NO792730L - Fremgangmaate til fremstilling av en ikke-keramisk, krystallinsk whitlockitt - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte til.fremstilling av ikke-keramisk, - krystallinsk whitlockitt som i sitt krystallgitter inneholder 0,1-2,2 vekt% suifat-ion. Materia-

let er spesielt anvendbart i ortopedi.

På området bio-materialer har i den. senere tid megen forskning vært innrettet på fremstilling av bioforlikelige keramiske materialer, som kan benyttes som erstatning for ben.

Kalsiumfosfater som f.eks. whitlockitt (trikalsium-fosfat Ca^PO^^) som ^ s^ n kjemiske sammensetning har stor likhet med biologisk hardvev, er av spesiell interesse og har vært gjenstand for tallrike undersøkelser. Tidligere forsøk på å fremstille whitlockitt i makroform har vanligvis! omfattet pul-verpreparering og sammenpressing og sintring under trykk. De produkter som ble fremstilt, har vanligvis vært porøse og har manglet de styrke-egenskaper som forlanges av mange ortopedi-

,ske implantater. -

J.C.Heughebaert et.al., Bull. Soc. Chim.France, 2923-24 (1970), beskriver en- fremgangsmåte til fremstilling av whitlockitt som består i en hurtig' sammenblanding av støkiome-triske mengder kalsium- og fosfationer og separasjon av det resulterende utfelte materiale efterhvert som det dannes.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte til fremstilling av ikke-keramisk krystallinsk whitlockitt, fortrinnsvis i Ø-fasen, som i.sitt krystallgitter inneholder

.0,1-2,2 vekt% sulfat-ion, og fremgangsmåten erkarakterisertved at man omsetter kalsiumion med fosfation i et mol-forhold i området 1,2-1,5 : 1 i vandig medium ved en pH på 10-12 for-fremstilling av en gelatinøs utfelling av kalsiumfosfat med et mol-forhold mellom kalsium og fosfor i området 1,50-

1,53 : 1, skiller det .utfelte gelatinøse materiale fra oppløs-ningen, vasker det utfelte materiale fritt for oppløselige salter med vann, suspenderer det vaskede materiale■homogent i 1-3 vekt% vandig ammoniumsulfatoppløsning i en mengde på 10-20 ml pr. gram teoretisk forventet whitlockitt, skiller det utfelte materiale fra ammoniumsulfatoppløsningen, tørker materialet og oppvarmer det tørkede materiale i temperaturområdet 725-900°C i 0,5-4 timer.

Som beskrevet i detalj nedenfor, foreskriver fremgangsmåten ifølge•oppfinnelsen først utfelling av angjeldende kalsiumfosfat fra et vandig medium. Reaksjonen mellom kalsiumion og fosfation i vandig medium ér en kompleks- og ikke' fullstendig kjent prosess som vanligvis omfatter et antall likevektsreaksjoner med forskjellige hastigheter og som gir forskjellige produkter (Éanes ét al., Nature 208, 365 (1965) og Bett et al: J.Amer. Chem.Soc. 89y 5535 (1967)). Som mån kan vente, er resultatet

av slike reaksjoner sterkt påvirket av. støkiometri, dvs. mol-forholdet mellom' kalsium og fosfor (Ca/P), reaksjonstid, temperatur og pH. Ålment mener man at kalsium- og fosfationer først forbinder seg til uløselig kalsiumfattig apatitt med et forhold mellom kalsium og fosfor på ca. 1,5 - hvilket er støkio-metrisk korrekt for whitlockitt. Imidlertid synes apatittens krystallgitter å være den mest stabile forbindelse i kalsiumfosfat-systemet, og i nærvær av tilstrekkelig overskudd av kalsiumion. undergår den opprinnelige fellingen en langsom omforming til hydroksylapatitt med et forhold mellom kalsium og fosfor på 1,67 (Fanes e.t al. , supra) . Et mellomliggende forhold mellorri kalsium og fosfor, d.v.s. mellom 1,5 og 1,67, gir en blanding av whitlockitt og hydroksylapatitt når fellingen oppvarmes (Bel-gisk patentskrift 831 944). Det vises således tydelig at man,

for å få whitlockitt, må holde et forhold mellom kalsium og-fosfor på 1,5. Den.tilsynelatende enkle utvei, å omsette kalsium og fosfation i et mol-forhold. på 1,5:1, ble funnet ineffektiv for fremstilling av ren whitlockitt og ga i Stedet en blanding av whitlockitt. og hydroksylapatitt-. Selv ved å redusere forholdet mellom kalsiumion og fosfation til 1,2:1 frembragte man til slutt faktisk en blanding av whitlockitt

og hydroksylapatitt. Ved omsetning av kalsiumion med fosfation i henhold til whitlockitt-støkiometrien, d.v.s. Ca/P =

ca, 1,5, med øyeblikkelig isolering av den først dannede utfelling (J.C. Heughebart and G. Montel, Bull.Soc.Chim. France, 2923-2924 (1970)), hvorved man kunne forvente å hindre videre utjevning, lyktes det delvis å fremstille ren whitlockitt. Imidlertid fant. man at denne fremgangsmåte ikke lett lot seg reprodusere og var uegnet for kommersiell produksjon i'stor målestokk.

Nu har man oppdaget at tilsetting av en liten mengde sulfation til•kalsiumfosfatfellingen etterfulgt av oppsamling og dppvarmning, resulterer i fullstendig omdanning av sistnevnte til whitlockitt uten påviselig spor av hydroksylapatitt. Dessuten gir den påfølgende sintring av den ifølge oppfinnelsen fremstilte ikke-keramiske whitlockitt et materiale av høy kva-' litet.med overlegne fysiske og mekaniske egenskaper og som er

•vel. egnet som biologisk implanteringsmateriale.

Således utfelles Whitlockitt fra et vandig medium

ved å'omsette kalsiumion med fosfation ved pH 10-12. Hvilke som helst kalsium- eller fosfatholdige forbindelser som avgir kalsium- o.g fosfationer i vandig medium er egnet, forutsatt at de respektive motioner i nevnte forbindelser lett lar seg skille fra whitlockitt-produktet, ikke selv inkorporeres i whitlockitt-gitteret og heller ikke på annen måte forstyrrer utfellingen og isoleringen av whitlockitten. Forbindelser som frembringer kalsiumioner, er for eksempel kalsiumnitrat, kalsiumhydroksyd, kalsiumacetat og lignende. Fosfationer kan frembringes fra diammoniumhydrogenf osf at, ammoniumf osf at', fosforsyre og lignende. -I foreliggende fremgangsmåte foretrekkes kalsiumnitrat og diammoniumhydrogenf.osfat som kilder for henholdsvis kalsium-og fosfationer.

Førs.t får kalsiumnitrat og diammoniumhydrogenf osf at reagere sammen i et mol-forhold i området 1,2-1,5:1 i vandig løsning ved pH 1.0-12 for fremstilling av en gelatinøs utfelling av kalsiumfosfat. Temperaturen er ikke av avgjørende betydning, og fellingen kan foregå fra 0°C til 100°C, men utføres fortrinnsvis ved romtemperatur.. Den gelatinøse fellingen som derved frembringes, skilles fra løsningen, på egnet-måte, f.eks. ved sentrifugering og dekantering av den klare oppløsningen. Det gjenværende mineralslam kan vaskes fritt for gjenværende løselige salter ved suspendering i destillert vann, sentrifugering og dekantering av den klare oppløsning. Selv om sistnevnte trinn ikke er essensielt for fremgangsmåten, synes det dog å redusere sprekkdannelse hvis det 'ifølge oppfinnelsen .fremstilte ikke-keramiske produkt senere sintres. Det gjenstående produkt kan så suspenderes i en minimummengde destillert vann og lagres til fremtidig bruk. Omdannelse til krystallinsk whitlockitt.foretas ved først å suspendere mine-ralslammet homogent i en 1-3 vekt% ammoniumsulfatoppløsning. Herfor anvendes 10-20 ml av nevnte 1-3 vekt% ammoniumsulfat-oppløsning pr. gram teoretisk forventet whitlockitt-materiale. Tørrstoffet skilles så fra oppløsningen ved sentrifugering og vakuumf iltréring. Det ge'latinøse produkt som således oppsam-les, inneholder store mengder okkludert vann, hvorav meget kan fjernes ved pressing. Det resulterende våte, leire-lig-riende materiale skjæres eller formes til egnet' fasong elier kan også støpes i egnet form. Det foregår en krympning på

ca. 25% når det våte produkt tørkes. Hvis det ikke-keramiske produkt deretter sintres, skjer det ert ytterligere krympning på ca. 25% under sintringen.

I den kjemiske prosess som er beskrevet ovenfor, er det av betydning at forholdet mellom kalsium og fosfor i den isolerte utfelling svarer så nøye som mulig til whitlockittens teoretiske verdi, d.v.s. Ca/P = 1,50-, for å gi lavest mulig innhold av hydroksylapatitt.i nevnte utfelling og dermed redusere til et minimum den mengde.ammoniumsulfat som kreves for

.frembringelse av den hovedsakelig rene whitlockitt. Således vil, hvis forholdet mellom kalsium og fosfor i utfellingen er vesentlig høyere enn. 1,53, behandling med 1-3% ammoniumsulfat-løsning være utilstrekkelig for frembringelse av ren whitlockitt

og i stedet gi en blanding av whitlockitt og hydroksylapatitt'. En kalsiumfosfatutfelling med et forhold mellom kalsium og fosfor på mer énn 1,53 kan omdannes, fullstendig til whitlockitt ' ved anvendelse av større mengder ammoniumsulfat. Faktisk kan en utfelling av ren hydroksylapatitt (Ca/P=1,67) omdannes til whitlockitt ved anvendelse av tilstrekkelig store mengder ammoniumsulfåt. Imidlertid er den whitlockitt.som derved fremstilles, forurenset med betydelige mengder kalsiumsulfat og mangler de overlegne fysiske og mekaniske egen-skaper som opp-nås ifølge foreliggende oppfinnelse. For å sikre at forholdet mellom kalsium og fosfor ikke skal overskride 1,53 blandes følgelig kalsium- og fosfatsaltene i et mol-forhold på 1,5<:>1 eller mindre, fortrinnsvis 1,2-1,4:1. Den således fremstilte kalsiumfosfatutfelling har et forhold mellom kalsium og fosfor på 1,50-1,53-, og etterfølgende behandling med 1-3% ammonium-sulf atløsning (10-20 ml pr. gram teoretisk forventet whitlockitt) gir til slutt den i alt vesentlig rene whitlockitt.

I den kjémiske prosess som er beskrevet ovenfor, er det av avgjørende betydning /% h whitlockitten fremstilles som en gelatinøs utfelling fra vandig løsning, då det bare er i denne kohesive gelatinøse tilstand whitlockitt kan formes eller støpes og så tørkes og, om det ønskes, sintres til et keramisk legeme. Tørr, partikkelformet eller kornet whitlockitt kan ikke tilbakeføres til den kohesive gelatinøse tilstand. Hvis, for eksempel, pulverisert whitlockitt suspenderes i vann og filtreres, får man en ikke-kohesiv, partikkelform^k •filterkake som bare tørker og smuldrer og ikke kan formes og støpes, og heller ikke omdannes til et keramisk legeme.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse for fremstilling av ikke-keramisk/krystallinsk whitlockitt som i sitt krystallgitter inneholder 0,1-2,2 vekt% sulfation, omfatter de ovenfor beskrevne trinn for fremstilling av den tørkede kalsiumfosfat-utfelling og en påfølgende oppvarmning i området 7^-900°C, idet 725°C er den temperatur hvorved nevnte utfelling gjennomgår en fase.omdanning til krystallinsk v/hitlockitt, som vis.t ved dif f erensial-termisk analyse og røntgendif fraksjon, men under 900°C, slik at whitlockitten ikke begynner å siritre. Denne fremgangsmåte frembyr en enkel, pålitelig og rimelig metode for frembringelse av i'alt vesentlig ren (d.v.s. 97,2-99^9% ren) whitlockitt.

Oppfinnelsen illustreres ytterligere av følgende eksempel.

EKSEMPEL

En vandig løsning inneholdende 0,24 mol diammonium-hydrogenfosfat (235 ml av en 1,02 M løsning) ble bragt til pH = 11 med 150 ml konsentrert ammoniakk.. Ytterligere 600 ml vann ble tilsatt for å løse opp utfelt ammoniumfosfat. Den . resulterende løsning ble under omrøring tilsatt dråpevis i løpet av 0,5.time til en løsning inneholdende 356 ml 1,01 M vandig kalsiumnitrat (0,36 mol) (Ca/P. = 1,5) fortynnet med 350 .ml vann og på forhånd, justert til pH = 11 med 15 ml-konsentrert ammoniakkløsning. Omrøringen ble fortsatt en kort tid etter at tilsettingen var fullført, og den resulterende suspensjon fikk så stå natten over ved romtemperatur. Blandingen ble omrørt'kraftig i ca. 20 min. for igjen å'tilveiebringe en homogen suspensjon. En fjerdepart av suspensjonen ble uttatt og sentrifugert og den klare løsningen dekantert. Residuet ble suspendert i 200 ml 5 vekt% ammoniumsulfatoppløsning. Suspensjorten ble sentrifugert og den klare løsningen dekantert. Residuet ble frafiltrert.og tørket ved romtemperatur natten over-. Det resulterende tørkede materiale ble oppvarmet i l time ved 90.0°Cfor frembringelse av et produkt som ved. konven-sjonell rørttgendiffraksjonsanalyse ble vist å være l00%.3-whitlockitt.. (Nøyaktigheten for deri prosentvise sammensetning bestemt ved røntgendif f raks jon begrenses av dif f r,aktometerets nøyaktighet, d.v.s. ± 2%). Produktet hadde, et forhold mellom kalsium og fosfor (Ca/P) på 1,53 t 0,03 som vist ved standard elementæranalyse.

Uttrykket "krystallinsk" som her brukt er et' adjektiv som anvendes for å karakterisere et materiale eller et legeme med egenskaper•som et krystall, dvs. at atomene er arrangert regelmessig i et romgitter.- "Polykry-stallinsk" karakteriserer derfor et materiale eller et legeme som.omfatter en flerfoldighet av .krystaller. På den annen side. er betegnelsen "krystallitt" et substantiv som definerer en enkelt enhet, nemlig et enkelt korn i et polykrystallinsk legeme. En krystallitt kan ytterligere defineres.som en mikroskopisk, ufullstendig formet krystall- eller, alternativt, et mikroskopisk legeme' dannet i de tidlige krystalliserings-stadier.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av ikke-kéråmisk krystallinsk whitlockitt, fortrinnsvis i-3~ fasen, som i sitt. krystallgitter inneholder 0,1-2,2 vekt% sulfation, . karakterisert ved at man omsetter kalsiumion med fosfation i et mol-forhold.i området 1,2-1,5 : 1 i vandig medium ved eri pH på 10-12 for. fremstilling av en-gelatiriøs utfelling av kalsiumfosfat med et mol-forhold mellom kalsium og fosfor i området 1,50-1,53 : 1, skiller det utfelte gelatinøse mate-.',

   riåle fra oppløsningen, vasker det utfelte materiale fritt for oppløselige salter med,vann, suspenderer det vaskede mate- riale homogent i 1-^3 vekti vandig ammoniumsulfatoppløsning i en mengde på 10-20 ml pr. gram teoretisk forventet whitlockitt, skiller det utfelte materiale fra ammoniumsulfatoppløsningen, tørker materialet og oppvarmer det tørkede materiale i'tempera-turdmrådet 725-900°C i 0,5-4 timer.