Биокерамика на основе фосфатов кальция

Так называемый аморфный кальцийфосфат, АФК, в общем случае описываемый формулой Са₃(РО₄)₂·nН₂О, может также рассматриваться как ТКФ [100]. Это соединение может играть важную роль в процессах минерализации костных тканей в качестве переходной фазы по отношению к ГА. Рентгеноструктурными исследованиями с использованием метода функций радиального распределения показано, что структурной единицей АФК является примерно сферический кластер ионов Са₉(РО₄)₆ размером около 9.5 Е [101]. Молекулы воды расположены в пространстве между агрегатами таких кластеров.

ДКФД имеет моноклинную структуру типа брушита с пространственной группой Ia и параметрами элементарной ячейки а = 5,812 Е, b = 15,180 Е, с = 6,239 Е и ? = 116,42⁰, Z = 4. Молекулы воды связаны с ионами кальция и расположены между плоскостями, образованными ионами НРО₄^2- и Са²⁺. Безводный ДКФ кристаллизуется в триклинной сингонии, пространственная группа Р 1, с параметрами элементарной ячейки а = 6,910 Е, b = 6,627 Е, с = 6,998 Е, ?? = 96,34⁰, ? = 103,82⁰ и ? = 88,33⁰, Z = 4.

Существует мнение, что все ортофосфаты кальция могут быть описаны в как соединения со структурой типа глазерита, если допустить существование вакансий, приводящих к отклонению от соотношения катионов и анионов 2:1, характерного для глазерита [102].

2.2 Изоморфные замещения

Минеральные фазы природной костной ткани, дентина и эмали содержат значительные количества биологически важных элементов: фтор, хлор, магний, натрий, и анионных групп: карбонат- и силикат-группы. При синтезе частично-замещенных гидроксиапатитов специально вводят в структуру ГА некоторые анионы и катионы с целью либо компенсации заряда (натрий и аммоний вводят при синтезе карбонатгидроксиапатитов), либо для регулирования дисперсности и химических свойств (кремнийзамещенные апатиты, фторгидроксиапатиты). Анионные и катионные замещения оказывают значительное влияние на биологическое поведение ГА. В этой связи вопрос об изоморфных замещениях в гидроксиапатитах представляется весьма важным.

Анионные замещения

Структура ГА нестехиометрична и позволяет разного рода замещения одних элементов другими. Ионы кислорода не находятся строго в плоскости Са-треугольника. Однако расстояние от групп ОН? до плоскости небольшое. Смещение атомов кислорода гидроксильных групп относительно плоскости симметрии составляет 0,34 Е [103]. В усреднённой структуре ГА половина всех элементарных ячеек должна содержать гидроксил-ионы, смещённые в одном направлении, тогда как вторая половина - в противоположном направлении относительно плоскости симметрии. Однако разупорядочение такого рода не может быть абсолютно «беспорядочным» и существует, по-видимому, ближний порядок типа ОН-ОН-ОН…НО-НО-НО. Изменение ориентации в расположении ОН-групп может быть результатом их замещения ионами фтора или хлора, а также наличием вакансий [86].

Ион FП в фторапатите кальция (химическая формула Ca₁₀(PO₄)₆F₂, далее ФА) не смещён из центров Са-треугольников, в отличие от ионов OHП и ClП (рис. 8). Отсутствие полярного момента может обеспечивать большую химическую устойчивость ФА [103, 104]. Параметры решетки ФА: а = b = 9,367 Е и с = 6,884 Е [105]. В работе [106] изучено изменение параметров решетки и объема элементарной ячейки при частичном замещении гидрокси-групп фтором, происходящем в результате твердофазного взаимодействия ГА с ФА при высоких температурах. С увеличением содержания фтора происходит монотонное снижение параметра а, причем интенсивность влияния фтора на изменение параметра решетки зависит от температуры термической обработки (рис. 9а). Сделано предположение о том, что снижение параметра решетки а может быть обусловлено упорядочением, удалением гидрокси-групп и тенденцией к образованию оксиапатита с меньшим параметром решетки. Возрастание а при температурах выше 1200 ⁰С (рис. 9б) отнесено к повышению нестабильности кристаллической решетки перед фазовым превращением ГА в ?-ТКФ, сопровождающимся снижением сингонии с гексагональной до моноклинной с большим периодом решетки (а = 12,887 Е, b = 27,280 Е, с = 15,219 Е).

На рис. 10 показаны участки ИК спектров, соответствующие деформационным колебаниям связи Са₃-ОН, для образцов ФГА с замещением фтором гидроксильных групп от 0 до 95 мол. %. Пик при 631 см^-1, характерный для чистого ГА, по мере замещения гидроксильных групп фтором смещается в область больших волновых чисел, достигая положения при 747 см^-1 в случае 95%-ного замещёния гидроксильных групп.

На рис. 11 показано, как меняются расстояния в цепочке гидроксильных групп между её составляющими при введении атома фтора. Своё стабилизирующее действие фтор оказывает не только в случае полного замещения групп ОН^-, но и при частичном, с образованием соединения ФГА. Известно, что растворимость чистого ГА выше, чем как у чистого ФА, так и у ФГА [107]. В табл. 5 приведены данные, полученные в ходе определения растворимости ГА и ФА в 0,5 моль/л ацетатном буферном растворе с рН=4 при температуре 37°С [107]. Видно, что растворимость ФА приблизительно на порядок меньше чем у ГА.

О меньшей растворимости ФГА в сравнении с ГА говорят и величины произведений растворимости, которые составляют для ГА и ФГА, соответственно 1,022·10^-122 и 4,3·10^-126 [109].

Таким образом, можно сделать вывод, что использование ФГА в качестве материала для имплантата должно улучшать его стабильность в химически активной среде человеческого организма (за счёт присутствия FП), при сохранении биоактивности и биосовместимости, присущих ГА. Полагают [29], что степень замещения групп ОНП ионами фтора не должна превышать 10%, во избежание отрицательных биологических последствий, в частности флюороза. Известно относительно небольшое количество опубликованных исследований поведения ФГА-керамики в биологических средах. Необходимы дополнительные исследования как в области технологии ФГА-керамики, так и оценки её биологического поведения в экспериментах in vitro и in vivo.

В рамках структурно-термохимической модели вычислены энергии химических связей ионов F^-, Cl^- и ОН^- c ионами кальция в Са-каналах для основного состояния кристалла: УD₀(CaCl)=701,8 кДжМмоль^-1, УD₀(CaOH)=326,4 кДжМмоль^-1, УD₀(CaF)=953,3 кДжМмоль^-1.

Обмен ионов ОН^- на ионы фтора должен быть эффективным в силу большей разности в энергиях связей. Однако изоморфное замещение РО₄^3- группы на иные анионы может приводить к изменениям в ряду устойчивости к обмену ионов в Са-каналах. Оценка показала, что частичное замещение PO₄^3--группы на СО₃^2- может сделать ионы ОН^- более устойчивыми, чем F^- ионы, т. е. ионы ОН^- будут при определенных условиях замещать ионы F^- во фторапатите.

Параметры решетки хлорапатита (ХА) гексагональной сингонии составляют а=b = 9,598 Е, с = 6,776 Е [110]. Расположение ионов хлора в ХА неупорядочено, подобно ионам ОН^- в структуре ГА, они смещены в обе стороны относительно плоскости кальциевых треугольников на примерно 1,2 Е. Столь значительно смещение сопровождается образованием химической связи между хлором и ионами кальция соседнего треугольника. Стехиометрический ХА может, так же, как и ГА, кристаллизоваться в моноклинной сингонии с упорядочением в расположении ионов хлора.

Карбонат-замещенные гидроксиапатиты (КГА) представляют особый интерес для применения в качестве биологически активного материала. Биологический апатит костных и зубных тканей - всегда дефицитный по кальцию и содержат значительные количества карбонат-групп. В зависимости от возраста человека, содержание групп СО₃^2- в КГА достигает от 2,3 до 8,0 масс. % [111,112]. Есть оценки того, что минеральная составляющая эмали, дентина и костной ткани содержит, соответственно, 3,5, 5,6 и 7,4 масс.% групп СО₃^2- [113]. Карбонатные группы создают решеточные искажения, микронапряжения и дефекты кристаллической решетки, влияя на биологическое поведение, повышая, в частности, способность к остеоинтеграции.

Карбонат-группы могут занимать два положения в структуре ГА, замещая соответственно ОН-группы (А-тип замещения), либо РО₄^3--группы (Б-тип) [114]. Замещение РО₄^3- карбонат-группами приводит к уменьшению размеров кристаллов и степени кристалличности ГА. Замещение ОН-групп приводит к расширению элементарной ячейки вдоль оси а и небольшому сжатию вдоль оси с, что сопровождается изменением пространственной группы с P6₃/m на P2₁/b. В случае КГА Б-типа наоборот наблюдается уменьшение параметра а и увеличение с [115]. Параметры решетки КА: а= 9,48 Е, с = 6,89 Е.

Как природная костная ткань, так и синтетический КГА, получаемый осаждением из растворов, имеет смешанный АБ-тип замещения, в котором соотношение между А- и Б-составляющими зависит от многих факторов. В частности, при химическом синтезе это соотношение может зависеть от условий проведения реакции.

Было предложено несколько моделей для описания процесса вхождения карбонат-групп в структуру апатита. В ряде моделей предполагается необходимость компенсации различия валентностей РО₄^3- и СО₃^2- групп посредством частичного замещения кальция одновалентным катионом. В моделях второй группы рассматривается образование вакансий по кальцию. В частности, предложена следующая формула для КГА:

Ca_10-y+u(PO₄)_6-y(CO₃)_y(OH)_2-y+2u, (4)

где 0 < y < 2 и 0 < 2u < y. В этой модели предполагается, что при замещении одной фосфатной группы карбонатной образуются по одной кальциевой и гидроксильной вакансии, причем доля u этих вакансий может быть заполнена [114]. Формула (4) может быть модифицирована следующим образом:

Ca_10-y+uy-u(PO₄)_6-y(CO₃ )_y-u(CO₃ OH)_u(OH)_2-y+2uy-u, (5)

где 0 y 2 и 0 2u y; - вакансия.

Обе рассмотренные модели не учитывают экспериментально наблюдаемого замещения по А-типу при низких концентрациях карбонат групп. Авторы работы [115] синтезировали КГА осаждением из раствора ортофосфата аммония, нитрата кальция и карбоната натрия с варьируемой концентрацией последнего и исследовали соотношение Са/Р в продуктах синтеза. Продемонстрировано, что механизм замещения изменяется в зависимости от степени замещения. При малых концентрациях карбонат замещает в примерно равных пропорциях ОН^- и PO₄^3- группы с получением кальций-дефицитного продукта:

Ca_10-р(PO₄)_6-р(CO₃)_р(OH)_2-р(CO₃)_р (6)

где 0 < р < 1.

Однако, происходит смена механизма еще до полного замещения всех позиций, занимаемых ОН^--группами, согласно данным ИК-спектроскопии. По достижении р = 1 с увеличением содержания СО₃^2- групп механизм замещения соответствует предложенному в работе [116], то есть описывается формулой:

Са_9-y(PO₄)_5-y(CO₃)_1+y(OH)_1-y (7)

где y < 0,8.

В противоположность этому, исследованиями методом ЯМР-спектроскопии ³¹Р и ¹Н продуктов синтеза КГА в системе хлорид кальция - однозамещенный фосфат аммония - карбонат аммония - аммиак показано, что СО₃^2--группы замещают группы ОН^-, а замещения фосфатных групп не происходит [118]. По-видимому, характер замещения зависит не только от условий проведения, но и от реакции синтеза.

Ряд работ [119-122] посвящен изучению анионного замещения фосфатных групп анионами SiO₄^4- . Несмотря на то, что многими исследователями отмечается сильное влияние наличия кремния в структуре ГА на его биоактивность, количественных данных по степени замещения фосфатных групп силикатами в кристаллической решетки ГА нет. Поскольку силикатный ион обладает большим размером ((Si-O) - 1,7 Е, (Р-О) - 1,5 Е) и более высокозарядный, чем фосфатный, не следует ожидать значительной степени замещения без использования приема двойного гетеровалентного замещения. Так при дополнительном введении La³⁺ возможно получения всего ряда твердых растворов. Если такой прием не использовать, то компенсация избыточного заряда происходит за счет уменьшения числа гидроксильных групп, и такой гидроксиапатит можно представить формулой:

Ca₁₀(PO₄)_6-x(SiO₄)_x(OH)_2-xx (8)

Кремний-замещенный ГА проявляет большое сродство к карбонат-аниону, который компенсирует заряд силикатного аниона; присутствие СО₃^2- -группы наблюдается в Si-ГА даже в случаях, когда синтез проводится в инертной атмосфере аргона. При этом степень СО₃^2--замещения возрастает с увеличением содержания кремния. Учитывая большой размер SiO₄^4- группы, при их введении должно происходить увеличение параметров элементарной ячейки ГА.

Катионные замещения

Существенное влияние на химические и биологические свойства ГА оказывают катионные замещения. Например, известно, что свинец из физиологической среды имеет тенденцию накапливаться в костных тканях и зубной эмали, оказывая отрицательное влияние на их жизнедеятельность. В структуре апатита малое межатомное расстояние связи Pb-O обусловлено вкладом ковалентной составляющей в межатомное взаимодействие [123]. Содержание ионов магния составляет от 0,5 масс.% в эмали до 1,23 масс.% в дентине. Магний играет важнейшую роль в физиологических процессах. Содержание натрия в костной ткани достигает 0,9 масс.%. Концентрация калия на порядок величины ниже (табл. 1). Для катионных замещений важное значение имеет размерное соответствие ионов. В таблице 6 приведены ионные радиусы некоторых катионов и анионов [124].

Наиболее близким к кальцию по эффективному ионному радиусу является натрий, легко входящий в структуру гидроксиапатита при синтезе и присутствующий в естественных твердых тканях в значительных количествах. Магний, имеющий существенно меньший ионный радиус по сравнению с кальцием, дестабилизирует структуру апатита. Вхождение Mg²⁺ в структуру ???и???-ТКФ происходит со следующими особенностями. В небольших количествах магний стабилизирует структуру???-ТКФ и замещение происходит по позициям, смежным катионными вакансиями в ромбоэдрической структуре. При высоких содержаниях магния он стабилизирует структуру ??ТКФ, замещая кальций в катион-анионных колоннах элементарной ячейки [87].? Ионы серебра, меди и цинка входят лишь в малых количествах в структуру апатита, замещая ионы кальция, при синтезе осаждением из растворов.

в случае заполнения катионных позиций, определяющим фактором является характер химической связи, образуемой двухвалентным катионом в определенном положении кристаллической структуры, фактор размерного подобия катиона заместителя с катионами кальция менее значим. Предложены различные механизмы катионных замещений в структуре апатита, например:

M²⁺ = Ca²⁺; + 2 = Ca²⁺ + 2OH^-; + 2ZO₄^2- = Ca²⁺ + 2PO₄³

Для одно- и трехзарядных катионов более характерно заполнение позиции СаII, поскольку в этом случае больше возможностей для зарядовой компенсации при соответствующем гетеровалентном замещении в анионных подрешетках. Предложенные механизмы замещения фосфатных PO₄^3- групп включают [125,126]:

Z1O₄^3- = PO₄^3-; Z2O₄^2- + = PO₄^3- + OH^-; Z3O₄^2- + Z4O₄^4- = 2PO₄^3-.

3.Синтез и спекание порошков ортофосфатов кальция

3.1 Синтез ортофосфатов кальция

Существует три основных метода синтеза фосфатов кальция: осаждением из растворов (мокрый метод), твердофазный синтез (сухой метод) и гидротермальный синтез. На практике преобладает синтез фосфатов кальция из водных растворов. Для данного способа характерно множество изменяющихся факторов, которые не всегда дают возможность достичь хорошую воспроизводимость, сохранить стехиометрическое соотношение Са/Р в процессе синтеза, т.е. получить порошок с заданными химическими и физическими свойствами. Среди множества факторов наиболее критичными являются рН раствора, температура реакции и продолжительность процесса. твердофазный синтез ГА является более длительными и энергоемкими. Кроме того, этим методом трудно достичь гомогенности конечного продукта.

В зависимости от метода синтеза, может быть получен порошок с различной морфологией, удельной поверхностью, стехиометрией и степенью кристалличности.

гидроксиапатит

При осаждении ГА из растворов предполагают образование осадка с применением реакции осаждения в результате смешения водных растворов соединений, содержащих ионы Са²⁺ и РО₄³?, при сохранении рН 7 и выдерживании осадка в соответствующих условиях. В качестве источника Са²⁺ изучены СаСl₂, Са(NO₃)₂, Ca(OH)₂, CaCO₃, CaSO₄·2Н₂О, (CH₃COO)₂Ca и др. В качестве источника фосфат-ионов могут быть использованы H₃PO₄, NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄ или K₃PO₄. Для регулирования рН и введения ОН? групп применяют водные растворы аммиака или гидроксидов щелочных металлов. Для мокрых методов характерно образование на начальной стадии осадка, не отвечающего составу ГА. При выдержке первоначального осадка фосфата кальция в соответствующих условиях в нем увеличивается соотношение Са/Р и происходит кристаллизация ГА. На скорость кристаллизации первичного осадка в ГА оказывают влияние многие факторы, такие, как концентрация исходных солей, порядок и скорость перемешивания, рН, температура реакции, время выдерживания и др. [1]. Поэтому для получения воспроизводимых результатов необходимо строго соблюдать все условия синтеза.

Среди множества мокрых методов можно выделить несколько “классических”, которые с теми или иными изменениями приводятся в литературе. Одним из них является метод, использующий нитрат кальция в качестве источника ионов кальция и основанный на реакции [127]:

10Ca(NO₃)₂+6(NH₄)₂HPO₄+8NH₄OH Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂+20NH₄NO₃+6Н₂О(9)

Следует отметить работу [128], где также в качестве источника Са также использовался Ca(NO₃)₂:

10Ca(NO₃)₂+6KH₂PO₄+14NaOH

Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂+6KNO₃+14NaNO₃+12H₂O (10)

Рост кристаллов и их выделение из раствора происходит постепенно; отфильтрованный осадок ГА промывают водой и спиртом, затем сушат при температуре 40-50°С.

В работах [129, 130] был предложен метод, в котором ГА получается по реакции:

10CaCl₂+6(NH₄)₂HPO₄+8NH₄OH Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂+20NH₄Cl + 6Н₂О

После отстаивания осадок промывают декантацией до pH=7, фильтруют на воронке Бюхнера и сушат на воздухе при температуре 100 °С. Затем осадок прокаливают в муфельной печи при температуре 1000°С в течение 2^х часов.

Другая группа классических методов получения ГА кальция мокрым способом основана на реакции:

10Ca(OH)₂+6H₃PO₄ Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂+18H₂O (12)

Указанная выше базовая реакция между Са(ОН)₂ и Н₃РО₄ может быть трансформирована таким образом, что одни реагенты будут заменены на другие (иногда частично) того же назначения. Например, в работе [131] описано получение ГА на основе реакции:

10Ca(OH)₂+6(NH₄)₂HPO₄ Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂+12NH₄ОН+6H₂O (13)

В результате смешивания эквимолекулярных количеств реагентов в течение 1 часа и последующего высушивания осадка при 85 ⁰С получали порошок белого цвета, который прокаливали при 1000 ⁰С на воздухе в муфельной печи.

Там же в [131] предлагается получать высококачественный ГА из смеси Са(ОН)₂, Са₃(РО₄)₂, (NH₄)₃PO₄, и Н₃РО₄, которая соответствует составу конечного продукта, с последующей ультразвуковой обработкой при частоте10-30 кГц.

В работе [4] описано образование ГА при добавлении Са(ОН)₂ к водной суспензии Са₃(РО₄)₂ при перемешивании в интервале температур от 5 до 100°С в атмосфере инертного газа; рН смеси поддерживают равным 10, регулируя количество подаваемого Са(ОН)₂ до тех пор, пока Са/Р не составит 1,6. Далее взаимодействие проводят до момента, когда Са/Р достигает 1,67, поддерживая рН=7-11.

Вариант реакции с использованием соединений калия (вместо натрия и аммония) для экспресс синтеза кристаллов ГА описан в [132]. ГА получают при быстром смешивании растворов Ca(NO₃)₂ и K₃PO₄. Исходное отношение Са/Р составляет 1,58, а через 6 часов - 1,67. Осаждением из растворов могут быть получены Mg-, Y-, Zn-, Cd- замещённые апатиты [133].

В работе [1] описан метод получения ГА мокрым способом, который основана на том, что в качестве реагентов используют СаСО₃ и водный раствор Н₃РО₄.

В работе [134] исследовано влияние параметров синтеза гидроксиапатита (ГА) методом осаждения из растворов солей Ca(NO₃)₂ и Ca(CH₃COO)₂ (начальная концентрация реагентов, pH, температура) на размер и форму получаемых кристаллов. В результате регрессионного анализа морфологических характеристик кристаллов получены математические модели, позволяющие количественно оценить факторы синтеза ГА методом осаждения. Установлен значительный вклад двойных эффектов взаимодействия факторов при синтезе ГА из Ca(NO₃)₂ и тройного эффекта при синтезе из Ca(CH₃COO)₂.

Для получения ультрадисперсного ГА высокой чистоты, предназначенного для клинических применений, применяется иногда алкоксидный золь-гель метод. Процесс синтеза ГА по этой методике состоит из 3^х стадий: 1) кипячение Са с избытком этилового спирта до прекращения выделения водорода, получение раствора алкооксида кальция Са(EtO)₂; 2) взаимодействие раствора с фосфорной кислотой; 3) отжиг продукта реакции на воздухе, и может быть представлен следующей схемой:

CaCa(EtO)₂Ca_x(PO₄)_y(EtOH)Ca₅(PO₄)₃OH(14)

В результате синтеза по описанной схеме до проведения отжига образуется аморфный продукт, не дающий рефлексов, характерных для дифрактограммы тонкокристаллического ГА. Достаточная степень кристалличности такого промежуточного продукта достигается уже при отжиге до 500^оС. Увеличение температуры отжига до 600 и 700^оС практически не сказывается на характеристиках ИК-спектров поглощения. При этом, в соответствии с общепринятым подходом, достаточно хорошее разрешение ИК-полос в области 600 и 1100 см^-1 свидетельствует о высокой степени кристалличности полученного апатита. Следует отметить, что подобный результат достигается при значительно меньших температурах, чем при использовании метода синтеза из водных растворов [88]. Помимо упрощения процедуры отжига, понижение величины его температуры позволит, по-видимому, устранить присутствие после термической обработки ГА нежелательных в ряде случаев дефектного апатита и оксиапатита кальция, интенсивное образование которых имеет место при температурах, превышающих 500 ⁰С.

При получении ГА методом гидролиза плохо растворимых ортофосфатов кальция CaHPO₄, CaHPO₄2H₂O, ???-Ca₃(PO₄)₂, Ca₈(HPO₄)₂(PO₄)₄5H₂O, Ca₄(PO₄)₂O состав раствора можно считать квазиравновесным [135-137]. Основными параметрами, определяющими протекание процесса гидролиза, являются: соотношение массы порошка к объему жидкости; температура синтеза и рН среды. В зависимости от стехиометрии выбранного фосфата кальция, реакция гидролиза индивидуального соединения может приводить к подкислению (при Са/Р 1.67) или подщелачиванию (при Са/Р 1.67) исходного раствора:

СаНРО₄ + Н₂О = Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + Н₃РО₄(15)

3Са₄Р₂О₉ + Н₂О = Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + 2Са(ОН)₂(16)

Большинство ортофосфатов кальция являются «кислыми»; накопление кислоты по реакции (15) приводит к быстрому торможению реакции, степень превращения индивидуального фосфата кальция при гетерогенной реакции гидролиза невысока. Для обеспечения полноты протекания реакции гидролиза кислых фосфатов кальция, как правило, используют щелочные буферные раствора.

Подавляющее число работ посвящено исследованию гидролиза трикальциевого фосфата -Ca₃(PO₄)₂. Результаты, приводимые в литературе по кинетике гидролиза -ТКФ и морфологии получаемого ГА, часто противоречивы. В ряде случаев отмечено относительно быстрое протекание гидролиза -Ca₃(PO₄)₂ (100% за 21 час при 37 ^оС) [138-139], в нескольких работах сообщается о медленной кинетике процесса (<5% конверсии за 3 часа) [140-141].

Сухие способы предполагают получение ГА с применением твердофазных реакций, диффузионных процессов в результате прокаливания при температуре 1000-1300С смесей соединений, содержащих ионы Са²⁺ и РО₄^3-, в определенных количествах. В качестве источника групп ОН? используют атмосферу паров воды. Твердофазный синтез позволяет получать крупнокристаллический (агломераты до 30 мкм) материал заданной стехиометрии, но требует продолжительного отжига при высоких температурах.

В работе [1] описан синтез ГА из солей и Н₃РО₄. Другой пример сухих способов - получение ГА прокаливанием смесей Са₃(РО₄)₂ и СаСО₃, Са₂Р₂О₇ и СаСО₃, СаНРО₄·2Н₂О и СаО при 900-1300 ⁰C в присутствии паров воды [142].

Получение ГА возможно по твердофазной реакции между брушитом (CaHPO₄·2H₂O) и карбонатом кальция (CaCO₃)

6CaHPO₄·2H₂O+4CaCO₃ = Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ +14H₂O+4CO₂ (17)

Молярное отношение CaHPO₄·2H₂O/CaCO₃, равное 1,5, позволяет получить стехиометрический ГА.

Последовательность твердофазных реакций между исходными компонентами под действием температуры может быть описана следующим образом:

6CaHPO₄·2H₂O+4CaCO₃ = 6CaHPO₄ +4CaCO₃+12H₂O(г) , t ~210 єС (18)

6CaHPO₄+4CaCO₃=3y-Ca₂P₂O₇+3H₂O(г)+4CaCO₃, t = 450-470 єС (19)

3y-Ca₂P₂O₇+4CaCO₃=3в-Ca₂P₂O₇+4CaCO₃, t~563 єС (20)

3в-Ca₂P₂O₇+4CaCO₃ =3в-Ca₂P₂O₇+4CaO+4CO₂(г) , t = 670-786 єС (21)

3в-Ca₂P₂O₇+4CaO = xв-Ca₃(PO₄)₂+yCa₁₀(PO₄)₆O+mCaO+nb-Ca₂P₂O₇,

t = 900-1100 єС (22)

3в-Ca₂P₂O₇+4CaO = Ca₁₀(PO₄)₆O, t ~1200 єС (23)

Ca₁₀(PO₄)₆O+H₂O = Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, t ~850 єС (24)

Кроме того, CaCO₃ и CaHPO₄·2H₂O сами по себе могут служить как пороформирующие реагенты благодаря выделению углекислого газа и воды в процессе реакции (используется при формировании высокопористой микроструктуры).

Существует ещё один метод синтеза ГА - гидротермальный, требующий дорогостоящей аппаратуры и основанный на реакциях, проходящих при высоких температурах и давлениях. Методики получения апатитов можно подразделить на две группы [143]: метод гомогенного осаждения с использованием мочевины; разложение хелатных комплексов. В методах первой группы используется прием постепенного увеличения рН раствора, содержащего ионы кальция и фосфат - ионы. В основе методов второй группы используется распад хелатных комплексов кальция в ходе термического воздействия в гидротермальных условиях.

Так, в качестве исходных материалов в методах первой группы применяют обычно СаСО₃ с фосфатом аммония, Са(NO₃)₂ и (NH₄)₂HPO₄ в водном растворе аммиака. В работе [144] использовали пирофосфат кальция (Са₂Р₂О₇). В [145] описано взаимодействие Са₂Р₂О₇ с Н₃РО₄. Авторы считают, что стехиометрический продукт гидротермальным методом можно получить по реакции:

3Са₂Р₂О₇+4СаО+Н₂О Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ (25)

В работе [146] было изучено влияние NH₄OH на скорость процесса роста кристаллов ГА. Призматические кристаллы в отсутствие NH₄OH образуются более чем за 96 часов даже при температуре 500С и давлении 80 МПа. Введение последнего намного увеличивает скорость реакции. Количество исходных реагентов вместе с Н₂О должно занимать 50-60 % объема автоклава (в зависимости от температуры, при которой проводится синтез).

Представляет интерес метод синтеза ГА с использованием стадии сушки с вымораживанием смеси ацетата кальция с триэтилфосфатом. Достоинством метода является возможность получить высокодисперсные и высоко пористые образцы [1].

Другие ортофосфаты кальция

Монокальциевый фосфат моногидрат (МКФМ) - наиболее кислый и водорастворимый фосфат кальция. МКФМ может быть получен из сильнокислых растворов (например, растворением СаСО₃ в фосфорной кислоте с последующим охлаждением о отмывкой), что обычно и используется при производстве сельскохозяйственных удобрений. При температуре выше 100 ^оС МКФМ переходит в безводную форму Са(Н₂РО₄)₂ [147].

Дикальциевый фосфат дигидрат (ДКФД) - может быть легко получен при смешивании растворов, содержащих ионы Са²⁺ и НРО₄^2- при комнатной температуре и рН = 3-4,5. ДКФД биосовместим с костной тканью и способствует процессам ее роста [147].

Безводный дикальциевый фосфат (ДКФ) - подобно ДКФД может быть получен осаждением из водных растворов (но при высоких температурах более 80 ^оС) [136]. В отличие от ДКФД безводный дикальциевый фосфат никогда не был обнаружен как продукт биологической кальцификации [147].

Октокальциевый фосфат (ОКФ) - часто образуется как промежуточный продукт при получении термодинамически более устойчивых фаз (например, гидроксиапатита) в области нейтральных значений рН из растворов [Са] < 5 mM и [P] < 60 mM при t ~ 40 ^оС [147].

Аморфный фосфат кальция (АФК) - часто образуется как промежуточная фаза, предшествующая образованию гидроксиапатита в водной среде в широкой области начальных произведений растворимости [Ca]·[P] = 25 - 5·10⁵ мМ² [140].

ТКФ является высокотемпературной фазой и может быть получен в ходе твердофазного синтеза, а именно [140,147]:

CaCO₃ + 2CaHPO₄ Ca₃(PO₄)₂ + H₂O^ (t<1150 єC) (26)

Ca₉(HPO₄)(PO₄)₅OH Ca₃(PO₄)₂ + H₂O^ (t~800 єC) (27)

В работе [28] описан метод синтеза ТКФ из раствора по реакции:

3Ca(NO₃)₂ + 2(NH₄)₂HPO₄ +2NH₄OH

Ca₃(PO₄)₂v +6NH₄NO₃ + 2H₂O (28)

Стехиометрические количества раствора гидрофосфата аммония медленно добавляют к раствору нитрата кальция при температуре 60 °C. pH раствора поддерживают на уровне 7 добавлением раствора NH₄OH или НNO₃. После 2 часов старения, раствор охлаждают до комнатной температуры, порошок осаждают и отжигают при температуре 900 єС.

При температуре выше 1150 єС в-ТКФ переходит в высокотемпературную б-Ca₃(PO₄)₂ модификацию, растворимость которой в воде существенно выше.

Другой способ получения чистого в-ТКФ - твердофазная реакция между брушитом (CaHPO₄*2H₂O) и карбонатом кальция (CaCO₃).

2CaHPO₄*2H₂O+CaCO₃ = Ca₃(PO₄)₂ +5H₂O+CO₂ (29)

Основным недостатком всех материалов на основе ГА является недостаточная резорбируемость в физиологической среде с рН 7.3. Поэтому наиболее часто в медицинской практике используют композиционные материалы на основе ГА и ТКФ. Скорость резорбции имплантата прямо пропорциональна содержанию ТКФ в композиции: с увеличением доли ГА процесс резорбции замедляется. Растворимость ТКФ на порядок выше, чем растворимость ГА.

Присутствие ТКФ в материале можно обеспечить различными методами, но непосредственное спекание механически смешанных ГА и ТКФ используется редко. В некоторых случаях целесообразно синтезировать ГА с заданным содержанием ТКФ путем проведения твердофазных реакций. В большинстве же случаев осуществляется химическая обработка ГА, либо его частичное термическое разложение. Термохимическая обработка позволяет получать двухфазные композиции, не превышая температуры 1000 єС, что позволяет сохранить биологическую активность фосфатов кальция. Появление низкотемпературной модификации ТКФ фиксируется уже при температуре 700 єС в случае обработки раствором фосфорной кислоты. Однако получение двухфазного продукта, состоящего только из ГА и в-ТКФ, при указанных условиях возможно в узком интервале температур 850 - 900 єС. За верхним пределом этого интервала существует только в-ТКФ, который при 1200 єС переходит в высокотемпературную б-форму.

Композиционные материалы на основе ГА и в-ТКФ с различными соотношениями компонентов могут быть получены изменением молярного отношения реагентов CaHPO₄·2H₂O и CaCO₃ в интервале между 1,5 и 2,0. Главной проблемой при получении композиционных материалов являются разные температуры спекания в-ТКФ и ГА.

В работе [148] измельченные в шаровой мельнице исходные материалы (ДКДФ и карбонат кальция) смешивали в заданных соотношениях и затем отжигали в течение 4 часов при 1000 - 1100 °C. Если полученный композиционный материал имеет в своем составе в-ТКФ более 50 %, то, следовательно, смесь должна спекаться при более низкой температуре, например ниже 1000 °C, а если в материале содержание ГА высокое, то смесь должна спекаться при более высокой температуре, например выше 1100 °C. Это означает, что для поддержания состава на требуемом уровне, температура спекания должна быть отрегулирована согласно ее номинальному составу.

Двухфазные композиционные материалы часто получают как побочный продукт синтеза чистого ГА или чистого ТКФ.

Бифазные материалы могут быть также получены как механическим смешиванием ГА и ТКФ, так и отжигом кальций дефицитного апатита (КДА, Ca/P=1.5 - 1.67) при температуре более 700 °C. КДА получают мокрыми методами, такими как соосаждение или гидролиз ДКФД [149].

Синтез катион - и анион замещенных фаз

В костной ткани, дентине и эмали присутствуют Mg²⁺, Na⁺ и К⁺ в виде примесных элементов, оказывая влияние на физиологию тканей. Кроме того, представляет интерес создание материалов, содержащих такие катионы, как Ag⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, которые могут накапливаться в тканях организма в следовых количествах [21] и оказывают антибактериальное и фунгицидное действие [150,151].

Синтез Ag⁺-, Cu²⁺-, Zn²⁺-замещенных гидроксиапатитов проводили осаждением из водных растворов следующим образом [150]. Нитраты AgNO₃, Cu(NO₃)₂·3H₂O или Zn(NO₃)₂·6H₂O растворяли в дистиллированной воде, к растворам добавляли 0,5М раствор Са(ОН)₂, затем покапельно приливали 0,3М раствор Н₃РО₄ и перемешивали магнитной мешалкой. Расчетные концентрации компонентов: нитрат металла от 0,0001 до 0,01М, гидроксид кальция 0,167М, ортофосфорная кислота 0,1М. Реакцию завершали при рН 9,1. Осадок фильтровали и сушили при 120⁰С. Рентгеновский фазовый анализ выявил, что продуктами реакции являются катион-замещенный ГА и фаза Са₅(РО₄,NO₃)₃(OH). Другой вариант синтеза серебро-содержащего - ионообменная обработка кристаллов ГА в 0,02%-ном растворе AgNO₃ при комнатной температуре в течение 48 ч [151]. Цинк-замещенный КГА получали осаждением из раствора следующим образом [152]. К раствору Ca(NO₃)₂ (14,5 г в 200 мл дистиллированной воды) покапельно добавляли раствор NaHPO₄ (5,2 г в 200 мл) при 87⁰С. Карбонат вводили через 1М раствор NaHCO₃ добавлением к фосфатному раствору (0-20 мл). Объем до 20 мл компенсировали дистиллированной водой. Цинк вводили через раствор нитрата цинка добавлением к раствору нитрита кальция из расчета 0,8-184 мг в 20 мл пробы. В процессе осаждения поддерживали значение рН 7 или 9 добавлением раствора NaOH. После старения в течение 2 ч, раствор нагревали до температуры кипения. Осадок промывали дистиллированной водой и сушили при 120⁰С. Получены порошки с содержанием Zn до 0,019 мг/г (атомно-абсорбционная спектроскопия) и карбонат-ионов до 9,2 масс.%.

Синтез магний-замещенных апатитов осаждением из раствора изучали в работе [153]. Синтез основан на реакции

(10 - x)Ca(NO₃)₂ + xMg(NO₃)₂ + 6(NH₄)₂HPO₄ + 8NH₄OH =

Ca_10-xMg_x(PO₄)₆(OH)₂ + 20NH₄NO₃ + 6H₂O; 0,1 x 1,0 (30)

В качестве исходных соединений использовали водные растворы нитратов (1 моль/л), двузамещенного фосфата аммония (0,6 моль/л) и аммиака (6 моль/л). Реакционную смесь перемешивали и помещали в бытовую СВЧ-печь мощностью 700 Вт на 30 мин, после чего осадки отфильтровывали, промывали водой и высушивали на воздухе. Согласно данным элементного анализа (масс-анализатор ЭМАЛ-2), во всех образцах магний входил в состав твердой фазы. Продукты реакции были рентгеноаморфны. В таблице 7. представлены данные по составу синтезированных соединений после термической обработки при 300-1000⁰С.

Таким образом, магний оказывает дестабилизирующее действие на структуру ГА, что можно объяснить различием ионных радиусов кальция и магния. Реально возможен синтез магний-замещенных ГА при замещении кальция магнием до 1 ат.% (х = 0,1).

Ионы фтора сравнительно легко входят в структуру апатита при синтезе в растворах, формируя фторапатит (ФА) Ca₁₀(PO₄)₆F₂. Известен следующий метод получения порошка ФА осаждением из раствора [154]. Первоначально готовят раствор, содержащий эквивалентное количество фторида аммония и диаммоний фосфата. Затем к нему при активном перемешивании добавляют раствор хлорида кальция.

10CaCl₂ + 6(NH₄)₂HPO₄ + 2NH₄F +6NH₄OH

Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 20NH₄Cl + 6H₂O (31)

Полученный в результате взаимодействия осадок отделяют на вакуумном фильтре и промывают дистиллированной водой до полного отсутствия в последней ионов F? и Cl?. После этого осаждённый продукт подвергается предварительной сушке и прокаливанию до постоянной массы в муфельной печи при температуре 500°С. Затем полученный ФА измельчают в шаровой мельнице до частиц требуемого размера. По данным проведённого рентгенофазового анализа все отражения на рентгенограмме синтезированного таким методом ФА соответствуют таковым у химически чистого ФА. Химическую чистоту и соответствие стехиометрии ФА подтвердил и лазерный масс-спектрометрический анализ.

В работе [155] описан способ получения ФА путём гидролиза тетракальцийфосфата, Ca₄(PO₄)₂O, в 0,1 моль/л растворе КН₂РО₄, содержащем 83 мМоль/л KF, при температуре 37°С и постоянном перемешивании, с пропусканием азота, очищенного от СО₂, в течение всего процесса.

В одном из вариантов твёрдофазного синтеза ФА в качестве исходных компонентов использовали свежепрокалённый оксид кальция, двузамещённый фосфат аммония и фторид кальция. Предварительно смешенные компоненты подвергали измельчению и гомогенизации с добавлением этанола. Затем проводили термообработку смеси в платиновом стакане в течение 2 часов при температуре 1100 °С в токе сухого азота. По данным химического, спектрального и рентгенофазового анализов, полученный по такой технологии продукт полностью соответствовал стехиометрическому ФА. Однако данный метод получения ФА, при своей относительной простоте, имеет значительные недостатки в технологическом плане (необходимость неоднократного размола продукта и потребность в использовании высокотемпературной аппаратуры).

Существуют аналогичные методы получения ФА с использованием следующих химических реакций:

2CaO + Ca(H₂PO₄)₂?H₂O Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂O (32)

3Ca₃(PO₄)₂ + CaF₂ Ca₁₀(PO₄)₆F₂ (33)

или

CaCO₃ + 2CaHPO₄?2H₂O Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂O + CO₂ (34)

3Ca₃(PO₄)₂ + CaF₂ Ca₁₀(PO₄)₆F₂ (35)

Исходные компоненты смешивают в этаноле, затем полученные смеси нагревают до 600°С и выдерживают в течении 3 часов в атмосфере воздуха. Полученный продукт размалывают и обжигают при 1100°С в течении 2 часов в токе осушенного азота.

Другим способом синтеза ФА [109], является реакция, проходящая при нагревании смеси ГА и фторида аммония в течение 1 часа:

Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + 2NH₄F Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 2NH₄OH (36)

К мокрым методам получения фторгидроксиапатита (ФГА) так же, как и в случае синтеза ГА и ФА, относится осаждение ФГА из водных растворов соединений кальция, фосфатов и фторидов [154,156].

В работе [156] описывается следующий метод получения ФГА (синтез проводится в атмосфере азота): 100 мл 10,8 мМ раствора нитрата кальция, с добавленным в требуемом количестве фтором через фторид натрия, доводят до рН=10 добавлением гидроксида аммония. Полученный раствор нагревают до 90°С и добавляют 100 мл 6,5 мМ раствора двузамещённого фосфата аммония, рН=10 достигают покапельным добавлением гидроксида аммония. Образовывающийся осадок выдерживают в растворе в течении 5 часов при 90°С с постоянным перемешиванием, затем его отделяют при помощи центрифуги (10000 об/мин) в течении 10 мин и промывают дистиллированной водой. Полученный материал высушивают при температуре 100°С.

Получение ФГА возможно и путём осаждения ФА из раствора на поверхность ультрадисперсных частиц ГА. Первоначально готовят раствор, содержащий (NH₄)₂HPO₄ и NH₄F, после чего в него при активном перемешивании добавляют ультрадисперсный порошок ГА и раствор CaCl₂. Полученный осадок отфильтровывают, промывают и подвергают обжигу, спёк подвергают помолу. При обработке раствора ультразвуком скорость процесса увеличивается более чем в 2 раза, кроме того, уменьшается размер частиц конечного ФГА.

Есть сведения о получении гетерогенных ФГА-порошков [155]. В этой работе описывают получение частиц ФГА, состоящих из отдельных слоёв в виде ГА и ФА.

Для достижения лучшего распределения фтора в керамике разработан следующий способ синтеза ФГА [154, 157]. Синтез ФГА (с 10% замещения групп ОН^? на ионы F^?) проводили по реакции:

10Ca(OH)₂ + 6(NH₄)₂HPO₄ + 0,2KF Ca₁₀(PO₄)₆(OH)_1,8F_0,2 + 12NH₄OH + 0,2KOH + 6H₂O(37)

Полученный ксерогель сушили при температуре 85-90°С, после чего проводили кальцинацию порошка при температуре 1000°С в течение 30 минут. Частицы конечного порошка ФГА (для всех составов) имели неправильную форму и размеры 2 - 5 мкм, объединены в агрегаты размером 25 - 50 мкм. Из результатов ИК-спектрального анализа и РФА следует, что полученный порошок является ФГА. По данным РФА основной фазой в полученном продукте является апатит. На рис. 12 показано изменение положения основных рефлексов структуры апатита при переходе от ГА к ФА. Локальный рентгеноспектральный анализ порошков, выполненный на сканирующем электронном микроскопе LEO 1450 EV, подтвердил высокую равномерность распределения фтора, содержание которого в образце соответствует расчетному. Описанным выше способом синтеза может быть получен ФГА с субмикронным размером частиц. Электронно-микроскопическая фотография такого порошка показана на рис. 13.

Метод твёрдофазного синтеза ФГА описан в [158]. ФГА получали из химически чистых CaHPO₄, CaCO₃ и CaF₂, которые смешивали с добавлением ацетона в мельнице с агатовыми шарами, затем сушили, брикетировали и подвергали термической обработке в среде азота (предварительно очищенного от СО₂) при 1000 °С в платиновом тигле с выдержкой в течение 3 часов. Полученный материал медленно охлаждали, дробили и доводили до порошкообразного состояния в мельнице.

По-видимому, возможны другие варианты синтеза ФГА в твердой фазе, подобные методам синтеза ГА и ФА и отличающиеся от таковых варьированием количества фторида, участвующего в реакции. Твердофазные методы синтеза легче поддаются контролю, в отличие от жидкофазных, и характеристики конечного продукта (размер и агломерированность частиц порошка, соотношение мягких и жестких агломератов, удельная поверхность, морфология частиц, степень кристалличности) могут существенно различаться. Относительно мало известно из литературы о сравнительных характеристиках порошков фторсодержащих апатитов в зависимости от метода и условий синтеза.

Содержание фтора в ФГА медицинского применения не должно превышать 10 ат.% по отношению к гидрокси-группам. Нами изучен вариант получения ФГА смешением ГА с ФА в заданных количествах с последующей термической обработкой для твердофазного взаимодействия и образования твердого раствора ФА в ГА [106].

При получении кремнийзамещенного ГА методом осаждения из водных растворов важно правильно подобрать исходный реагенты, чтобы максимально исключить возможность замещения фосфатных групп карбонатными. Наиболее часто используют следующие реакции [121-122]:

10Са(ОН)₂ + (6-х)Н₃РО₄ + хSi(OR)₄

Ca₁₀(PO₄)_6-x(SiO₄)_x(OH)_2-x + 4xROH + (18-3x)H₂O,(38)

10Са(NO₃)₂ + (6-x)(NH₄)₂HPO₄ + xSi(OR)₄ + (8+2x)NH₄OH