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 3х 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)2Cax(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 500оС. Увеличение температуры отжига до 600 и 700оС 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 РО43-, 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 ?С (18)

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

3y-Ca2P2O7+4CaCO3=3?-Ca2P2O7+4CaCO3, t~563 ?С (20)

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

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

t = 900-1100 ?С (22)

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

Ca10(PO4)6O+H2O = Ca10(PO4)6(OH)2, t ~850 ?С (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 НРО42- 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 ?C) (26)

Ca9(HPO4)(PO4)5OH Ca3(PO4)2 + H2O^ (t~800 ?C) (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 ?С.

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

Другой способ получения чистого ?-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 ?С, что позволяет сохранить биологическую активность фосфатов кальция. Появление низкотемпературной модификации ТКФ фиксируется уже при температуре 700 ?С в случае обработки раствором фосфорной кислоты. Однако получение двухфазного продукта, состоящего только из ГА и ?-ТКФ, при указанных условиях возможно в узком интервале температур 850 - 900 ?С. За верхним пределом этого интервала существует только ?-ТКФ, который при 1200 ?С переходит в высокотемпературную ?-форму.

Композиционные материалы на основе ГА и ?-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 ?-ТКФ и ГА.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24