция при перемешивании добавляют раствор лимонной кислоты по молярному соотношению 9,3:1 и с помощью раствора гидроксида аммония доводят pH данной системы до 10-11. Продолжая перемешивание, доводят температуру реакционной среды до 40°C, вводят тетраэтоксисилан и затем интенсивно перемешивают композицию в течение 5-10 минут. Вводят навеску фторида аммония в количествах, необходимых для получения гидроксиапатита со степенями замещения у равным 1 и z равным от 0 до 2, и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам равным от 0 до 2. Затем в полученную композицию вводят раствор гидроортофосфата аммония (NH4)2HPO4 со скоростью 8-10 мл/мин, поддерживая pH реакционной смеси в диапазоне 10-11 с помощью раствора гидроксида аммония. Температура композиции в течение процесса введения раствора гидроортофосфата аммония составляет 40°C. По окончании процесса введения раствора гидроортофосфата аммония, реакционную смесь перемешивают в течение 20 минут, затем отстаивают в изотермических условиях в течение 12 часов, после чего отделяют образовавшийся осадок, который промывают и сушат при 100-120°C до постоянной массы с последующим измельчением.
Продукт, полученный предложенным способом, является однофазным и максимально близок по химическому составу и структуре костям человека и животных за счёт следующих параметров: молярное соотношение Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- < 1,67, средний размер кристаллитов от 8,88 нм до 9,15 нм, сферическая форма частиц, степень кристалличности от 91,53% до 96,31%, максимальная концентрация ионов кальция в SBF-растворе от 2,87 ммоль/л до 4,42 ммоль/л. Варьируемые путём изменения молярного отношения фторид-анионов к силикат-анионам от 0 до 2 размер кристаллов и степень кристалличности обеспечивают возможность регулирования биорезорбируемости и остеоиндуктивности готового продукта.
Поставленная задача достигается тем, что способ получения однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита с регулируемой биорезорбируемостью и остеоиндуктивностью формулы Ca10-d(РО4)6-y(SiO4)y(ОН)2-y-z-2dFz. nH2O, где d - степень дефицитности ионов кальция Ca2+; у - коэффициент или степень замещения фосфат-анионов силикат-анионами, z - коэффициент или степень замещения гидроксид-анионов фторид-анионами, включающий смешение растворов, содержащих ионы кальция, фосфат-анионы, силикат-анионы, отстаивание, фильтрование, промывку от маточного раствора и сушку, включает следующие новые признаки:
- к раствору нитрата кальция при перемешивании добавляют раствор лимонной кислоты по молярному соотношению 9,3:1 и с помощью раствора гидроксида аммония доводят pH данной системы до 10-11;
- продолжая перемешивание, осуществляют допирование силикат- и фторид-анионами в количествах, необходимых для получения гидроксиапатита со степенями замещения у равным 1 и z равным от 0 до 2, и молярным отношением фторид-анионов к кремний-анионам от 0 до 2, для чего последовательно добавляют расчётные количества ТЭОС и перемешивают реакционную среду в течение 5-10 минут при температуре 40°C, после чего добавляют навеску фторида аммония NH4F;
- в полученную композицию нитрата кальция, лимонной кислоты, ТЭОС и фторида аммония вводят раствор гидроортофосфата аммония (NH4)2HPO4 со скоростью 8-10 мл/мин для получения готового продукта с молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- < 1,67, поддерживая температуру реакционной среды 40°C и pH в диапазоне 10-11;
- реакционную смесь после добавления всего объёма гидроортофосфата аммония перемешивают в течение 10 минут;
- реакционную смесь после перемешивания отстаивают в изотермических условиях в течение 12 часов.
Присутствие лимонной кислоты в качестве модифицирующего агента в ходе синтеза БГАП способствует ингибированию роста и агрегации кристаллов ГАП.
Поддержание температуры реакционной среды на уровне 40°C обеспечивает наиболее полный гидролиз тетраэтоксисилана, благодаря чему замещение на силикат-анионы происходит в наибольшей степени.
Допирование гидроксиапатита силикат- и фторид-анионами с варьируемым молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам позволяет получить биомиметический материал, максимально приближённый по химическому составу и структуре природному биогенному апатиту костной ткани, при этом обеспечивая возможность регулировать биорезорбируемость и остеоиндуктивность продукта. В качестве источника фторид-анионов используется фторид аммония NH4F, что позволяет более точно контролировать содержание фторид-анионов в полученном продукте. Допирование силикат-анионами обеспечивает улучшенную биоактивность ГАП благодаря интенсификации активности остеобластов и повышению биорезорбируемости, остеоиндуктивности, а допирование фторид-анионами позволяет регулировать степень кристалличности и химическую стабильность ГАП.
Предложенный способ характеризуют следующие фигуры.
Фиг. 1. Порошковая дифрактограмма РФА образца БГАП с молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- равным 1,55, полученного при дефицитности ионов Ca2+ d=0,7, коэффициентами замещения фосфат-анионов силикат-ионами, гидроксид-анионов фторид-анионами y=z=1 или 2,88% и 1,95% масс. Si и F соответственно, и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам равным 1 в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 9,3:1 или 0,48% масс. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре Rigaku Ultima IV («RIGAKU») c детектором D/teX Ultra порошковым методом с использованием СuКα- излучения (длина волны λ=1.54178 Å). Параметры работы генератора: ускоряющее напряжение 40 кВ, ток трубки 250 мА. Съемку проводили в кварцевых кюветах. Параметры съемки: интервал двойных углов 2θ = 5-85°, шаг по 2θ = 0.02°, скорость регистрации спектров 5°/мин. Качественный анализ полученных порошковых дифрактограмм, профильный анализ спектров и определение значений параметров решетки проводили с помощью программы PDXL Qualitative Analysis при использовании баз данных ICDD (PDF-2 2008).
Фиг. 2. ИК-спектр образца БГАП с молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- равным 1,55, полученного при дефицитности ионов Ca2+ d=0,7 и коэффициентами замещения фосфат-анионов силикат-ионами, гидроксид-анионов фторид-анионами y=z=1 или 2,88% и 1,95% масс. Si и F соответственно, и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам равным 1 в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 9,3:1 или 0,48% масс. ИК-спектры пропускания полученных порошков регистрировали на инфракрасном Фурье-спектрометре ФСМ-2201 («Инфраспек») в интервале волновых чисел от 400 до 5500 см-1. Образцы готовили методом таблетирования с KBr.
Фиг. 3. ПЭМ-микрофотография разбавленной в соотношении 100:1 водной гидродисперсии образца БГАП с молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- равным 1,55, полученного при дефицитности ионов Ca2+ d=0,7 и коэффициентами замещения фосфат-анионов силикат-ионами, гидроксид-анионов фторид-анионами y=z=1 или 2,88% и 1,95% масс. Si и F соответственно, и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам равным 1 в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 9,3:1 или 0,48% масс. Съёмку ПЭМ-микрофотографий осуществляли на электронном микроскопе JEM-2100 («JEOL»). Ускоряющее напряжение электронной пушки составляло 200 кВ, материал катода - LаВ6 (гексаборид лантана), напряжение - 200 кВ, разрешение - 0,19 нм, увеличение до 200000х. В качестве подложки применяли дырчатую углеродную плёнку с отверстиями диаметром 0,1 мм.
Фиг. 4. СЭМ-микрофотография разбавленной в соотношении 100:1 высушенной спиртовой гидродисперсии образца БГАП с молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- равным 1,55, полученного при дефицитности ионов Ca2+ d=0,7 и коэффициентами замещения фосфат-анионов силикат-ионами, гидроксид-анионов фторид-анионами y=z=1 или 2,88% и 1,95% масс. Si и F соответственно, и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам равным 1 в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 9,3:1 или 0,48% масс. Съёмку СЭМ-микрофотографий осуществляли на электронном микроскопе SU1510 («Hitachi») с увеличением до 50000х. В качестве подложки применяли углеродную электропроводящую ленту.
Фиг. 5. Выход ионов кальция в раствор образцов БГАП по примерам 1-3 в SBF-раствор в зависимости от времени экспозиции, где «Пр. 1», «Пр. 2» и «Пр. 3» - кривые растворимости образцов, полученных по примерам 1, 2 и 3 соответственно.
Заявляемый способ подтверждается следующими примерами.
Пример 1.
Синтез наноразмерного биомиметического гидроксиапатита с молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- равным 1,55, полученного при дефицитности ионов Ca2+ d=0,7 и коэффициентами замещения фосфат-анионов силикат-ионами, гидроксид-анионов фторид-анионами y=z=1, что соответствует содержанию Si и F 2,88% и 1,95% масс. соответственно, и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам равным 1 в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 9,3:1 или 0,48% масс.
Навеску 11,9810 г сухого кристаллогидрата Ca(NO3)2*4H2O растворяют в реакторе, оборудованном верхнеприводной мешалкой в 100 мл дистиллированной воды. К этому раствору добавляют 10 мл 0,5М раствора лимонной кислоты, pH смеси доводят до 10 за счёт добавления 25 масс. % NH4OH. Температуру реакционной среды доводят до 40°C. Далее к этой композиции при постоянном перемешивании добавляют 1,11 мл ТЭОС (ρ = 0,94 г/см3), интенсивно перемешивают реакционную смесь в течение 5 минут и затем добавляют навеску 0,185 г NH4F.
Навеску 3,302 г сухого (NH4)2HPO4 растворяют в 100 мл дистиллированной воды, затем полученный раствор помещают в делительную воронку и добавляют по каплям со скоростью 8 мл/мин в водный раствор, содержащий композицию из нитрата кальция, лимонной кислоты, ТЭОС и фторида аммония. При этом pH реакционной среды поддерживается постоянным на уровне 10 за счёт добавления 25 масс. % NH4OH. Температура реакционной среды поддерживается на уровне 40°C. После добавления всего объёма раствора (NH4)2HPO4 реакционную смесь перемешивают в течение 20 минут, а затем отстаивают в течение 12 часов в изотермических условиях для завершения процесса фазообразования.
Полученный осадок отделяют с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок тщательно промывают от маточного раствора дистиллированной водой и сушат при 100°C в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого образцы БГАП измельчают в мелкий порошок с использованием ступки и пестика.
Пример 2.
Синтез наноразмерного биомиметического гидроксиапатита с молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- равным 1,55, полученного при дефицитности ионов Ca2+ d=0,7 и коэффициентами замещения фосфат-анионов силикат-ионами, гидроксид-анионов фторид-анионами y=1 и z=0 соответственно, что соответствует содержанию Si и F 2,89% и 0,00% масс. соответственно, и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам равным 0 в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 9,3:1 или 0,48% масс.
Навеску 11,9810 г сухого кристаллогидрата Ca(NO3)2*4H2O растворяют в реакторе, оборудованном верхнеприводной мешалкой в 100 мл дистиллированной воды. К этому раствору добавляют 10 мл 0,5М раствора лимонной кислоты, pH смеси доводят до 10,5 за счёт добавления 25 масс. % NH4OH. Температуру реакционной среды доводят до 40°C. Далее к этой композиции при постоянном перемешивании добавляют 1,11 мл ТЭОС (ρ = 0,94 г/см3) и интенсивно перемешивают реакционную смесь в течение 7 минут.
Навеску 3,302 г сухого (NH4)2HPO4 растворяют в 100 мл дистиллированной воды, затем полученный раствор помещают в делительную воронку и добавляют по каплям со скоростью 9 мл/мин в водный раствор, содержащий композицию из нитрата кальция, лимонной кислоты и ТЭОС. При этом pH реакционной среды поддерживается постоянным на уровне 10,5 за счёт добавления 25 масс. % NH4OH. Температура реакционной среды поддерживается на уровне 40°C. После добавления всего объёма раствора (NH4)2HPO4 реакционную смесь перемешивают в течение 20 минут, а затем отстаивают в течение 12 часов в изотермических условиях для завершения процесса фазообразования.
Полученный осадок отделяют с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок тщательно промывают от маточного раствора дистиллированной водой и сушат при 110°C в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого образцы БГАП измельчают в мелкий порошок с использованием ступки и пестика.
Пример 3.
Синтез наноразмерного биомиметического гидроксиапатита с молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- равным 1,55, полученного при дефицитности ионов Ca2+ d=0,7 и коэффициентами замещения фосфат-анионов силикат-ионами, гидроксид-анионов фторид-анионами y=1 и z=2 соответственно, что соответствует содержанию Si и F 2,87% и 3,89% масс. соответственно, и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам равным 2 в случае, когда соотношение компонента лимонной кислоты составляет 9,3:1 или 0,48% масс.
Навеску 11,9810 г сухого кристаллогидрата Ca(NO3)2*4H2O растворяют в реакторе, оборудованном верхнеприводной мешалкой в 100 мл дистиллированной воды. К этому раствору добавляют 10 мл 0,5М раствора лимонной кислоты, pH смеси доводят до 11 за счёт добавления 25 масс. % NH4OH. Температуру реакционной среды доводят до 40°C. Далее к этой композиции при постоянном перемешивании добавляют 1,11 мл ТЭОС (ρ = 0,94 г/см3), интенсивно перемешивают реакционную смесь в течение 10 минут и затем добавляют навеску 0,370 г NH4F.
Навеску 3,302 г сухого (NH4)2HPO4 растворяют в 100 мл дистиллированной воды, затем полученный раствор помещают в делительную воронку и добавляют по каплям со скоростью 10 мл/мин в водный раствор, содержащий композицию из нитрата кальция, лимонной кислоты, ТЭОС и фторида аммония. При этом pH реакционной среды поддерживается постоянным на уровне 11 за счёт добавления 25 масс. % NH4OH. Температура реакционной среды поддерживается на уровне 40°C. После добавления всего объёма раствора (NH4)2HPO4 реакционную смесь перемешивают в течение 20 минут, а затем отстаивают в течение 12 часов в изотермических условиях для завершения процесса фазообразования.
Полученный осадок отделяют с помощью воронки Бюхнера, с использованием фильтровальной бумаги и вакуумного насоса. Затем осадок тщательно промывают от маточного раствора дистиллированной водой и сушат при 120°C в сушильном шкафу до постоянной массы. После этого образцы БГАП измельчают в мелкий порошок с использованием ступки и пестика.
Физико-химические характеристики образцов, полученных по примерам 1-3 представлены в табл. 1, 2.
Таблица 2
Средний размер кристаллитов, кристалличность и растворимость образцов, полученных по примерам 1-3.
Средний размер кристаллитов D определяли по уравнению Селякова-Шеррера:
где D - размер кристаллита; K - коэффициент, зависящий от формы частиц и близкий к 1; λ - длина волны излучения; β - ширина дифракционного пика на полувысоте; θ - угол дифракции [Cullity B. D., Weymouth J. W.Elements of X-Ray Diffraction // Am. J. Phys. 1957. Vol. 25. P. 394-395].
Степень кристалличности K синтезированных образцов рассчитывали по данным рентгеновской дифрактограммы с использованием формулы:
где Sкр - интегрированная площадь под всеми кристаллическими пиками; Sобщ - общая интегрированная площадь под всеми пиками дифракции рентгеновских лучей при 2θ = 5-80° [Singh G., Singh S., Prakash S. Surface characterization of plasma sprayed pure and reinforced hydroxyapatite coating on Ti6Al4V alloy // Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 205. P.4814-4820].
Известно, что форма микроразмерных частиц ГАП также является важной для инициации провоспалительной реакции, и игольчатая форма кристаллов ГАП является наименее биосовместимой [Laquerriere P., Grandjean-Laquerriere A., Addadi-Rebbah S. et al. MMP-2, MMP-9 and their inhibitors TIMP-2 and TIMP-1 production by human monocytes in vitro in the presence of different forms of hydroxyapatite particles // Biomaterials. 2004. Vol. 25, № 13. P. 2515-24]. Также известно, что игольчатая форма кристаллов ГАП (размер 0,1-20 мкм) инициирует активацию NLRP3 инфламасомы и выраженную секрецию IL1β макрофагами и дендритными клетками костного мозга мышей in vitro. При внутрибрюшинной инъекции микроразмерного и субмикронного ГАП воспалительный ответ не развивается при введении частиц ГАП сравнимого размера, но гладкой сферической формы [Lebre F., Sridharan R., Sawkins M.J. et al. The shape and size of hydroxyapatite particles dictate inflammatory responses following implantation. Sci. Rep. 2017; 7(1): 2922].
Предложенный способ позволяет получать наноразмерные частицы сферической формы размером от 5 до 60 нм (фиг. 3), которые согласно [Lebre F., Sridharan R., Sawkins M.J. et al. The shape and size of hydroxyapatite particles dictate inflammatory responses following implantation // Sci. Rep. 2017. Vol. 7, № 1: P. 2922] являются наиболее биосовместимыми для внутрибрюшинной инъекции.
Модифицирование получаемого гидроксиапатита силикат- и фторид-анионами происходит успешно, что подтверждается дифракционными пиками и валентными колебаниями, соответствующими силикат- и фторид-анионам, на дифрактограмме и ИК-спектре образцов гидроксиапатита соответственно (фиг. 1, 2). Согласно СЭМ-микрофотографии (фиг. 4), в процессе высушивания суспензии гидроксиапатита образуются структуры агломерированных частиц с морфологией, близкой к сферической, что хорошо согласуется с данными ПЭМ (фиг. 3).
По примерам 1-3, представленным в таблице 2, видно, что увеличение содержания фторид-анионов, вводимых в ходе синтеза БГАП, приводит к увеличению степени кристалличности БГАП и параметра элементарной ячейки «c», также, во фторсодержащих образцах средний размер кристаллитов незначительно увеличивается по мере увеличения содержания фтора в образцах, что позволяет успешно регулировать биорезорбируемость и остеоиндуктивность БГАП.
Биорезорбируемость исследуемых материалов изучали по международной стандартной методике в модельном SBF растворе. Образцы БГАП помещали и выдерживали в SBF-растворе при 37°С в изотермических условиях в течение 14 суток. Через заданные промежутки времени определяли концентрацию ионов кальция, переходящих в раствор, методом комплексонометрического титрования. Биорезорбируемость, согласно методике, оценивали по количественному выходу ионов Са2+ (Фиг.5).
Таким образом, поставленная задача по разработке способа получения однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита с регулируемой биорезорбируемостью и остеоиндуктивностью решена, и при реализации предложенного способа достигнут заявленный технический результат, заключающийся в том, что получен БГАП формулы Ca10-d(РО4)6-y(SiO4)y(ОН)2-y-z-2dFz*nH2O, где d - степень дефицитности ионов кальция Ca2+; у - коэффициент или степень замещения фосфат-анионов силикат-анионами, z - коэффициент или степень замещения гидроксид-анионов фторид-анионами, молярном соотношении Ca2+/PO4 3-+SiO4 4- < 1,67 и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам от 0 до 2 со средним размером кристаллитов от 8,88 до 9,15 нм, степенью кристалличности от 91,53 до 96,31%, максимальной концентрацией ионов кальция в SBF-растворе от 2,87 ммоль/л до 4,42 ммоль/л, и обладающий хорошей биосовместимостью за счёт того, что частицы БГАП обладают сферической формой, регулируемой биорезорбируемостью и остеиндуктивностью за счет варьирования молярного отношения фторид-анионов к силикат-анионам.
Claims (1)
- Способ получения однофазного наноразмерного биомиметического гидроксиапатита, допированного силикат- и фторид-анионами формулы Ca10-d(РО4)6-y(SiO4)y(ОН)2-y-z-2dFz·nH2O, где d – степень дефицитности ионов кальция Ca2+, у – коэффициент или степень замещения фосфат-анионов силикат-анионами, z – коэффициент или степень замещения гидроксид-анионов фторид-анионами, c молярным соотношением Ca2+/PO4 3-+SiO4 4-<1,67 и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам, равным от 0 до 2, включающий приготовление композиции из нитрата кальция, лимонной кислоты, тетраэтоксисилана и фторида аммония, для чего к раствору нитрата кальция при перемешивании добавляют раствор лимонной кислоты по молярному соотношению 9,3:1 и с помощью раствора гидроксида аммония доводят pH данной системы до 10-11, продолжая перемешивание, доводят температуру реакционной среды до 40°C, вводят тетраэтоксисилан и затем интенсивно перемешивают композицию в течение 5-10 мин, вводят навеску фторида аммония в количестве, необходимом для получения гидроксиапатита со степенью замещения у, равной 1, и z, равной от 0 до 2, и молярным отношением фторид-анионов к силикат-анионам, равным от 0 до 2, после чего в полученную композицию вводят раствор гидроортофосфата аммония (NH4)2HPO4 со скоростью 8-10 мл/мин, поддерживая pH реакционной смеси в диапазоне 10-11 с помощью раствора гидроксида аммония и температуру в течение процесса введения раствора гидроортофосфата аммония на уровне 40°C, по окончании процесса введения раствора гидроортофосфата аммония перемешивают реакционную смесь в течение 20 мин, затем отстаивают в изотермических условиях в течение 12 ч, после чего осадок отделяют, промывают и сушат при 100-120°C до постоянной массы с последующим измельчением.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2835237C1 true RU2835237C1 (ru) | 2025-02-24 |
Family
ID=
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2736048C1 (ru) * | 2020-04-24 | 2020-11-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Способ получения наноразмерного гидроксиапатита |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2736048C1 (ru) * | 2020-04-24 | 2020-11-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Способ получения наноразмерного гидроксиапатита |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PALARD M. et al. Synthesis of silicate hydroxyapatite Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x., Journal of Solid State Chemistry, v.181, Issue 8, August 2008, p.1950-1960. BOGDANOVA E.A. et al. Synthesis and study of nanosized biomaterials based on hydroxyapatite., Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2014, 5(4), p.590-596. СОИН А.В. и др. Синтез и исследование анионмодифицированных апатитов., Альтернативная энергетика и экология, 2007, N1(45), p.130-132. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dorozhkin | Synthetic amorphous calcium phosphates (ACPs): Preparation, structure, properties, and biomedical applications | |
| Rajabnejadkeleshteri et al. | Synthesis and characterization of strontium fluor-hydroxyapatite nanoparticles for dental applications | |
| Suchanek et al. | Mechanochemical–hydrothermal synthesis of carbonated apatite powders at room temperature | |
| JP4354012B2 (ja) | 珪素置換ヒドロキシアパタイトおよびその製法 | |
| Rameshbabu et al. | Synthesis of nanocrystalline fluorinated hydroxyapatite by microwave processing and its in vitro dissolution study | |
| Gozalian et al. | Synthesis and thermal behavior of Mg-doped calcium phosphate nanopowders via the sol gel method | |
| Bulina et al. | Lanthanum–silicate–substituted apatite synthesized by fast mechanochemical method: Characterization of powders and biocoatings produced by micro–arc oxidation | |
| Karimi et al. | One-step and low-temperature synthesis of monetite nanoparticles in an all-in-one system (reactant, solvent, and template) based on calcium chloride-choline chloride deep eutectic medium | |
| Chen et al. | Mechanochemical–hydrothermal synthesis of hydroxyapatite from nonionic surfactant emulsion precursors | |
| Afonina et al. | Synthesis of whitlockite nanopowders with different magnesium content | |
| WO2015052495A1 (en) | Group 2 metal phosphates | |
| WO2019218433A1 (zh) | 石墨烯与羟基磷灰石复合仿生骨材料及其制备方法 | |
| RU2500840C1 (ru) | Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита | |
| RU2736048C1 (ru) | Способ получения наноразмерного гидроксиапатита | |
| TW202000176A (zh) | 氟化物離子摻雜之穩定的非晶形磷酸鈣及其製造方法 | |
| Barandehfard et al. | Sonochemical synthesis of hydroxyapatite and fluoroapatite nanosized bioceramics | |
| JP2011011971A (ja) | チューブ状リン酸カルシウム及びその製造方法 | |
| Tsyganova et al. | Role of Mg2+, Sr2+, and F–ions in octacalcium phosphate crystallization | |
| RU2835237C1 (ru) | Способ получения наноразмерного кальцийдефицитного силикат- и фторзамещенного гидроксиапатита | |
| Makarova et al. | Silver-substituted hydroxyapatite: Mechanochemical synthesis and thermal stability | |
| CN113548652B (zh) | 利用激光的磷灰石粉末合成方法 | |
| EP4349776A1 (en) | Method for preparing whitlockite crystals without generation of hydroxyapatite crystals | |
| Abinaya et al. | Comparative study on the Mg doped Hydroxyapatite through Sol-gel and Hydrothermal Techniques | |
| Alshemary et al. | Microstructural Analysis and Antibacterial Response of Zn 2+/Mg 2+ Dual Doped β-Tricalcium Phosphate Bioceramics | |
| Dahlan et al. | Synthesis of Chicken Eggshell Based Nanofluorapatite Using Sonochemical and Microwave-Assisted Precipitation Methods. |