DE69728554T2

DE69728554T2 - Verfahren zur herstellung einer hydroxylapatit-suspension

Info

Publication number: DE69728554T2
Application number: DE69728554T
Authority: DE
Inventors: Vsevolod Nikolaevich Rudin; Viktor Evgenievich Bozhevolnov; Vladislav Petrovich Zuev; Vladimir Fedorovich Komarov; Igor Vitallevich Melikhov; Vladimir Vasillevich Minaev; Andrei Yurlevich Orlov
Original assignee: AKTSIONERNOE OBSCESTVO ZAKRYTO; Aktsionernoe Obscestvo Zakrytogo Tipa "ostim"
Current assignee: AKTSIONERNOE OBSCESTVO ZAKRYTO; Aktsionernoe Obscestvo Zakrytogo Tipa "ostim"
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: ES2221954T3; AU4719997A; EP0938449B1; RU2122520C1; WO1998018719A1; EP0938449A1; DE69728554D1; US6254855B1

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung beschäftigt sieh mit einer Hydroxylapatit-Zusammensetzung mit einer homogenen Konzentration im Bereich von 7% bis 96%. Die Erfindung befasst sich auch mit einem Verfahren zur Herstellung von Hydroxylapatit-Zusammensetzungen und Produkten, die Hydroxylapatit-Zusammensetzungen enthalten, sowie seine Verwendung in speziellen Anwendungen.
Hydroxylapatit (HAP) kann in der Medizin als Zahnersatzmaterial, prophylaktisches Additiv in Zahnpasten und medizinischen Lösungen, Kaugummis, als Sorptionsmittel für medizinische Präparate und verschieden organische und anorganische Verbindungen, in Materialien für die Stomatologie und Knochenchirurgie und als Füllmaterial oder Sorptionsmittel für die Gas-Flüssig-Chromatographie eingesetzt werden.
Stand der Technik
Aufgrund der Einsatzbereiche von Hydroxylapatit wurde die Verfügbarkeit von reinem HAP, das frei von anderen Kalziumphosphaten ist, zu einem Haupterfordernis. Weiterhin wurde es höchst erwünscht, HAP nicht nur in Pulverform, sondern als eine Suspension oder Paste einer vorbestimmten Zusammensetzung herzustellen.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Hydroxylapatit basiert auf dem Mischen einer Suspension von Kalziumhydroxid mit einer wässrigen Lösung von Phosphorsäure, wobei entweder das Reaktionsprodukt beider Komponenten oder die Mischung einer Mahloperation unterzogen wurden, die eine mechanisch-chemische Aktivierung der Reagenzien sichert. Nach diesem Verfahren können als Mahlvorrichtung Mühlen und Quetschen verschiedener Arten als Mahlvorrichtung mit Mediumglaskugeln, Aluminiumkugel und dergleichen Mahlvorrichtung verwendet werden. Nach diesem Verfahren wird Hydroxylapatit hauptsächlich mit großen Kristallen produziert.
Dieses Verfahren erlaubt es nicht, ziemlich reines Hydroxylapatit herzustellen, und es ist weiterhin praktisch unmöglich, Suspensionen und Pasten aus Hydroxylapatit mit großen Kristallen zu gewinnen (Japanisches Patent Nr. 62-43524, 1987).
Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxylapatit bekannt, und zwar aus der RU-Patentanmeldung 93012609/26 vom 9. März 1993, die den technischen Hintergrund der Erfindung darstellt. Nach diesem Verfahren wird eine Suspension von Kalziumhydroxid mit Phosphorsäure in einer geschlossenen Mehrfachleitung zur Reaktion gebracht, wodurch die Suspension von Kalziumhydroxid durch zwei Zonen geführt wird. In der ersten Zone wird eine kontinuierliche Zufuhr von Phosphorsäure in einer Menge durchgeführt, die für pH = 10–11 notwendig ist. Die Suspensions-Flussrate in der ersten Zone beträgt 0,8 m/s bis 1,5 m/s und die Verweilzeit beträgt 1,0 s bis 1,5 s. In der zweiten Zone wird die erhaltene Mischung 400 bis 500fach mit einer Suspension von Kalziumhydroxid gelöst. Die gelöste Mischung wird der ersten Zone wieder zugeführt und das Verfahren wird wiederholt, wodurch eine vier- bis fünffache Zirkulation des gesamten Volumens der Mischung während 10 bis 20 Minuten sichergestellt ist. Nach Beendigung der Zugabe von Säure wird die erhaltene Suspension des Produktes gerührt über weitere 10 bis 12 Minuten. Die sich ergebende Suspension von Hydroxylapatit besitzt eine Konzentration von 4,5% bis 5%. Zusätzlich kann die Suspension getrocknet werden, um ein festes Hydroxylapatit zu erhalten, oder kann durch Zentrifugieren entwässert werden, um eine Suspension von Hydroxylapatit zu erhalten, die eine Konzentration von 18% bis 33% aufweist.
Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung eines reinen Produktes mit einer gewünschten Zusammensetzung und die Ausbeute beträgt 99,5% bis 99,8% des theoretischen Wertes und erhöht die technologische Anpassungsfähigkeit des Verfahrens.
Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht jedoch darin, dass eine Suspension mit homogener Konzentration nicht erhalten werden kann.
Die Gewinnung von hochkonzentrierten Suspensionen von mehr als 18% ist zeitraubend, erfordert grossvolumige Geräte und die Produktion einer Suspension mit einer Konzentration über 33% ist praktisch nicht möglich.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Suspension von Hydroxylapatit mit irgendeiner notwendigen Konzentration zu erzeugen, d. h. entweder weniger als 18% oder mehr als 33%, wie auch Pasten von Hydroxylapatit mit einer homogenen Konzentration der Zusammensetzung.
Erfindungsgemäß wird eine Hydroxylapatit (HAP) Zusammensetzung geschaffen, bei der die Abmessungen der Hydroxylapatit-Partikel eine Breite von 0,01 ìm bis 0,02 ìm und eine Länge von 0,05 ìm bis 0,1 ìm haben, und wobei die Zusammensetzung eine homogene Konzentration im Bereich von 39,9% bis 45% oder von 46% bis 96% aufweist.
Die bevorzugten Konzentrationsbereiche sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben. Die Zusammensetzung kann in der Form einer Suspension oder einer Paste vorliegen.
Die erfindungsgemäßen Hydroxylapatit (HAP) Zusammensetzungen gehen von einer Suspension von Hydroxylapatit mit einer Konzentration von 4,5% bis 5,0% aus, die vorzugsweise gemäß dem Verfahren nach der genannten russischen Patentanmeldung erhalten werden kann. Erfindungsgemäß wird eine derartige Suspension abwechselnd dem Rühren und der Filtration unterworfen, wobei das Rühren mit einer Rate von 0,8 m/s bis 3,0 m/s über fünf bis 25 Minuten hindurch ausgeführt wird und jede Stufe zunehmende homogene Konzentrationen von Hydroxylapatit aufgrund der ansteigenden Rührraten und/oder -zeiten liefert. Somit können Suspensionen mit Konzentrationen von 7% bis 20% in einer ersten Stufe, 21% bis 34% in einer zweiten Stufe, 35% bis 45% in einer dritten Stufe, 46% bis 62% in einer vierten Stufe und 63% bis 75% in einer fünften Stufe erhalten werden.
Die Ausbeute des Endproduktes wird von jeder Stufe gebildet, sobald die notwendige Konzentration erreicht ist.
Das Verfahren basiert auf den mechanisch-strukturellen thixothropischen Eigenschaften eines dispergierten Systems von Hydroxylapatit und besteht darin, reversible Sol-Gel-Übergänge zu bewirken, die üblicherweise unter mechanischer Belastung durch Druckmittel auftreten.
Es ist sinnvoll, hervorzuheben, dass der Wechsel der strukturellen, mechanischen, d. h. thixotropischen Eigenschaften dispergierter Systeme von der Größe und Form der dieses System bildenden Partikel abhängt. In groben dispergierten Systemen (Partikelgrößen von 1 ìm und größer) reicht die Anzahl der Koagulationskontakte nicht aus, um ein Sol zu erzeugen und und Sol-Gel-Übergänge durch mechanische Belastung zu bewirken. Daher führt die mechanische Behandlung von Suspensionen mit Partikelgrößen von 1 ìm und größer praktisch nicht zu einer Änderung der rheologischen Eigenschaften.
Die Abmessungen der Partikel, die bei der Synthese von Hydroxylapatit (HAP) benutzt werden, beträgt 0,01 ìm bis 0,02 ìm an Breite und 0,05 ìm bis 0,1 ìm an Länge, was die Verwendung der thixotropischen Eigenschaften der erzeugten HAP-Suspension und die Entwiciklung eines Verfahrens erlaubt, das speziell solche Suspensionen konzentriert. Die erwähnten Abmessungen und Formen der Partikel des Ausgangs-Hydroxylapatits begünstigen die Bildung von Koagulationsstrukturen aufgrund der Kohäsion der Partikel durch Van-der-Waals-Kräfte, die auf Verbindungen, Ketten, räumlichen Netzen, den Umgebungen der primären Partikel, ihrer Ketten und Aggregate zurückzuführen sind. Die Zentren der Punktkontakte treten an den Enden der Partikel auf. Daher ist eine anisometrische, speziell balkenartige Form der Partikel für die Ausbildung solcher Strukturen günstig. Das erwähnte Verhältnis zwischen Breite und Länge der Partikel der Ausgangs-HAP erfüllt dies Forderung. Solche Systeme sind imstande, reversible Sol-Gel-Übergänge zu durchlaufen, d. h. ihre Struktur wiederholt zu bilden und zu zerstören.
Es wurde gefunden, dass während eines Rührens der Suspension mit einer Konzentration von 4,5% bis 5% in Abhängigkeit von der Intensität und der Dauer des Rührens eine teilweise oder vollständige Zerstörung ihrer Struktur mit dem Übergang von dem Sol in ein Gel eintritt. Nachfolgende Filtration des Hydrogels resultiert in einer teilweisen Separierung des Lösungsmittels (Wasser), wodurch das dispergierte System bis zu 7% bis 20% konzentriert wird und in dem Übergang vom Gel in das Sol, das eine Raumstruktur und Stabilität auf Kosten der Kohäsion und Aggregation der Partikel der dispersen Phase bildet, ihre weitere Filtration und Konzentration verhindert wird.
Während des weiteren Rührens wird die gebildete stabile Raumstruktur je nach Intensität und Dauer des Rührens wieder teilweise oder vollständig zerstört mit der Bildung eines Gels. Die nachfolgende Filtration des Hydrogels führt zu einer teilweisen und gestuerten Separierung von Wasser, wobei das disperse System bis zu einer Konzentration von 21% bis 34% konzentriert und das Gel in ein raumstrukturiertes und stabiles Sol übergeführt wird, das seine weitere Filtration und Konzentration praktisch verhindert. Der gleiche Prozess tritt in allen nachfolgenden Stufen der Konzentration der Suspension auf. Die Anzahl von Stufen variiert je nach der Notwendigkeit, eine Suspension einer vorgegebenen und erforderlichen Konzentration zu gewinnen.
Aus dem Vorstehenden sieht man, dass die Konzentration einer Suspension bei jeder Stufe des Verfahrens ein bestimmender Umstand ist. Zur Einstellung einer gewünschten Konzentration ist es notwendig, die speziellen Bedingungen an der Stufe des Rührens, beispielsweise Rate und Zeitdauer, einzustellen, die ihrerseits von der Art der verwendeten Vorrichtung abhängt, beispielsweise ein Tank mit einem Agitator, einer Vibrationsmühle, Vibratoren mit variablen Wiederholungen und Amplitude und so weiter, so wie von seinem Volumen. Diese Parameter werden so gewählt, dass in jedem Fall eine Suspension der gewünschten Konzentration gewonnen wird.
Das Verfahren wird durch das folgende Beispiel erläutert.
Beispiel 1
554,6 g wasserfreies Kalziumoxid wird in einen Reaktor eingegeben, der destilliertes Wasser von Umgebungstemperatur enthält, und destilliertes Wasser wird solange zugegeben, bis sich ein fest/flüssig-Verhältnis von S : L = 1 : 35 ergibt. In einem separaten Tank werden Kalziumhydroxid und die Phosphorsäure in einer Menge zugegeben, die für einen pH-Wert von 10 erforderlich ist. Die Aufenthaltszeit der Mischung in diesem Tank beträgt 1,0 s (die erste Zone).
Danach wird die Mischung der Reaktionsprodukte in den zweiten Tank gegeben (die zweite Reaktionszone), in welchem sie mit einer Suspension von Kalziumhydroxid 400fach verdünnt wird. Das vollständige Volumen der Mischung, die Kalziumhydroxid und Hydroxylapatit enthält, wird in einer geschlossenen Leitung in Umlauf gebracht, die die erste und zweite Zone miteinander verbindet. Der Umlauffaktor beträgt 4. Danach wird die Zugabe von Phosphorsäure in die erste Zone beendet und die Suspension wird 10 Minuten lang gerührt.
Als ein Ergebnis wird das reine stöchiometrische Hydroxylapatit in Suspensionform frei von Beimischungen und mit einer Hydroxylapatit-Konzentration von 4,0% bis 5,0% erhalten. Das Ca/P Verhältnis beträgt 1,67 in der hergestellten Probe. Der spezifische Oberflächenbereich beträgt 100 m²/g. Die Abmessungen der HAP Kristalle betragen 0,01 ìm bis 0,02 ìm in der Breite und 0,05 ìm bis 0,1 ìm in der Länge.
Die gewonnene Suspension wird dann 7 Minuten lang gerührt, wobei die Suspensionsflussrate gleich 0,8 m/s ist. Bei Filtration wird eine Suspension (Paste) mit einer Konzentration von 14,8% erhalten. Danach wird die Suspension 10 Minuten lang mit einer Suspensionsflussrate von 1,2 m/s gerührt und filtriert, bis eine Suspension (Paste) mit einer Konzentration von 26,6 erhalten wird. Dann wird diese Suspension erneut mittels Agitation über 10 Minuten bei einer Suspensionsflussrate von 2 m/s verflüssigt und filtriert, um eine Suspension (Paste) mit einer Konzentration von 39,9% zu erhalten. Die erzeugte Paste zeigt eine homogene Zusammensetzung und homogene Eigenschaften.
Die Bedingungen für die Erzeugung von Suspensionen unterschiedlicher Konzentrationen kann anhand der folgenden Tabelle erläutert werden, bei welcher t die Behandlungszeit der Suspension in Minuten, v die Rührrate in m/s, C die Konzentration der HAP Suspension, basierend auf dem Gehalt an fester Phase in Prozent, No die Chargennummer und YP die Ausbeute des Endproduktes bei der speziellen Stufe der Suspensionsverarbeitung bedeuten.
Der Bereich der Agitationsrate wird durch den Aggregationsgrad einer Suspension sowie durch ihre Konzentration bestimmt. Bei Agitationsraten unterhalb von 0,8 m/s findet die Zerstörung des Sols praktisch nicht statt, selbst für Suspensionen mit einer Anfangskonzentration von 4% bis 5% HAP. Bei Raten über 3,0 m/s tritt das Einfangen von Luftblasen und eine Belüftung der Suspension ein, was die Produktqualität nachteilig beeinträchtigt und zusätzliche Operationen zu deren Austreibung erfordert.
Die Erfindung ermöglicht die Schaffung von Suspensionen (Pasten) von Hydroxylapatit mit einer Zusammensetzung, die durch den Anwendungsbereich derselben bestimmt ist. Suspensionen (Pasten) von Hydroxylapatit besitzen eine verbesserte Qualität. Eine Auswahl des Produkts bei irgendeiner Stufe ermöglicht die Herstellung von Suspensionen oder Pasten über einen großen Bereich von Konzentrationen von 7% bis 96%, wobei die gewonnenen Pasten eine homogene Zusammensetzung besitzen, die wesentlich leichtere Bedingungen für ihre Anwendung und Behandlung besitzen.

Claims

Hydroxylapatit (HAP)-Zusammensetzung, bei der die Hydroxylapatit-Partikel eine Breite von 0,01 μm bis 0,02 μm und eine Länge von 0,05 μm bis 0,1 μm haben, und wobei die Zusammensetzung eine Konzentration im Bereich von 46% bis 96% besitzt und eine homogene Konzentration aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 mit einer Konzentration an HAP zwischen 46% bis 62%.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 mit einer Konzentration an HAP zwischen 63% bis 75%.
Hydroxylapatit (HAP)-Zusammensetzung, bei der die Hydroxylapatit-Partikel eine Breite von 0,01 μm bis 0,02 μm und eine Länge von 0,05 μm bis 0,1 μm haben, und wobei die Zusammensetzung eine Konzentration im Bereich von 39,9 bis 45% besitzt und eine homogene Konzentration aufweist.
Zusammensetzung nach Ansprüchen 1 bis 4 in der Form einer Suspension.
Zusammensetzung nach Ansprüchen 1 bis 4 in der Form einer Paste.
Verfahren zur Gewinnung von Hydroxylapatit-Zusammensetzungen, bei denen die Partikel eine Breite von 0,01 μm bis 0,02 μm und eine Lange von 0,05 μm bis 0,1 μm haben und die vorherbestimmbare homogene Konzentration zwischen 7% bis 96% reicht, wobei als Ausgangsmaterial eine 4% bis 5%-ige wässrige Zusammensetzung von Hydroxylapatit (HAP) Partikeln mit einer Breite von 0,01 μm bis 0,02 μm und eine Länge von 0,05 μm bis 0,1 μm abwechselnd Rühr- und Filtrationsstufen unterworfen wird, wobei das Rühren mit einer Geschwindigkeit von 0,8 m/s bis 3,0 m/s über 5 Minuten bis 25 Minuten ausgeführt wird, und wobei jede Stufe dadurch ansteigende homogene Konzentrationen von HAP durch ansteigende Rührgeschwindigkeiten und/oder Zeiten zeigt.
Zahnersatzmaterial, welches als eine Komponente eine Hydroxylapatit-Zusammensetzung nach den Ansprüchen 1 bis 6 aufweist.
Zahnpasta, welche als eine Komponente eine Hydroxylapatit-Zusammensetzung nach Ansprüchen 1 bis 6 aufweist.
Kaugummi, das als eine Komponente. eine Hydroxylapatit-Zusammensetzung entsprechend Ansprüchen 1 bis 6 aufweist.
Sorptionsmittel für die Gas-Flüssigkeits-Chromatographie enthaltend eine Hydroxylapatit-Zusammensetzung nach den Ansprüchen 1 bis 6.
Verwendung einer Zusammensetzung nach Ansprüchen 1 bis 6 oder erhalten durch das Verfahren nach Anspruch 7 zur Gewinnung eines im Bereich der Stomatologie zu verwendenden Präparats.
Verwendung einer Zusammensetzung nach Ansprüchen 1 bis 6 oder erhalten durch das Verfahren nach Anspruch 7 zur Gewinnung eines in der Knochenchirurgie zu verwendenden Präparats.