PL222008B1

PL222008B1 - Modyfikowany nanokrystaliczny hydroksyapatyt oraz sposób otrzymywania modyfikowanego nanokrystalicznego hydroksyapatytu

Info

Publication number: PL222008B1
Application number: PL398434A
Authority: PL
Inventors: Joanna Kolmas; Marcin Sobczak; Wacław L. Kołodziejski
Original assignee: Univ Warszawski Medyczny
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2016-06-30
Also published as: PL398434A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest modyfikowany nanokrystaliczny hydroksyapatyt domieszkowany jonami selenianowymi o wzorze ogólnym 1, gdzie 0 < x < 2 i oznacza ilość selenu w postaci jonu selenianowego (IV) lub (VI) w modyfikowanym hydroksyapatycie a n oznacza odpowiednio 3 lub 4 oraz sposób otrzymywania modyfikowanego nanokrystalicznego hydroksyapatytu, który polega na tym, że do wodnego roztworu soli wapnia wkrapla się stopniowo roztwór soli ortofosforanu (V) oraz selenianu (IV) lub (VI) w ilościach stechiometrycznych. Wkraplanie prowadzi się przy ciągłym intensywnym mieszaniu, po zakończeniu wkraplania, uzyskaną zawiesinę intensywnie miesza się jeszcze przez 4-8 h utrzymując temperaturę z operacji wkraplania, następnie pozostawia bez mieszania w temperaturze pokojowej przez 24-48 h a uzyskany osad odsącza się, po czym uzyskany produkt rozdrabnia się.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest modyfikowany nanokrystaliczny hydroksyapatyt oraz sposób otrzymywania modyfikowanego nanokrystalicznego hydroksyapatytu mogącego znaleźć zastosowanie do wytwarzania syntetycznych biomateriałów, szczególnie materiałów kościozastępczych.

Hydroksyapatyt to krystaliczny ortofosforan(V) wapnia o wzorze ogólnym Ca10(PO4)6(OH)2. W inżynierii biomateriałowej od wielu lat stosowany jest do wytwarzania implantów ceramicznych oraz materiałów wypełniających ubytki kostne (materiałów kościozastępczych). Charakteryzuje się wysoką bioaktywnością, biozgodnością a także osteokonduktywnością.

Podstawowym składnikiem frakcji mineralnej tkanki kostnej a także tkanek zmineralizowanych zęba jest tzw. apatyt biologiczny. Intensywnie prowadzone badania wykazały, że jest to nanokrystaliczny hydroksyapatyt węglanowy zawierający szereg dodatkowych jonów, zarówno w swej strukturze, jak i na powierzchni kryształów. W tworzeniu syntetycznych biomateriałów dąży się więc do jak największego ich podobieństwa do apatytu biologicznego.

W ostatnich latach ogromne zainteresowanie budzi także łatwość przeprowadzania w apatytach różnych podstawień jonowych, a więc wprowadzania w ich strukturę różnorodnych jonów. Zadaniem tych jonów może być poprawa właściwości biologicznych, fizykochemicznych czy mechanicznych apatytu.

Selen jest jednym z najważniejszych mikroelementów i należy do niezbędnych składników diety człowieka. Jeszcze do niedawna uważany był jedynie za czynnik wysoce toksyczny i szkodliwy dla ludzkiego organizmu. Jednak wykazano, że zajmuje on istotne miejsce w przebiegu różnorodnych procesów metabolicznych, jest składnikiem selenoprotein oraz peroksydazy glutationowej, enzymu chroniącego błony komórkowe przed szkodliwymi czynnikami. Wiele prowadzonych badań wskazuje, że niedobór selenu może powodować zahamowanie wzrostu kości u szczurów, a także znaczne ich osłabienie. Może mieć on wpływ na zapobieganie powstawania nowotworów, jak również na hamowanie ich rozwoju. Udowodniono także jego korzystny wpływ na odpowiedź zapalną osteoblastów w przerzutach nowotworowych niektórych typów do kości.

Zawartość selenu w diecie w decydującym stopniu zależy od zasobności gleby w ten pierwiastek. Niestety znaczna część gleb jest uboga w selen. Nadmierne sztuczne nawożenie gleby oraz kwaśne deszcze w znacznym stopniu redukują pochłanianie selenu przez rośliny i zwierzęta. Ujemny wpływ na przyswajalność tego pierwiastka ma też zniszczenie pożywienia metalami ciężkimi. Dieta bogata w antyoksydanty w tym witamin E, A, C poprawia wchłanialność oraz wykorzystanie selenu w ustroju. Niedobór selenu w diecie może zaburzać funkcje obronne organizmu i objawiać się zwiększoną podatnością na infekcje, cięższym ich przebiegiem oraz wydłużeniem okresu zdrowienia. Zbyt mała ilość selenu jest odpowiedzialna za nasilenie procesów zwyrodnieniowych, reumatycznych, zapalnych, zwiększone ryzyko miażdżycy i chorób nowotworowych. Niedobór selenu sprzyja powstawaniu: depresji, miopatii, dystrofii i zwapnienia mięśni, zaburzeniom skurczu mięśnia sercowego, zwyrodnieniom naczyń krwionośnych, choroby Keshana, impotencji oraz ogólnemu spadkowi witalności. Obniżony poziom selenu stwierdzono w przebiegu chorób nowotworowych, łuszczycy, choroby wieńcowej, zawału serca, reumatoidalnego zapalenia stawów oraz prostaty. Selen zalecany jest do terapii wszystkich rodzajów trądziku, a także w chorobach grzybiczych (drożdżaki, Candida).

Zalecana dzienna minimalna dawka profilaktyczna selenu wynosi:

• 50 pg dla kobiet;

• 65 pg dla kobiet w ciąży;

• 75 pg dla kobiet karmiących;

• 70 pg dla mężczyzn;

Leczniczo w chorobie nowotworowej i w chemioterapii stosuje się najczęściej u dorosłych dawki 500-540 pg dziennie na około 60 kg masy ciała. U dzieci - odpowiednio mniejsze - przeliczeniowo około 90 pg na 10 kg masy ciała. Węglowodany w znaczący sposób zmniejszają przyswajalność selenu.

Z kolei nadmierne dawki selenu mogą po pewnym czasie stosowania wywołać zatrucie. Selen jest jednym z mikroelementów o najwęższym zakresie pomiędzy niedoborem w diecie a poziomem toksycznym dla ludzkiego organizmu. W związku z tym bardzo trudna jest jego suplementacja drogą doustną. Ponadto obliczenie ilości selenu, którą należy przyjmować jest trudne ze względu na nawyki żywieniowe pacjentów, a co za tym idzie podawanie selenu drogą doustną obciążone jest dużym ryzykiem braku efektu lub przedawkowania.

PL 222 008 B1

Opracowano wiele metod otrzymywania proszku hydroksyapatytowego. Są to między innymi metody mokre, suche, topnikowe, mechanochemiczne, hydrotermalne czy zol-żel.

Znane są także sposoby pozyskiwania takiego materiału ze źródeł pochodzenia naturalnego, np. tkanek kostnych zwierzęcych (przede wszystkim wołowej i wieprzowej), koralu czy kości niektórych gatunków ryb. Należy podkreślić, że wśród wyżej wymienionych sposobów otrzymywania apatytów najczęściej wykorzystywane są metody mokre, a więc oparte na reakcjach w roztworach wodnych.

Celem wynalazku jest zwiększenie bezpieczeństwa oraz skuteczności terapii selenem, zwłaszcza dla osób wymagających implantów kościozastępczych w chorobach nowotworowych kości.

Istotą wynalazku jest modyfikowany nanokrystaliczny hydroksyapatyt domieszkowany jonami selenianowymi o wzorze ogólnym 1:

Ca10-x(PO4)6-x(SeOn)x(OH)2-x Wzór 1 gdzie 0 < x < 2 i oznacza ilość selenu w postaci jonu selenianowego(IV) lub (VI) w modyfikowanym hydroksyapatycie a n oznacza odpowiednio 3 lub 4.

Podanie tak modyfikowanego nanokrystalicznego apatytu w materiale kościozastępczym, czy materiale implantacyjnym zwiększy jego korzystne właściwości. Oprócz standardowej funkcji rusztowania (hydroksyapatyt) dla nowotworzonej tkanki kostnej, powolne miejscowe uwalnianie selenu zapewni dodatkowe działanie hamujące rozwój nowotworu i zwiększy bezpieczeństwo oraz skuteczność terapii. Selen wprowadzony w postaci apatytu domieszkowanego będzie korzystnie działał na peroksydazę glutationową w komórkach (działanie antyoksydacyjne) przede wszystkim w miejscu zastosowania.

Sposób otrzymywania nanokrystalicznego hydroksyapatytu domieszkowanego selenem polega na metodzie mokrej. Do wodnego roztworu soli wapnia, korzystnie azotanu(V) lub chlorku wapnia, wkrapla się powoli mieszaninę roztworów wodnych: soli ortofosforanu(V), korzystnie wodoroortofosforanu(V) amonu oraz soli selenianu(IV), korzystnie selenianu sodu lub soli selenianu (VI), korzystnie selenianiu sodu, amonu lub potasu. Ilości odczynników są dobrane stechiometrycznie, zgodnie ze wzorem ogólnym 1:

₃

Stosuje się roztwory wodne o stężeniach 0,1-0,3 mol/dm . Roztwory po sporządzeniu doprowadza się do odczynu pH « 8-9, korzystnie za pomocą roztworu amoniaku. Wkraplanie prowadzi się przy ciągłym intensywnym mieszaniu i utrzymywaniu pH roztworu. Reakcję prowadzi się w temperaturze od pokojowej do 70°C. Po zakończeniu wkraplania uzyskaną zawiesinę intensywnie miesza się jeszcze przez 4-8h, a następnie pozostawia bez mieszania w temperaturze pokojowej przez 24-48h. Uzyskany osad oddziela się od roztworu, korzystnie odsącza się pod zmniejszonym ciśnieniem, wielokrotnie przepłukując osad wodą destylowaną w celu odmycia nadmiaru amoniaku, aż do momentu uzyskania obojętnego odczynu przesączu. Następnie otrzymany osad suszy się, korzystnie w temperaturze 70°C przez 12-24 h. Uzyskany materiał rozdrabnia się. Tak otrzymany materiał może być poddany kalcynacji w temperaturze 100-800°C.

W badaniach fizykochemicznych (m. in. dyfraktometria proszkowa XRD, spektroskopia w średniej podczerwieni, czy mikroskopia elektronowa) potwierdzono otrzymanie nanokrystalicznego hydroksyapatytu domieszkowanego jonami selenianowymi(IV) lub (VI).

P r z yk ł a d 1

Otrzymywanie nanokrystalicznego hydroksyapatytu domieszkowanego jonami selenianowymi(IV) o zawartości selenu około 3%.

7,08 g Ca(NO3)2 • 4H2O umieszcza się w kolbie okrągłodennej i rozpuszcza się w ok. 150 ml wody destylowanej. Roztwór doprowadza się do odczynu alkalicznego (pH « 9) za pomocą roztworu ₃ amoniaku (o stężeniu 3 mol/dm³). Kolbę z roztworem umieszcza się na mieszadle magnetycznym z funkcją grzania. Roztwór podgrzewa się do ok. 60°C intensywnie mieszając 2,31 g (NH4)2HPO4 rozpuszcza się w zlewce w ok. 60 ml wody destylowanej. Do roztworu dodaje się 0,33 g Na2SeO3 • • 5H₂O i intensywnie miesza do rozpuszczenia. Otrzymany roztwór doprowadza się do pH « 9 roztwo₃ rem amoniaku (o stężeniu 3 mol/dm³), a następnie umieszcza się go w biurecie. Roztwór w biurecie wkrapla się powoli do kolby z roztworem soli wapnia stale kontrolując i utrzymując pH powyżej 8. Podczas operacji wkraplania zawiesinę w kolbie intensywnie miesza się. Po zakończeniu operacji wkraplania

PL 222 008 B1 utrzymuje się zadaną temperaturę (ok. 60°C) oraz mieszanie jeszcze przez 4 h. Następnie wyłącza się ogrzewanie oraz mieszadło i otrzymaną zawiesinę pozostawia w temperaturze pokojowej przez 48 h. Po tym czasie przesącza się pod zmniejszonym ciśnieniem otrzymany osad przy użyciu zestawu ze spieku szklanego oraz membrany filtracyjnej o wielkości porów do 45 gm. Podczas sączenia osad płucze się intensywnie wodą destylowaną w celu usunięcia nadmiaru amoniaku (aż do uzyskania obojętnego odczynu przesączu). Następnie sączek z osadem przenosi się na szkiełko zegarkowe i suszy się w suszarce w ok. 70°C przez 12 h. Uzyskany osad przenosi się do moździerza agatowego i delikatnie rozdrabnia.

Poniżej zamieszczony jest dyfraktogram proszkowy uzyskanego osadu oraz widmo w średniej podczerwieni. Na dyfraktogramie widoczne są szerokie refleksy odpowiadające słabo krystalicznemu hydroksyapatytowi. Parametry komórki elementarnej (a = 9,445; c = 6,869) wskazują na wbudowanie się jonu selenianowego(IV) w strukturę hydroksyapatytu. Dla porównania, parametry komórki elementarnej hydroksyapatytu nie zawierającego selenu, a otrzymanego w tych samych warunkach wynoszą odpowiednio: a = 9,427 oraz c = 6,873. Na widmie FTIR widoczne są pasma charakterystyczne dla -1 hydroksyapatytu (pasma drgań grup fosforanowych v1+v3 w zakresie 1200-900 cm^-1, v4 w zakresie -1 -1 -1 -1

650-500 cm^-1 oraz pasmo drgań strukturalnych grup OH przy 3570 cm^-1). Przy 763 cm^-1 oraz 832 cm^-1 występują pasma drgań grup selenianowych(IV). Dla porównania, w Na2SeO3 • 5H2O występują one -1 odpowiednio przy 725 i 788 cm^-1. Różnice w odpowiednich liczbach falowych wskazują na wprowadzenie anionów selenianowych(IV) do sieci krystalicznej apatytu.

Zawartość selenu w otrzymanym hydroksyapatycie wyznaczona metodą atomowej spektroskopii absorpcyjnej (ASA) wynosi 2,76% masowych.

Rysunek 2. Widmo w średniej podczerwieni (technika transmisyjna, z tabletki w KBr) materiału otrzymanego w syntezie z przykładu 1.

PL 222 008 B1

Pr zyk ła d 2

Otrzymywanie nanokrystalicznego hydroksyapatytu domieszkowanego jonami selenianowymi(VI) o zawartości selenu około 6%.

7,08 g Ca(NO3)2 • 4H2O umieszcza się w kolbie okrągłodennej i rozpuszcza się w ok. 150 ml wody destylowanej. Roztwór doprowadza się do odczynu alkalicznego (pH « 9) za pomocą roztworu ₃ amoniaku (o stężeniu 3 mol/dm³). Kolbę z roztworem umieszcza się na mieszadle magnetycznym z funkcją grzania. Roztwór podgrzewa się do ok. 50°C intensywnie mieszając. 2,24 g (NH4)2HPO4 rozpuszcza się w zlewce w ok. 60 ml wody destylowanej. Do roztworu dodaje się 0,49 g Na2SeO4 i intensywnie miesza do rozpuszczenia. Otrzymany roztwór doprowadza się do pH « 9 roztworem ₃ amoniaku (o stężeniu 3 mol/dm³), a następnie umieszcza się go w biurecie. Roztwór w biurecie wkrapla się powoli do kolby z roztworem soli wapnia stale kontrolując i utrzymując pH powyżej 8. Podczas operacji wkraplania zawiesinę w kolbie intensywnie miesza się. Po zakończeniu operacji wkraplania utrzymuje się zadaną temperaturę (ok. 50°C) oraz mieszanie jeszcze przez 4 h. Następnie wyłącza się ogrzewanie oraz mieszadło i otrzymaną zawiesinę pozostawia się w temperaturze pokojowej przez 48 h. Po tym czasie przesącza się pod zmniejszonym ciśnieniem otrzymany osad przy użyciu zestawu ze spieku szklanego oraz membrany filtracyjnej o wielkości porów do 45 μm. Podczas sączenia osad płucze się intensywnie wodą destylowaną w celu usunięcia nadmiaru amoniaku (aż do uzyskania obojętnego odczynu przesączu). Następnie sączek z osadem przenosi się na szkiełko zegarkowe i suszy się w suszarce w ok. 70°C przez 12 h. Uzyskany osad przenosi się do moździerza agatowego i delikatnie rozdrabnia.

Poniżej zamieszczony jest dyfraktogram proszkowy uzyskanego osadu oraz widmo w średniej podczerwieni. Na dyfraktogramie widoczne są szerokie refleksy odpowiadające słabo krystalicznemu hydroksyapatytowi. Parametry komórki elementarnej (a = 9,435; c = 6,870) wskazują na wbudowanie się jonu selenianowego(VI) w strukturę hydroksyapatytu. Dla porównania, parametry komórki elementarnej hydroksyapatytu nie zawierającego selenu, a otrzymanego w tych samych warunkach wynoszą odpowiednio: a = 9,427 oraz c = 6,873. Na widmie FTIR widoczne są pasma charakterystyczne dla -1 hydroksyapatytu (pasma drgań grup fosforanowych v₁+v₃ w zakresie 1200-900 cm^- , v4 w zakresie -1 -1 -1

650-500 cm^-1 oraz pasmo drgań strukturalnych grup OH przy 3570 cm^-1). Przy 911 cm^-1 występuje mało intensywne pasmo drgań grup selenianowych(VI). Dla porównania w Na2SeO4 występuje ono przy 890 cm^-1. Różnica w liczbach falowych wskazuje na wprowadzenie anionów selenianowych(VI) do sieci krystalicznej apatytu.

Zawartość selenu w otrzymanym hydroksyapatycie wyznaczona metodą ASA wynosi 5,83% masowych.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Modyfikowany nanokrystaliczny hydroksyapatyt domieszkowany jonami selenianowymi o wzorze ogólnym 1:

Ca10-x(PO4)6-x(SeOn)x(OH)2-x Wzór 1 gdzie 0 < x < 2 i oznacza ilość selenu w postaci jonu selenianowego(IV) lub (VI) w modyfikowanym hydroksyapatycie a n oznacza odpowiednio 3 lub 4.
2. Sposób otrzymywania modyfikowanego nanokrystalicznego hydroksyapatytu domieszkowanego jonami przy zastosowaniu metody mokrej, znamienny tym, że do wodnego roztworu soli wapnia wkrapla się stopniowo roztwór soli ortofosforanu(V) oraz selenianu(IV) lub (VI) w ilościach stechiometrycznych, zgodnie ze wzorem 1:

Ca10-x(PO4)6-x(SeOn)x(OH)2-x Wzór 1 gdzie 0 < x < 2 i oznacza ilość selenu w postaci jonu selenianowego(IV) lub (VI) w modyfikowanym hydroksyapatycie a n oznacza odpowiednio 3 lub 4, wkraplanie prowadzi się przy ciągłym intensywnym mieszaniu w temperaturze od pokojowej do 70°C, po czym po zakończeniu wkraplania, uzyskaną zawiesinę intensywnie miesza się jeszcze przez 4-8 h utrzymując temperaturę z operacji wkraplania, następnie pozostawia bez mieszania w temperaturze pokojowej przez 24-48 h, a uzyskany osad odsącza się, po czym uzyskany produkt rozdrabnia się, przy czym roztwory wodne po sporządzeniu doprowadza się do odczynu pH « 8-9 i odczyn zasadowy utrzymuje się również w czasie wkraplania.
3. Sposób według zastrz.2, znamienny tym, że uzyskany produkt poddaje się kalcynacji w temperaturze 100-800°C.
4. Sposób według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że otrzymany osad płucze się wielokrotnie wodą destylowaną do uzyskania obojętnego odczynu przesączu.