RU2431627C2 - Method to prepare charge to produce bioceramics - Google Patents

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: method to prepare charge to produce bioceramics includes dosing of initial components and their grinding in a planetary mill. Initial components are hydroxyapatite and sodium dihydrophosphate at the mass ratio of "hydroxyapatite/sodium dihydrophosphate" in the range of 20/80 - 85/15.

EFFECT: method makes it possible to prepare charge for bioceramics of new generation, capable of resorption and stimulating new bone tissue.

1 tbl, 1 ex

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к области материалов для костных имплантатов, а именно для применения в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, может быть использовано для изготовления биокерамики для лечения костных дефектов.The invention relates to the field of materials for bone implants, namely for use in traumatology and orthopedics, maxillofacial surgery and surgical dentistry, can be used for the manufacture of bioceramics for the treatment of bone defects.

При подготовке исходной шихты в технологии керамики практически всегда применяют высокоэнергетическое оборудование для дезагрегации, помола или проведения механохимического синтеза. Механохимическая обработка порошковых смесей рассматривается как удобный метод мягкой химии для активации различных химических процессов и получения порошков многокомпонентных оксидных соединений, в том числе фосфатов кальция [1]. Механохимический синтез относят к экологичным процессам («green processes»), позволяющим экономить энергию и проводить уникальные синтезы при комнатной температуре [2].In the preparation of the initial charge in ceramic technology, high-energy equipment is almost always used for disaggregation, grinding or mechanochemical synthesis. The mechanochemical processing of powder mixtures is considered as a convenient method of mild chemistry for activating various chemical processes and producing powders of multicomponent oxide compounds, including calcium phosphates [1]. Mechanochemical synthesis is referred to as “green processes”, which allow saving energy and conducting unique syntheses at room temperature [2].

В литературе описаны различные варианты получения гидроксиапатита механохимическим способом из брушита CaHPO₄*2H₂O и оксида кальция [3] или оксида и гидроксида кальция [4], из брушита CaHPO₄*2H₂O и карбоната кальция [5], из гидроксида кальция и фосфорной кислоты [1, 6], из дигидрофосфата кальция и оксида кальция [7], из оксида фосфора и гидроксида кальция или из оксида фосфора и смеси оксида и гидроксида фосфора [8]. Смесь исходных компонентов при соотношении Ca/P=1,67 или другом соотношении в интервале 1-2 [1] подвергают обработке в планетарных мельницах в течение достаточного для протекания реакции времени.The literature describes various options for the preparation of hydroxyapatite mechanochemically from brushite CaHPO₄ * 2H₂ O and calcium oxide [3] or oxide and calcium hydroxide [4], from brushite CaHPO₄ * 2H₂ O and calcium carbonate [5], from calcium hydroxide and phosphoric acid [1, 6], from calcium dihydrogen phosphate and calcium oxide [7], from phosphorus oxide and calcium hydroxide or from phosphorus oxide and a mixture of phosphorus oxide and hydroxide [8]. A mixture of the starting components with a ratio of Ca / P = 1.67 or another ratio in the range of 1-2 [1] is subjected to processing in planetary mills for a sufficient time for the reaction to proceed.

Таким образом, способ подготовки шихты для биокерамики включает дозирование исходных компонентов и механохимический синтез в планетарной мельнице. Наиболее близким способом подготовки шихты можно считать, например, способ, рассмотренный в [1].Thus, a method of preparing a mixture for bioceramics involves dosing the starting components and mechanochemical synthesis in a planetary mill. The closest way to prepare the charge can be considered, for example, the method described in [1].

Полученную механохимическим способом шихту, состоящую преимущественно из гидроксиапатита, используют для получения биокерамики. В случае, если соотношение Ca/P меньше или больше соотношения Ca/P=1,67, как в способе [1], в порошковых смесях присутствуют непрореагировавшие компоненты CaO или H₃PO₄, что нежелательно. Гидроксиапатит обладает превосходной биосовместимостью и поверхностной биоактивностью. Однако материалы на основе гидроксиапатита практически не резорбируются (не растворяются) при имплантации. Материалы на основе гидроксиапатита не могут быть применены в методиках лечения, использующих регенеративный подход. Регенеративный подход требует использования материалов нового поколения, резорбируемых в течение непродолжительного времени и стимулирующих образование новой костной ткани. Материалы нового поколения содержат резорбируемые фазы, например пирофосфат кальция, полифосфаты или двойные фосфаты кальция - щелочных металлов.The mixture obtained by the mechanochemical method, consisting mainly of hydroxyapatite, is used to produce bioceramics. If the Ca / P ratio is less than or greater than the Ca / P ratio of 1.67, as in the method of [1], unreacted components of CaO or H₃ PO₄ are present in the powder mixtures, which is undesirable. Hydroxyapatite has excellent biocompatibility and surface bioactivity. However, materials based on hydroxyapatite practically do not resorb (do not dissolve) upon implantation. Hydroxyapatite-based materials cannot be used in treatment methods using a regenerative approach. The regenerative approach requires the use of new generation materials that are resorbed for a short time and stimulate the formation of new bone tissue. Materials of the new generation contain resorbable phases, for example, calcium pyrophosphate, polyphosphates or double calcium phosphates — alkali metals.

Целью настоящего изобретения являлась разработка способа подготовки шихты для биокерамики нового поколения, способной резорбироваться и стимулировать образование новой костной ткани.The aim of the present invention was to develop a method of preparing a mixture for bioceramics of a new generation, capable of resorbing and stimulating the formation of new bone tissue.

Поставленная цель достигнута настоящим изобретением, в котором подготовка шихты для биокерамики происходит в процессе механохимического синтеза при помоле в планетарной мельнице.The goal is achieved by the present invention, in which the preparation of the mixture for bioceramics occurs in the process of mechanochemical synthesis during grinding in a planetary mill.

Способ подготовки шихты для биокерамики, включающий дозирование компонентов и их помол в планетарной мельнице, в котором согласно изобретению в качестве исходных компонентов используют гидроксиапатит и гидратированный дигидрофосфат натрия при массовом соотношении «гидроксиапатит/гидратированный дигидрофосфат натрия» в интервале 85/15-20/80.A method of preparing a mixture for bioceramics, comprising dosing the components and grinding them in a planetary mill, in which according to the invention, hydroxyapatite and hydrated sodium dihydrogen phosphate are used as starting components in a weight ratio of hydroxyapatite / hydrated sodium dihydrogen phosphate in the range of 85 / 15-20 / 80.

Гидроксиапатит следует синтезировать в соответствии с реакцией (1) из водных растворов методом соосаждения. Соосаждение из растворов позволяет получать порошки, состоящие из агрегатов наночастиц. Малый размер частиц и огромная удельная поверхность обеспечивают высокую реакционную способность нанопорошков.Hydroxyapatite should be synthesized in accordance with reaction (1) from aqueous solutions by coprecipitation. Coprecipitation from solutions allows one to obtain powders consisting of aggregates of nanoparticles. The small particle size and huge specific surface provide high reactivity of nanopowders.

где X=NO₃ ^-, Cl^-, CH₃COO^-, а Z=NH₄ ⁺, Na⁺, K⁺.where X = NO₃^- , Cl^- , CH₃ COO^- , and Z = NH₄⁺ , Na⁺ , K⁺ .

Стехиометрический гидроксиапатит - термодинамически стабильная фаза, и при помоле или обжиге не подвергается разложению.Stoichiometric hydroxyapatite is a thermodynamically stable phase, and does not decompose upon grinding or firing.

Гидратированный дигидрофосфат натрия NaH₂PO₄*2H₂O при длительном помоле в ацетоне теряет некоторое количество гидратной воды и преобразуется, например, в NaH₂PO₄*H₂O, а при нагревании теряет воду и подвергается поликонденсации с образованием полифосфата натрия - биосовместивмого вещества [9]. Биологическая роль полифосфатов на ранних этапах эволюции как аналогов АТФ, в том числе и полифосфата натрия, описана Кулаевым [10, 11]. При обычном смешивании и последующем длительном хранении смеси гидратированного дигидрофосфата натрия NaH₂PO₄*2H₂O с гидроксиапатитом химического взаимодействия между компонентами нет.Hydrated sodium dihydrogen phosphate NaH₂ PO₄ * 2H₂ O during prolonged grinding in acetone loses some hydrated water and is converted, for example, to NaH₂ PO₄ * H₂ O, and when heated it loses water and undergoes polycondensation to form sodium polyphosphate - biocompatible substances [9]. The biological role of polyphosphates in the early stages of evolution as analogues of ATP, including sodium polyphosphate, was described by Kulaev [10, 11]. During normal mixing and subsequent long-term storage of a mixture of hydrated sodium dihydrogen phosphate NaH₂ PO₄ * 2H₂ O with hydroxyapatite, there is no chemical interaction between the components.

Исходные компоненты (гидроксиапатит и гидратированный дигидрофосфат натрия) при соотношении гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат натрия в интервале 85/15-20/80 помещают в барабан из диоксида циркония и добавляют мелющие тела (шарики из диоксида циркония) и ацетон в качестве среды диспергирования и протекания реакции. Смесь подвергают помолу в течение 10-30 минут на планетарной мельнице. При такой обработке происходит механохимический синтез в соответствии с реакцией (2), (3) или при большом избытке гидратированного дигидрофосфата натрия в соответствии с реакцией (4)The starting components (hydroxyapatite and hydrated sodium dihydrogen phosphate) with a ratio of hydroxyapatite / hydrated sodium dihydrogen phosphate in the range 85 / 15-20 / 80 are placed in a zirconia drum and grinding media (zirconia balls) and acetone are added as a dispersion medium and the reaction proceeds . The mixture is milled for 10-30 minutes in a planetary mill. With this treatment, mechanochemical synthesis occurs in accordance with reaction (2), (3) or with a large excess of hydrated sodium dihydrogen phosphate in accordance with reaction (4)

При избытке гидроксиапатита реакции 2 и 3 пройдут до конца, и в смеси после помола будут присутствовать брушит или монетит, гидрофосфат натрия и гидроксиапатит (таблица, строчка 1). В том случае, если компоненты взяты в количествах, рассчитанных по реакции 2 или 3, происходит образование монетита (реакция 2) или брушита (реакция 3) и гидрофосфата натрия (таблица, строчка 2). При избытке гидратированного дигидрофосфата натрия возможно протекание реакций 2, 3 или 4. В соответствии с реакциями 2 и 3 в состав шихты наряду с брушитом или монетитом и гидрофосфатом натрия входит не вступивший в реакцию дигидрофосфат натрия. А по реакции 4 в состав шихты дополнительно входит дигидрофосфат кальция (таблица, строчка 3).With an excess of hydroxyapatite, reactions 2 and 3 will go to the end, and after grinding, brushite or monetite, sodium hydrogen phosphate and hydroxyapatite will be present in the mixture (table, line 1). In the event that the components are taken in amounts calculated by reaction 2 or 3, the formation of monetite (reaction 2) or brushite (reaction 3) and sodium hydrogen phosphate (table, line 2) occurs. With an excess of hydrated sodium dihydrogen phosphate, reactions 2, 3 or 4 may occur. In accordance with reactions 2 and 3, the mixture, along with brushite or monetite and sodium hydrogen phosphate, contains unreacted sodium dihydrogen phosphate. And according to reaction 4, the composition of the mixture additionally includes calcium dihydrogen phosphate (table, line 3).

При нагревании на стадии обжига брушит и монетит сформируют фазу пирофосфата кальция (реакции 5 и 6), гидрофосфат натрия сформирует фазу пирофосфата натрия (реакция 7), а дигидрофосфат кальция и непрореагировавший дигидрофосфат натрия будут образовывать полифосфаты в соответствии с реакциями 8-10. Гидроксиапатит вступает в реакцию с пирофосфатом, образуя трикальцийфосфат (реакция 11). Образовавшиеся компоненты вступают при нагревании в реакции друг с другом, образуя двойные орто- или пирофосфаты (реакции 12-24).When heated at the firing stage, brushite and monetite will form a phase of calcium pyrophosphate (reactions 5 and 6), sodium hydrogen phosphate will form a phase of sodium pyrophosphate (reaction 7), and calcium dihydrogen phosphate and unreacted sodium dihydrogen phosphate will form polyphosphates in accordance with reactions 8-10. Hydroxyapatite reacts with pyrophosphate to form tricalcium phosphate (reaction 11). The components formed, when heated, react with each other, forming double ortho- or pyrophosphates (reactions 12-24).

При нагревании порошковой смеси, в которой присутствуют не вступивший в реакцию при механохимическом синтезе гидроксиапатит и кислые фосфаты натрия или продукты их термической конденсации, происходит образование двойных ортофосфатов натрия-кальция: Ca₁₀Na(PO₄)₇ (реакции 12, 14, 16) или β-ренанита NaCaPO₄ (реакции 13, 15, 18), а также двойных пирофосфатов Na₂CaP₂O₇ (14, 15, 17, 19).When a powder mixture is heated, in which hydroxyapatite and sodium acid phosphates or products of their thermal condensation, which have not reacted during mechanochemical synthesis, are present, sodium-calcium double orthophosphates are formed: Ca₁₀ Na (PO₄ )₇ (reactions 12, 14, 16) or β-renanite NaCaPO₄ (reactions 13, 15, 18), as well as double pyrophosphates Na₂ CaP₂ O₇ (14, 15, 17, 19).

Если соотношение гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат больше, чем 85/15, после термообработки в составе материала останется гидроксиапатит, и материал не будет полностью биодеградируемым.If the ratio of hydroxyapatite / hydrated dihydrogen phosphate is greater than 85/15, after heat treatment, hydroxyapatite will remain in the composition of the material and the material will not be fully biodegradable.

При уменьшении содержания гидроксиапатита в смеси в состав материала после термообработки могут входить пирофосфат кальция и двойные орто-, пиро- и полифосфаты натрия-кальция, которые являются биосовместимыми и биодеградируемыми.With a decrease in the content of hydroxyapatite in the mixture, the composition of the material after heat treatment may include calcium pyrophosphate and double ortho-, pyro- and polyphosphates of sodium-calcium, which are biocompatible and biodegradable.

При соотношении гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат, равном 45/55 по массе, в исходной смеси после механохимического синтеза протекают реакции 2 и 3, и в составе шихты нет непрореагировавших компонентов (гидроксиапатита или гидратированного дигидрофосфата).At a ratio of hydroxyapatite / hydrated dihydrogen phosphate equal to 45/55 by weight, reactions 2 and 3 proceed in the initial mixture after mechanochemical synthesis, and there are no unreacted components (hydroxyapatite or hydrated dihydrogen phosphate) in the mixture.

Дальнейшее уменьшение соотношения гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат приводит к тому, что после механохимического синтеза шихта содержит непрореагировавший дигидрофосфат натрия, который при нагревании склонен к поликонденсации и образованию полифосфата натрия или полифосфата натрия кальция. Полифосфаты натрия и натрия кальция являются биосовместимыми и биодеградируемыми. При соотношении гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат, меньшем 20/80, прессование заготовок из полученной шихты затруднено: образцы не сохраняют форму.A further decrease in the ratio of hydroxyapatite / hydrated dihydrogen phosphate leads to the fact that after mechanochemical synthesis the mixture contains unreacted sodium dihydrogen phosphate, which when heated is prone to polycondensation and the formation of sodium polyphosphate or sodium polyphosphate calcium. Sodium polyphosphates and calcium sodium are biocompatible and biodegradable. When the ratio of hydroxyapatite / hydrated dihydrogen phosphate is less than 20/80, it is difficult to press billets from the resulting mixture: the samples do not retain their shape.

Уменьшение соотношения гидроксиапатит/гидратированый дигидрофосфат в интервале 85/15-20/80 приводит к увеличению скорости биодеградации, так как растворимость фосфатов в рядах Са₃(PO₄)₄→NaCa₁₀(PO₄)₇→NaCaPO₄; Ca₂P₂O₇→Na₂CaP₂O₇; Са(РО₃)₂→NaCa(РО₃)₃→NaPO₃ увеличивается.A decrease in the ratio of hydroxyapatite / hydrated dihydrogen phosphate in the range of 85 / 15-20 / 80 leads to an increase in the rate of biodegradation, since the solubility of phosphates in the series Ca₃ (PO₄ )₄ → NaCa₁₀ (PO₄ )₇ → NaCaPO₄ ; Ca₂ P₂ O₇ → Na₂ CaP₂ O₇ ; Ca (PO₃ )₂ → NaCa (PO₃ )₃ → NaPO₃ increases.

При продолжительности помола менее 10 мин реакции 2, 3 и 4 протекают не до конца, а продолжительность более 30 мин - избыточна.When the grinding time is less than 10 minutes, reactions 2, 3 and 4 do not proceed to the end, and the duration of more than 30 minutes is excessive.

Полученную после помола шихту прессуют в виде балочек или дисков, а затем обжигают в интервале 1000-1200°С. Обжиг при температуре ниже 1000°С не обеспечивает полноту протекания реакций между компонентами шихты. Обжиг при температуре выше 1200°С приводит к образованию значительного количества расплава и аномальному росту зерен.The mixture obtained after grinding is pressed in the form of rolls or disks, and then fired in the range of 1000-1200 ° C. Firing at temperatures below 1000 ° C does not ensure the completeness of the reaction between the components of the charge. Firing at temperatures above 1200 ° C leads to the formation of a significant amount of melt and an abnormal grain growth.

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что применение заявленного способа позволяет подготовить шихту для получения биокерамики, обладающей сложным фазовым составом, который определяет способность материала к биодеградации при использовании.Thus, the experimental data show that the application of the claimed method allows you to prepare the mixture to obtain bioceramics with a complex phase composition, which determines the ability of the material to biodegradation in use.

ПримерExample

Для получения шихты для биокерамики 4,5 г гидроксиапатита, 5,5 г гидратированного дигидрофосфата натрия, 25 мл ацетона и 50 г мелющих тел (шаров из диоксида циркония) помещают в емкость из диоксида циркония. Закрытую емкость, содержащую исходные соли, ацетон и мелющие тела, закрепляют в шаровой мельнице. После помола в течение 20 мин суспензию отделяют от ацетона и сушат на воздухе. Полученный порошок, состоящий из брушита/монетита и гидрофосфата натрия, прессуют в виде балочек или дисков и обжигают при 1100°С. Фазовый состав материала после обжига представлен резорбируемыми фазами: пирофосфатом кальция и двойными фосфатами кальция натрия.To obtain a mixture for bioceramics 4.5 g of hydroxyapatite, 5.5 g of hydrated sodium dihydrogen phosphate, 25 ml of acetone and 50 g of grinding media (balls made of zirconium dioxide) are placed in a container of zirconium dioxide. A closed container containing the starting salts, acetone and grinding media is fixed in a ball mill. After grinding for 20 minutes, the suspension is separated from acetone and dried in air. The resulting powder, consisting of brushite / monetite and sodium hydrogen phosphate, is pressed in the form of rolls or disks and burned at 1100 ° C. The phase composition of the material after firing is represented by resorbable phases: calcium pyrophosphate and sodium double phosphates.

Claims (1)

Translated fromRussian

Способ подготовки шихты для получения биокерамики, включающий дозирование исходных компонентов и их помол в планетарной мельнице, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют гидроксиапатит и дигидрофосфат натрия при массовом соотношении гидроксиапатит/дигидрофосфат натрия в интервале 20/80-85/15.A method of preparing a mixture to obtain bioceramics, including dosing the starting components and grinding them in a planetary mill, characterized in that the starting components are hydroxyapatite and sodium dihydrogen phosphate in a weight ratio of hydroxyapatite / sodium dihydrogen phosphate in the range of 20 / 80-85 / 15.