Синтез 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.

При осаждении ГА из растворов предполагают образование осадка с применением реакции осаждения в результате смешения водных растворов соединений, содержащих ионы Са²⁺ и РО₄³ˉ, при сохранении рН ³ 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 ОНˉ 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 Þ 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 Þ

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 Þ 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 Þ 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)₂HPO₄Þ 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 a-Ca₃(PO₄)₂. Результаты, приводимые в литературе по кинетике гидролиза a-ТКФ и морфологии получаемого ГА, часто противоречивы. В ряде случаев отмечено относительно быстрое протекание гидролиза a-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 1000-1300°С смесей соединений, содержащих ионы Са²⁺ и РО₄^3-, в определенных количествах. В качестве источника групп ОНˉ 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 ºС (18)

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

3y-Ca₂P₂O₇+4CaCO₃=3β-Ca₂P₂O₇+4CaCO₃, t~563 ºС (20)

3β-Ca₂P₂O₇+4CaCO₃ =3β-Ca₂P₂O₇+4CaO+4CO₂(г),t = 670–786 ºС (21)

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

t = 900–1100 ºС (22)

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

Ca₁₀(PO₄)₆O+H₂O = Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, t ~850 ºС (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 Þ 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 500°С 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 Þ Ca₃(PO₄)₂ + H₂O↑ (t<1150 ºC) (26)

Ca₉(HPO₄)(PO₄)₅OH Þ Ca₃(PO₄)₂ + H₂O↑ (t~800 ºC) (27)

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

3Ca(NO₃)₂ + 2(NH₄)₂HPO₄ +2NH₄OH Þ

Ca₃(PO₄)₂↓ +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 ºС.

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

Другой способ получения чистого β-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 ³ 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 ºС, что позволяет сохранить биологическую активность фосфатов кальция. Появление низкотемпературной модификации ТКФ фиксируется уже при температуре 700 ºС в случае обработки раствором фосфорной кислоты. Однако получение двухфазного продукта, состоящего только из ГА и β-ТКФ, при указанных условиях возможно в узком интервале температур 850 – 900 ºС. За верхним пределом этого интервала существует только β-ТКФ, который при 1200 ºС переходит в высокотемпературную α-форму.

Композиционные материалы на основе ГА и β-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 β-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 β-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 Þ

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 Fˉ и Clˉ. 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 Þ Ca₃(PO₄)₂ + 3H₂O (32)

3Ca₃(PO₄)₂ + CaF₂ Þ Ca₁₀(PO₄)₆F₂ (33)

или

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

3Ca₃(PO₄)₂ + CaF₂ Þ 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 Þ 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^ˉ на ионы F^ˉ) проводили по реакции:

10Ca(OH)₂ + 6(NH₄)₂HPO₄ + 0,2KF Þ 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)₄Þ

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 Þ

Ca₁₀(PO₄)_6-x(SiO₄)x(OH)_2-x + 20NH₄NO₃ + 4xROH + (6-x)H₂O,(39)

где R=Et.

Синтез проводят при температурах 60-80 ⁰С, рН = 9-11 поддерживают раствором аммиака, иногда используют атмосферу инертного газа. При этом наблюдается уменьшение размера кристаллитов получаемого ГА при увеличении содержания кремния.

Карбонат-группы могут занимать позиции А (замещение ОН^--групп) и Б (замещение РО₄^3--групп) в структуре ГА. Для получения КГА типа А используют реакцию ионного обмена между ОН^- и СО₃^2- при выдержке ГА в среде СО₂ при температурах 900-1000⁰С в течение 15-144 ч [159,160]. Альтернативный метод состоит в выдержке стехиометрического, подвергнутого термической обработке порошка ГА в водном растворе, насыщенном по отношению к диоксиду углерода, в течение периода времени до 2 месяцев [161]. Достигнуто введение карбонат-групп в ГА в количестве до 5,5 масс.% в результате реакции ионного обмена с гидрокси-группами.

КГА Б-типа, либо смешанного АБ-типа замещения, получают осаждением из водных растворов при повышенных значениях рН [159]. Может быть использована реакция между 1М раствором нитрата кальция, 0,6М раствором двузамещенного фосфата аммония, 0,1М раствором карбоната аммония и концентрированным аммиаком [162].

При замещении по типу Б проблемой является сохранение зарядового баланса, из-за различия валентностей карбонат - и фосфат-групп. Поэтому синтез КГА Б-типа обычно проводят с участием ионов натрия или аммония, частично замещающих ионы кальция. Ионы натрия имеют близкий ионный радиус к ионам кальция. Методика синтеза с введением натрия предложена в работе [163]. К раствору нитрата кальция (210 мМ) покапельно приливали раствор ортофосфата аммония (130 мМ) при непрерывном перемешивании в течение 4 ч при температурах от 3 до 90⁰С. К растворам добавляли бикарбонат натрия (0 - 640 мМ). Осадок старили в течение 24 ч, промывали и фильтровали [164]. Установлено существенное влияние температуры и содержания бикарбоната на морфологию кристаллизующихся частиц (от сферической при высоких его содержаниях до игольчатой - при низких). Превалирующий тип замещения зависит от содержания карбонат-ионов: при содержаниях СО₃^2- более 4 масс.% они предпочтительно занимают Б-позиции в структуре КГА.

КГА может быть получен из оксида кальция, кислого фосфата аммония и карбоната аммония в условиях твердо-жидкофазного взаимодействия [165]. Исходные ингредиенты в твердом состоянии смешивают в планетарной мельнице в расчетном соотношении, эквивалентном КГА заданной степени замещения. Затем к смеси добавляют воду и продолжают смешение в течение 30 мин. Смесь помещают в микроволновую печь (частота 2,45 ГГц, мощность 630 Вт) на 40 мин, поскольку известно ускоряющее воздействие микроволнового излучения на процесс синтеза КГА [166]. Продукт реакции подвергают термообработке на воздухе при 300⁰С для кристаллизации КГА.

Существует мнение, что компенсация дефицита заряда катионом щелочного металла или аммония при введении карбонат групп в положение Б не является обязательной [159]. Зарядовое соотношение может быть обеспечено в результате образования вакансий по кальцию в структуре КГА. Исходя из этой предпосылки, авторы работы [159] предложили метод синтеза КГА АБ-типа, в котором расчетное соотношение Са/Р a priori больше 1,67. Готовили суспензию 0,528 моля Са(ОН)₂ в 1 л деионизованной воды. Карбонат-группы вводили барботированием СО₂ через 0,75 л воды в течение 30 мин, при этом значение рН изменялось от 7 до примерно 4. К обработанной таким образом воде добавляли 0,3 моля Н₃РО₄ и доводили водой объем до 1 л. Фосфатно-карбонатный раствор покапельно вводили в суспензию гидроксида кальция при непрерывном перемешивании в течение 3 ч при комнатной температуре. Значение рН смеси был больше 9 за счет избытка Са(ОН)₂, поэтому не требовалось введения аммиака. После перемешивания в течение 2 ч смесь старили в течение суток, осадок отфильтровывали и сушили при 80⁰С.

Синтез КГА осаждением в жидкости, моделирующей внеклеточную жидкость организма (СБФ) и в присутствие мочевины (H₂NCONH₂), описан в работе [167]. В качестве исходных реагентов использовали Ca(NO₃)₂•4H₂O и (NH₄)₂HPO₄. Готовили 9,5М раствор мочевины в СБФ, который выдерживали при 85⁰С в течение суток. Добавлением аммиака значение рН раствора снижали с 9 до 7,4. Применяли 2 схемы осаждения. Согласно первой из них, 204 мл СБФ смешивали с приготовленным раствором мочевины, затем к раствору при 37⁰С добавляли 1,583 г (NH₄)₂HPO₄ и 5,1 г Ca(NO₃)₂•4H₂O. После перемешивания к смеси добавляли покапельно аммиак для доведения рН до 7,4 и обрабатывали ультразвуком. Осадок промывали и сушили при 80⁰С. Вторая схема отличалась от первой тем, что первоначально смешивали 148,9 мл 0,218М раствора Ca(NO₃)₂•4H₂O с 23 мл раствора мочевины, а затем к этой смеси прибавляли покапельно 211,4 мл 0,085М раствора (NH₄)₂HPO₄. Величину рН поддерживали на уровне 7,4 добавлением аммиака. Получены карбонат-содержащие ГА высокой термической стабильности. Полагают, что высокая ионность среды (СБФ), в которой проводится осаждение, способствует нуклеации осаждения апатита при столь низком значении рН.

В работе [168] проводили осаждение КГА в растворе, содержащем ионы Ti⁴⁺. Раствор 5,2 г Na₂HPO₄•7H₂O в 200 мл дист. воды прибавляли покапельно к раствору 14,5 г Ca(NO₃)₂•4H₂O в 200 мл дист. воды при 85-90⁰С. Карбонат-ионы вводили добавлением 0-5 мл 1М раствора NaHCO₃, ионы титана - покапельным, с малой скоростью (во избежание прямого гидролиза титана и формирования диоксида титана) прибавлением раствора NH₄TiF₆ концентрации 980 мг/л. Значение рН поддерживали на уровне 7,0 добавлением NaOH. После 2 часов осаждения температуру системы повышали до точки кипения и оставляли на 2 ч. Фильтрат сушили при 120⁰С на воздухе. Порошки имели пластинчатую морфологию с длиной пластин на уровне десятков нанометров и толщиной - менее 10 нм. Структура порошков - аморфизированная. Установлено, что титан оказывает дестабилизирующее действие на апатит.

Таким образом, существует множество способов синтеза карбонат-замещенных гидроксиапатитов, обеспечивающих возможность получения порошков различной морфологии, степени кристалличности и размеров. Важной проблемой для получения керамики из таких порошков является их термическая стабильность, существенно снижающаяся при введении карбонат-групп в структуру.

Синтез многокомпонентных фаз на основе гидроксиапатита

Повышение механических свойств многих керамических материалов достигается введением в керамическую матрицу добавок тонкодисперсного ZrO₂ тетрагональной модификации в сочетании со стабилизирующими эту фазу диоксида циркония добавками Y₂O₃, MgO, СеО₂ [169,170]. Эффект повышения прочности и трещиностойкости обусловлен мартенситным превращением частиц диоксида циркония из тетрагональной в моноклинную модификацию, происходящим с положительным дилатометрическим эффектом и создающим поля сжимающих напряжений в матрице. Обычно дисперсные частицы диоксида циркония вводят простым механическим смешением с матричным материалом.

В качестве альтернативы, В.П. Орловским с сотр. разработаны основы метода совместного осаждения ГА с диоксидом циркония [171,172]. Синтезированы смеси ГА с гидроксидами циркония, иттрия и алюминия, которые отличаются высокой дисперсностью, равномерным распределением осажденных компонентов. Из таких порошков, полученных прокаливанием смесей ГА и гидроксидов, формируют керамику с высокими механическими характеристиками.

Изучены условия совместного осаждения ГА и гидроксидов циркония, иттрия и алюминия в системах

CaCl₂ - Zr(OH)₂Cl₂ - (NH₄)₂HPO₄ - NH₃ - H₂O (40)

CaCl₂ - Zr(OH)₂Cl₂ -YCl₃- (NH₄)₂HPO₄ - NH₃ - H₂O (41)

CaCl₂ - AlCl₃ - (NH₄)₂HPO₄ - NH₃ - H₂O (42)

CaCl₂ - Zr(OH)₂Cl₂ - AlCl₃ - (NH₄)₂HPO₄ - NH₃ - H₂O (43)

методами растворимости (остаточных концентраций И.В.Тананаева) и измерения рН.

Системы изучали при постоянной концентрации (NH₄)₂HPO₄ (0,025 моль/л) и изменяющихся количествах ионов Са²⁺, Zr(OH)₂²⁺, Y³⁺, а также при различных рН. Отношение компонентов в исходных смесях n_исх.=CaCl₂:(NH₄)₂HPO₄=1,67-1,75 соответствует образованию гидроксиапатита кальция.

В результате изучения систем (40) и (41) (рН=10-11) найдены условия совместного осаждения ГА и гидроксидов циркония и иттрия. Состав выделенных твердых фаз соответствует общим формулам:

Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂.mZr(OH)₄.xH₂O, где m=0,2-1,2; x=6-9.(44)

Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂.m[Zr(OH)₄]_0,97[2Y(OH)₃]_0,03.xH₂O,(45)

Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂.m[Zr(OH)₄]_0,85[2Y(OH)₃]_0,15.xH₂O, где m=0,2-1,2; x=9; 12.(46)

При нагревании смешанных фаз ГА и гидроксидов циркония или гидроксидов циркония и иттрия до 900⁰С происходит постепенное удаление воды; ГA не разлагается и не взаимодействует с образующимися оксидами циркония и иттрия. Структура ГА полностью сохраняется.При прокаливании выделенных твердых фаз при 900⁰С образуются гомогенные смеси-фазы смешанного состава ГА и оксидов циркония, циркония и иттрия состава: Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂.mZrO₂, где m=0,2-1,2 и Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂.m[(ZrO₂)n(YO₃)_1-n], где m=0,2-1,2; n=0,85-0,97. Данные РФА показали, что во всех полученных прокаленных твердых фазах присутствует ГА (без примеси СаО и ТКФ) и ZrO₂ тетрагональной сингонии. Проведенный анализ данных ИК-спектроскопии показал, что соединения является монофосфатами, однако монофосфатные группы искажены, так как наблюдается существенное расщепление частот. При нагревании гидратированных соединений до 900⁰С исчезает только полоса деформационных колебаний воды при 1650 см^-1, полосы поглощения ОН^-- и РО₄^3--групп практически не изменяются.

С целью изучения условий совместного осаждения ГА и гидроксидов циркония и алюминия из водных растворов исследована система CaCl₂ - Zr(OH)₂Cl₂ - AlCl₃ - (NH₄)₂HPO₄ - NH₃ - H₂O (25⁰С). При рН=8,0-8,66 в растворе обнаруживается значительная часть ионов Са²⁺, не вошедших в состав осадка, а ионы РО₄^3-, Zr⁴⁺ и Al³⁺ отсутствуют. Отношение Са/Р в твердых фазах составляет 1,5, что соответствует образованию Са₃(РО₄)₂ при термической обработке. При увеличении рН до 8,86 и 9,0 отношение Са/Р в твердых фазах составляет 1,56-1,61. Это соответствует образованию фаз переменного состава, включающих гидроксиды циркония и алюминия и смесь двух фосфатов: трехкальциевого фосфата и ГА с увеличивающей долей последнего по мере возрастания рН. При рН=9,1-9,35 осаждаются гидроксиды циркония и алюминия, и фаза состава ГА. Составы твердых фаз характеризуются брутто-формулой Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂.qZr(OH)₄.qAl(OH)₃.xH₂O, где q=0,5-1,5. С увеличением количества введенного аммиака при рН>9,42 часть Al(OH)₃, ввиду амфотерности, переходит в раствор.

Выделенные из растворов смешанные твердые фазы рентгеноаморфны. После прокаливания (900⁰С) совместно осажденных осадков фосфатов кальция и гидроксидов циркония и алюминия образуются кристаллические безводные фазы суммарных составов Са₃(РО₄)₂.mZrO₂.0,5mAl₂O₃ (m=0,166-0,5), фазы переменного состава

nСа₃(РО₄)₂.(1-n)Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂.pZrO₂.0,5pAl₂O₃,

Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂.qZrO₂.sAl₂O₃ (q=0,5-1,5; s < 0,5q).

Рентгенофазовый анализ продуктов прокаливания (900⁰С) твердых фаз Са₃(РО₄)₂.0,5ZrO₂.0,25Al₂O₃ и Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂.1,5ZrO₂.0,75Al₂O₃ показывает, что в образцах наряду с ZrO₂ тетрагональной сингонии присутствуют в первом случае -Са₃(РО₄)₂, а во втором случае - Сa₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Рефлексы Al₂O₃ не обнаружены. Данные ИК-спектроскопии согласуются с результатами РФА. Таким образом, полученные продукты синтеза могут принципиально быть использованы для изготовления трансформационно-упрочненной керамики на основе ГА и ГА-ТКФ. Проблемой, однако, является возможная диффузия Са и фосфата в диоксид циркония при термической обработке, что может приводит к стабилизации кубической модификации диоксида циркония, для которой эффект трансформационного упрочнения не реализуется.