способ получения мелкодисперсного гидроксиапатита высокой чистоты

Формула изобретения

Способ получения гидроксиапатита путем взаимодействия суспензии гидроксида кальция и раствора фосфорной кислоты, отличающийся тем, что готовят 20 - 55%-ную суспензию гидроксида кальция при 40 - 60^oC и воздействии ультразвука частотой 9 - 15 КГц с последующим добавлением раствора фосфорной кислоты концентрации 6 - 9 вес.% со скоростью 70 - 120 мл/мин и формированием суспензии гидроксиапатита с концентрацией основного вещества 320 - 350 г/л и размером частиц 1 - 5 мкм в отстойнике в течение 20 - 24 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу получения мелкодисперсного высокочистого гидроксиапатита, который может быть использован для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, производства зубных пломб, зубных паст, сорбентов и пр.

Известны способы получения гидроксиапатита путем смешивания растворов H₃PO₄ и Ca(OH)₂ в двухступенчатом реакторе [1. Патент США 4324773. Процесс получения гидроксиапатита, С 01 В 25/32, опубл. 13.04.1982].

В описанном случае суспензия оксида кальция в воде и раствор фосфорной кислоты непрерывно подаются на первую ступень двухступенчатого реактора. Исходные продукты реагируют на первой стадии при pH от 9,5 до 11. Реакция затем продолжается на второй ступени реактора при активном перемешивании и непрерывном введении дополнительного водного раствора фосфорной кислоты в количестве, достаточном для того, чтобы поддерживать pH на второй ступени в пределах от 7 до 7,4.

Недостатком данного способа является необходимость постоянного и жесткого контроля скорости потоков реагентов, эффективности перемешивания и величины pH в реакционной массе. Незначительное отклонение от заданных параметров ведет к получению фосфатов кальция, не отвечающих химической формуле гидроксиапатита. На это указывают и авторы данного патента. Очевидно, что при высоких концентрациях исходных веществ (30% Ca(OH)₂ и 80% H₃PO₄) и высоких скоростях их подачи в реактор (31,3 кг/час Ca(OH)₂ и 70,8 кг/час H₃PO₄) вероятность отклонения от технологических параметров, указанных в патенте [Патент США 4324772 Процесс получения гидроксиапатита. С 01 В 25/32, опубл. 13.04.1982 г.], весьма велика.

Наиболее близким по технической сущности и результату к предлагаемому способу является получение гидроксиапатита [2. Патент Японии 7508-46. Способ получения гидроксиапатита, опубл. 13.07.1990 г.].

Согласно предлагаемому способу полностью растворенную в воде гидроокись кальция и разбавленный раствор фосфорной кислоты одновременно и нацело смешивают, выдерживая при этом соотношение Ca/P в пределах 1,5 - 1,9. При этом реакционную массу тщательно перемешивают и нагревают с момента начала смешения в течение всей реакции при температуре 30 - 100^oC. Время реакции 2 - 5 часов.

Преимуществом данного способа является возможность получения высокочистого гидроксиапатита без примесей других соединений кальция и фосфора, контролируемого с помощью рентгеновской дифракции.

К недостаткам данного способа следует отнести более низкий по сравнению с аналогом выход продукта вследствие применения разбавленных растворов H₃PO₄ (0,1 - 5 вес. %) и Ca(OH)₂ (0,5 - 0,12 вес.%). Так, пример N 8 патента [Патент Японии 7508-46. Способ получения гидроксиапатита, опубл. 13.07.1990 г.], где концентрации исходных реагентов близки к максимальным, концентрация гидроксиапатита в суспензии составила 0,383 г/л, а выход продукта на стадии синтеза - около 0,5 г/час. Кроме того, постоянный нагрев реакционной массы во время синтеза гидроксиапатита, а также стадии промывки и фильтрации приводят к значительным трудо- и энергозатратам.

Целью данного изобретения является увеличение выхода высокочистого гидроксиапатита путем получения высококонцентрированной суспензии гидроксиапатита с размерами частиц готового продукта 1 - 5 мкм.

Поставленная цель достигается путем способа взаимодействия суспензии гидроксида кальция и раствора фосфорной кислоты, отличающегося тем, что 20 - 55% суспензию гидроксида кальция готовят при воздействии ультразвука частотой 9 - 15 кГц и температуре 40 - 60^oC. Последующее добавление раствора фосфорной кислоты с концентрацией 6 - 9% производят со скоростью 70 - 120 мл/мин. Формирование суспензии гидроксиапатита с концентрацией основного вещества 320 - 350 г/л и размером частиц 1 - 5 мкм происходит в отстойнике в течение 20 - 24 часов.

Значительное, по сравнению с прототипом, увеличение концентрации исходного гидроксида кальция до 20 - 55%, которое позволяет, в конечном счете, существенно повысить выход конечного продукта, достигается за счет применения ультразвуковой обработки на стадии добавления воды к тонкоизмельченному гидроксиду кальция. При этом снижение концентрации Ca(OH)₂ ниже 20% ведет к снижению выхода гидроксиапатита, а повышение концентрации Ca(OH)₂ более 55% значительно увеличивает вязкость суспензии, что затрудняет процесс перемешивания. Взаимодействие Ca(OH)₂ с водой происходит с выделением тепла, поэтому температуру реакционной массы необходимо поддерживать в пределах 40 - 60^oC. Повышение температуры более 60^oC может привести к перегреву реакционной массы и выбросу ее из реактора, а охлаждение реакционной массы до температуры ниже 40^oC неоправданно увеличивает время процесса.

После введения воды производится ультразвуковая обработка суспензии с частотой 9 - 15 кГц в течение 1 - 2 часов. Это позволяет гомогенизировать полученную суспензию и повысить скорость диссоциации гидроксида кальция. Частота ультразвуковой обработки ниже 9 кГц не оказывает существенного влияния на скорость диссоциации Ca(OH)₂, а увеличение рабочей частоты ультразвука более 15 кГц может привести к местному перегреву суспензии. После окончания гомогенизации и активации смеси ультразвуковая обработка прекращается и к суспензии гидроксида кальция при непрерывном перемешивании добавляется 6 - 9% раствор фосфорной кислоты. Увеличение концентрации фосфорной кислоты по сравнению с прототипом [2], достигается за счет того, что суспензия гидроксида кальция активируется при ультразвуковой обработке, приобретая повышенную подвижность и реакционную способность. Концентрация исходного раствора H₃PO₄ в пределах 6 - 9% гарантирует образование единственной фазы гидроксиапатита. Увеличение концентрации свыше 9% может привести к местному перекислению в реакционной массе и образованию побочных труднорастворимых фосфатов кальция. Снижение концентрации ниже 6% нецелесообразно, поскольку чрезмерное разбавление исходного раствора ведет к увеличению объема реактора и неоправданным расходам.

Скорость добавления фосфорной кислоты варьируется в пределах 70 - 120 мл/мин и зависит от концентрации исходных реагентов, а также от времени и частоты ультразвуковой обработки. Добавление фосфорной кислоты с указанной скоростью позволяет постоянно поддерживать в реакционной массе щелочную среду, при которой маловероятно образование труднорастворимых фосфатов кальция, отличающихся от структуры гидроксиапатита, а также поддерживать температуру реакционной массы в пределах 45 - 60^oC. Увеличение скорости приливания кислоты выше 120 мл/мин может вызвать местное смещение pH в кислую область, а снижение скорости менее 70 мл/мин неоправданно увеличивает время процесса.

Исходя из стехиометрического соотношения Ca/P = 1,67 в гидроксиапатите и известных концентраций исходных реагентов, еще до начала реакции можно определить объемы реагирующих компонентов, что позволяет устранить жесткий контроль за показанием pH реакционной смеси и объемом прореагировавших компонентов, которое является необходимым условием метода [1].

После окончания введения фосфорной кислоты полученная суспензия сливается в отстойник, где без дополнительного нагрева происходит завершение формирования структуры гидроксиапатита в течение 24 часов. После декантации воды, образовавшейся в результате реакции, в отстойнике остается однородная суспензия гидроксиапатита с концентрацией 320 - 350 г/л и размером частиц гидроксиапатита 1 - 5 мкм.

Полученная суспензия может быть использована в производстве зубных паст, сорбентов и медицинских материалов.

Пример

Получение гидроксиапатита осуществляется в эмалированном реакторе с рамной мешалкой. Для приготовления суспензии гидроксида кальция в реактор загружается тонкоизмельченный порошок Ca(OH)₂ и к нему при постоянном перемешивании небольшими порциями, чтобы избежать перегрева реакционной массы, добавляется дистиллированная вода. После введения воды при перемешивании массы производится ультразвуковая обработка суспензии в течение 1-2 часов. Затем ультразвуковой генератор отключается и в реактор с активированной суспензией Ca(OH)₂ при непрерывном перемешивании добавляется раствор фосфорной кислоты, затем суспензия сливается в отстойник, где в течение 24 часов происходит формирование частиц гидроксиапатита размером 1 - 5 мкм. После декантации воды, образовавшейся в результате реакции, в отстойнике остается однородная суспензия гидроксиапатита с концентрацией основного вещества 320 - 350 г/л.

Получение гидроксиапатита может быть осуществлено при различных условиях, приведенных в таблице.

Во всех случаях рентгенофазный анализ полученного продукта показал, что частицы суспензии на 100% состоят из фазы гидроксиапатита.