DE69825156T2

DE69825156T2 - Mineralien und verfahren zu deren herstellung und verwendung

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Publication number: DE69825156T2
Application number: DE69825156T
Authority: DE
Inventors: S. Ronald SAPIESZKO; M. Erik ERBE
Original assignee: Vita Special Purpose Corp
Current assignee: Vita Special Purpose Corp
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: JP4987655B2; US20020039552A1; EP0980338B1; ATE271523T1; EP0980338A4; EP0980338A1; ZA9711219B; TW442440B; CA2278176A1; ES2226094T3; US5939039A; AU730352B2; KR20000070171A; US6969501B2; US6325987B1; AU5913798A; CA2278176C; PT980338E; JP2008050260A; DE69825156D1

Description

Diese Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Mineralen, insbesondere von Phosphor-enthaltenden Mineralen, die so hergestellten Minerale und Verfahren zu deren Verwendung. Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden Minerale bereitgestellt, die dahingehend neu sind, dass sie gleichzeitig im Wesentlichen homogen und nicht-stöchiometrisch sind. Sie können mit neuen Niedertemperaturtechniken hergestellt werden, die eine hervorragende Steuerung der Zusammensetzung und der Morphologie ermöglichen.
Es bestand ein kontinuierlicher Bedarf für verbesserte Verfahren zur Herstellung mineralischer Zusammensetzungen, insbesondere Phosphor-enthaltender Minerale. Dieser lange bestehende Bedarf zeigt sich teilweise durch die intensive Forschung, die in der relevanten Literatur beschrieben ist. Während dieses Interesse und dieser Bedarf auf eine Anzahl industrieller Interessen zurückzuführen ist, war der Wunsch, Materialien bereitzustellen, die Säugerknochen genau nachahmen, um diese bei der Reparatur und dem Ersatz solcher Knochen zu verwenden, eine Hauptmotivation. Solche Minerale sind im Prinzip Calciumphosphatapatite, wie sie in Zähnen und Knochen gefunden werden. Beispielsweise ist carbonisierter Hydroxyapatit des B-Typs [Ca₅(PO₄)_3-x(CO₃)_x(OH)] die vorwiegende mineralische Phase, die im Körper vorliegt, wobei Variationen bezüglich des Proteingehalts und des Gehalts an organischen Stoffen vorliegen, welche die Endzusammensetzung, die Kristallgröße, die Morphologie und die Struktur der daraus gebildeten Körperabschnitte bestimmen.
Calciumphosphatkeramiken wurden bisher in vielen verschiedenen Formen, einschließlich als Formkörper, in Zementen und in anderer Weise hergestellt und in Säuger implantiert. Zu diesem Zweck wurden verschiedene stöchiometrische Zusammensetzungen wie z.B. Hydroxyapatit (HAp), Tricalciumphosphat (TCP) und Tetracalciumphosphat (TTCP) in einem Versuch verwendet, das Anpassungsvermögen, die Bioverträglichkeit, die Struktur und die Festigkeit natürlicher Knochen zu erreichen. Trotz eines immensen Aufwands, der auf die Herstellung verbesserter Calciumphosphatmaterialien und Hydroxyapatit-Vorläufermaterialien gerichtet war, verbleiben nach wie vor signifikante Unzulänglichkeiten.
Frühe keramische Biomaterialien wiesen Probleme auf, die auf chemische Mängel und Verarbeitungsmängel zurückzuführen waren, welche die stöchiometrische Steuerung, die Kristallmorphologie, die Oberflächeneigenschaften und schließlich die Reaktivität im Körper beschränkten. Es war ein intensives Mahlen und Zerkleinern natürlicher Minerale mit verschie denen Zusammensetzungen erforderlich, worauf ein Pulvermischen und eine keramische Verarbeitung bei hohen Temperaturen stattfanden, um neue Phasen zur Verwendung in vivo herzustellen.
Es gibt eine Anzahl von Patenten, die keramische Biomaterialien betreffen, wie z.B. US 4,880,610 , B.R. Constantz, „In-situ-Calciumphosphatminerale – Verfahren und Zusammensetzung", US 5,047,031 , B.R. Constantz, „In-situ-Calciumphosphatminerale, Verfahren", US 5,129,905 , B.R. Constantz, „Verfahren für in-situ hergestellte Calciumphosphatminerale", US 4,149,893 , N. Aoki et al., „Orthopädische Keramikzusammensetzung und Zahnimplantat-Keramikzusammensetzung und Verfahren zu deren Herstellung", US 4,612,053 , W.E. Brown et al., „Kombinationen schlecht löslicher Calciumphosphate in Aufschlämmungen und Pasten als Mineralisatoren und Zemente", US 4,673,355 , E.T. Farris et al., „Feste Calciumphosphatmaterialien", US 4,849,193 , J.W. Palmer et al., „Verfahren zur Herstellung von Hydroxyapatit", US 4,897,250 , M. Sumita, „Verfahren zur Herstellung von Calciumphosphat", US 5,322,675 , Y. Hakamatsuka, „Verfahren zur Herstellung von Calciumphosphat", US 5,338,356 , M. Hirano et al., „Körniger Calciumphosphatzement und Verfahren zu dessen Herstellung", US 5,427,754 , F. Nagata et al., „Verfahren zur Herstellung von plättchenartigem Hydroxyapatit", US 5,496,399 , I.C. Ison et al., „Lagerstabile Calciumphosphatzemente", US 5,522,893 , L.C. Chow et al., „Calciumphosphat-Hydroxyapatit-Vorläufer und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung", US 5,545,254 , L.C. Chow et al., „Calciumphosphat-Hydroxyapatit-Vorläufer und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung", US 3,679,360 , B. Rubin et al., „Verfahren zur Herstellung von Brushitkristallen", US 5,525,148 , L.C. Chow et al., „Selbsthärtende Calciumphosphatzemente und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung", US 5,034,352 , J. Vit et al., „Calciumphosphatmaterialien" und US 5,409,982 , A. Imura et al., „Materialien auf Tetracalciumphosphatbasis und Verfahren zu deren Herstellung".
Während bei der Keramikverarbeitungstechnologie Fortschritte erzielt wurden, die zu keramischen Biomaterialien mit einer besseren Kontrolle über die Ausgangsmaterialien und schließlich der Endprodukte führten, besteht nach wie vor ein großer Bedarf für verbesserte Herstellungsverfahren. Zusätzlich besteht auch ein starker Bedarf für Verfahren, die zu Calciumphosphat-enthaltenden Biomaterialien führen, die verbesserte biologische Eigenschaften aufweisen, und zwar trotz intensiver Bemühungen bezüglich des Erreichens solcher Verbesserungen durch andere.
Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Minerale, insbesondere Phosphor-enthaltende Minerale bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren zur Bildung solcher Minerale mit verbesserten Ausbeuten, niedrigeren Verarbeitungstemperaturen, größerer Flexibilität und Steuerung bei der Produktbildung und einem Vermögen, Minerale zu erzeugen, die eine verbesserte Einheitlichkeit, biologische Aktivität und andere Eigenschaften aufweisen.
Eine weitere Aufgabe ist die Verbesserung der Ausbeute und der Steuerung des Bildungsprozesses des synthetischen Minerals.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung von Zementzusammensetzungen, die zur Reparatur oder zum Ersetzen von Knochen in orthopädischen Verfahren und Dentalverfahren geeignet sind.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung von Mineralen, die sowohl im Wesentlichen einheitlich als auch nicht-stöchiometrisch sind.
Weitere Aufgaben ergeben sich aus dem Studium der vorliegenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Schaffung neuer Verfahren zur Herstellung von Mineralen, insbesondere von Phosphor-enthaltenden Mineralen. Die Erfindung stellt auch speziell ausgebildete Minerale bereit, einschließlich Minerale mit einer verbesserten Zusammensetzungshomogenität und Minerale mit modifizierten Kristallstrukturen. Durch die Erfindung werden auch neue Minerale bereitgestellt, einschließlich "nicht-stöchiometrische" Minerale, die sich von gewöhnlich vorkommenden Mineralen, in der Natur vorkommenden Kristallstrukturen und Strukturen unterscheiden, die herkömmliche "zulässige" Verhältnisse der aufbauenden Atome in Elementarzellen aufweisen.
Die durch diese Erfindung geschaffenen neuen Gegenstände erfordern die Beschreibung von Begriffen, die in dieser Erfindung verwendet werden. Das allgemeine Verfahren geht von Ausgangsmaterialien aus, die hier als Salze, wässrige Lösungen von Salzen, stabile Hydrosole oder andere stabile Dispersionen und/oder anorganische Säuren beschrieben werden. Die mit den erfindungsgemäßen Verfahren [Redox-Ausfällungsreaktion (RPR) und Hydrothermalverarbeitung (HYPR)] erzeugten Phasen sind im Allgemeinen Vorläufermineral-Zwischenprodukte in der physikalischen Form von Pulvern, Teilchen, Aufschlämmungen und/oder Pasten. Diese Vorläuferminerale können im Allgemeinen mittels einer Wärmebe handlung, die im Vergleich zu bekannten Verfahren unter gemäßigten Brennbedingungen durchgeführt wird, einfach in viele verschiedene gemischte und reine Mineralphasen mit bekannten und in manchen Fällen noch unbekannten Mineralstöchiometrien umgewandelt werden.
Die erfindungsgemäßen Verfahren sind energieeffizient, werden bei einer relativ niedrigen Temperatur durchgeführt, weisen hohe Ausbeuten auf und sind einer sorgfältigen Steuerung der Produktreinheit, -identität und -qualität zugänglich. Eine Grundanwendung für die erfindungsgemäßen Materialien ist eine Verwendung als biologische Keramiken mit verbesserten Eigenschaften.
Die 1 zeigt eine aggregierte physikalische Struktur von mittels RPR erzeugtem mehrphasigen β-Tricalciumphosphat (β-TCP) + carbonisierten Apatit vom B-Typ (c-HAp) (β-Ca₃(PO₃)₂ + Ca₄(PO₄)_3-x(CO3)_x(OH)], die gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform erzeugt worden sind. Das gesamte agglomerierte Teilchen weist eine Größe von etwa 10 μm auf und die einzelnen Kristallite weisen typischerweise eine Größe von weniger als etwa 1 μm und eine relativ einheitliche Teilchengröße und Form auf.
Die 2 zeigt zusammengesetzte Monetit-Teilchen, d.h. CaHPO₄-Teilchen, die mit einer erfindungsgemäßen Hydrothermalausfällung gebildet worden sind. Die gesamte Teilchenanordnung weist typischerweise eine Größe von etwa 30 μm auf und ist aus relativ einheitlichen rechteckigen Würfeln und plättchenartigen Kristalliten mit unterschiedlichen Größen und Seitenverhältnissen zusammengesetzt.
Die 3 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 100°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer Monetit-Kristallphase.
Die 4 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 300°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer Monetit-Kristallphase.
Die 5 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart der Kristallphasen von β-Tricalciumphosphat (β-TCP) [Hauptphase] + Calciumpyrophosphat (CaH₂P₂O₇) [Nebenphase].
Die 6 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart der Kristallphasen von β-Tricalciumphosphat (β-TCP) [Hauptphase] + Apatit (Ca₅(PO₄)₃(OH)) [Nebenphase].
Die 7 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals ohne zugesetztes [CO₃]^2–, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart der Kristallphasen von β-Tricalciumphosphat (β-TCP) [Hauptphase] + Apatit (Ca5(PO₄)₃(OH)) [Nebenphase].
Die 8 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals ohne zugesetztes [CO₃]^2–, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart der Kristallphasen von β-Tricalciumphosphat (β-TCP) [Hauptphase] + Apatit (Ca₅(PO₄)₃(OH)) [Nebenphase]. Das Spektrum zeigt verglichen mit dem Spektrum von 7 eine signifikante Differenz bei der Intensität der HAp-Peaks.
Die 9 zeigt Fouriertransform-Infrarotspektren (FTIR-Spektren) von Calciumphosphat, das bezüglich der 8 verwendet worden ist, welche die Gegenwart von [CO₃]^2–-Schwingungen bei 880, 1400 und 1450 cm^–1 und dazugehörige P-O-, P=O-Schwingungen bei 540 bis 610 bzw. 1100 bis 1250 cm^–1 zeigen. Es ist auch ein zweites FTIR-Diagramm (unteres Diagramm) des Materials von 7 gezeigt, um das Fehlen von Carbonatpeaks bei 880 cm^–1 zu zeigen.
Die 10 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Zinkphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer Zn₃(PO₄)₂-Kristallphase.
Die 11 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Eisenphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer Graftonit-Kristallphase [Fe₃(PO₄)₂].
Die 12 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Aluminiumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer AIPO₄-Kristallphase.
Die 13 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels HYPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer noch nicht identifizierten Calciumphosphat-Kristallphase.
Die 14 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels HYPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer noch nicht identifizierten Calciumphosphat-Kristallphase und kleinerer Mengen von HAp.
Die 15 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels HYPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart der Monetit-Kristallphase [CaHPO₄].
Die 16 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR und HYPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt und als Zement gemischt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart der Kristallphase von Monetit, d.h. CaHPO₄, die mit Kristalliten von β-TCP + carbonisiertem Apatit vom B-Typ (c-HAp) [β-Ca₃(PO₄)₂ + Ca₅(PO₄)_3-x(CO₃)_x(OH)] gemischt ist.
Die 17A ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR und HYPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart der Kristallphase von Monetit, d.h. CaHPO₄, die mit Kristalliten von β-TCP + carbonisiertem Apatit vom B-Typ (c-HAp) [(β-Ca₃(PO₄)₂ + Ca₅(PO₄)_3-x(CO₃)_x(OH)] gemischt ist.
Die 17B ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR und HYPR erzeugten Calciumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt und als Zement gemischt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart von Kristalliten der Kristallphase von β-TCP + carbonisiertem Apatit vom B-TYP (c-HAP) [β-Ca₃(PO₄)₂ + Ca₅(PO₄)_3-x(CO₃)_x(OH)].
Die 18A ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Neodymphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 500°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer Neodymphosphathydrat-Kristallphase [NdPO₄·0,5H₂O].
Die 18B ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Neodymphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 700°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer Monazit-Nd-Kristallphase [NdPO₄].
Die 18C ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Cerphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 700°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer Monazit-Ce-Kristallphase [CePO₄].
Die 18D ist ein Röntgenbeugungsdiagramm (XRD-Diagramm) eines mittels RPR erzeugten Yttriumphosphat-Vorläuferminerals, das 1 Stunde auf 700°C erhitzt worden ist. Die Peakposition und die relativen Intensitäten der Peaks zeigen die Gegenwart einer Xenotim-Kristallphase [YPO₄].
Erfindungsgemäß werden Verfahren zur Herstellung eines Vorläufermineral-Zwischenprodukts aus mindestens einem Metallkation und mindestens einem Oxoanion bereitgestellt. Diese Verfahren umfassen das Herstellen einer wässrigen Lösung des Metallkations und mindestens eines Oxidationsmittels. Die Lösung wird mit mindestens einem löslichen Vorläuferanion ergänzt, das von dem Oxidationsmittel oxidierbar ist, so dass das Oxoanion ausfällt. Die so vorgesehene Oxidations-Reduktions-Reaktion wird herkömmlich durch Erhitzen der Lösung unter Temperatur- und Druckbedingungen initiiert, die dahingehend ef fektiv sind, die Initiation zu bewirken. Die Oxidations-Reduktions-Reaktion führt zur Erzeugung mindestens eines gasförmigen Produkts und zum Ausfällen des gewünschten Vorläufermineral-Zwischenprodukts aus der Lösung.
Das so hergestellte Vorläufermineral-Zwischenprodukt kann auf verschiedene Arten behandelt werden. Es kann auf eine oder mehrere Arten wärmebehandelt werden, so dass darin eine vorgegebene Kristallstruktur oder andere vorgegebene morphologische Strukturen gebildet werden.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen ist das Oxidationsmittel ein Nitration und das gasförmige Produkt ist ein Stickstoffoxid, das im Allgemeinen als NO_x(g) dargestellt wird. Es ist bevorzugt, dass das durch die vorliegenden Verfahren bereitgestellte Vorläufermineral im Wesentlichen homogen ist. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass die Temperatur, die durch die Oxidations-Reduktions-Reaktion erreicht wird, etwa 150°C nicht übersteigt, solange die Reaktion unter Hydrothermalbedingungen oder in einem Druckbehälter durchgeführt wird.
Gemäß anderer bevorzugter Ausführungsformen ist das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Vorläufermineral-Zwischenprodukt ein Calciumphosphat. Es ist bevorzugt, dass ein solcher Mineralvorläufer in einem Hauptanteil eine Festphase umfasst, die nicht nur als herkömmliche kristalline Form von Calciumphosphat identifiziert werden kann. Gleichzeitig sind die erfindungsgemäßen Calciumphosphat-Mineralvorläufer im Wesentlichen homogen und umfassen kein physikalisches Gemisch natürlich vorkommender oder herkömmlicher Kristallphasen.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen führen die erfindungsgemäßen Niedertemperaturverfahren zur homogenen Ausfällung von hochreinen Pulvern aus hochkonzentrierten Lösungen. Eine anschließende gemäßigte Wärmebehandlung wandelt das Zwischenproduktmaterial beispielsweise in neue einphasige Calciumphosphatminerale oder neue zweiphasige Teilchen von (β-Tricalciumphosphat ((β-TCP) + carbonisiertem Apapit des B-Typs (c-HAp) [β-Ca₃(PO₄)₂ + Ca₅(PO₄)_3-x(CO₃)_x(OH)] um.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen werden Calciumphosphatsalze durch Verfahren bereitgestellt, bei denen mindestens eines der Vorläuferanionen ein Phosphoroxoanion ist, das vorzugsweise als hypophosphorige Säure oder als lösliches Alkali- oder Erdalkalimetallhypophosphitsalz eingeführt wird. Zur Herstellung solcher Calciumphosphate ist es bevor zugt, dass der anfängliche pH-Wert unterhalb von etwa 3 und mehr bevorzugt unterhalb von etwa 1 gehalten wird.
Die mit den vorliegenden Verfahren hergestellten Vorläufermineral-Zwischenprodukte sind als solche neu und waren ausgehend von bekannten Verfahren nicht zu erwarten. Folglich können diese Vorläuferminerale gleichzeitig nicht-stöchiometrisch sein und eine einheitliche Morphologie aufweisen.
Im Zusammenhang mit einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die gemäß den vorliegenden Verfahren hergestellten Vorläufermineral-Zwischenprodukte erhitzt oder auf andere Weise behandelt werden, um ihre Eigenschaften zu verändern. Folglich können diese Materialien auf niedrige Temperaturen von 300°C bis zu etwa 700°C erhitzt werden, so dass einige vorteilhafte Umwandlungen stattfinden. Ein solches Erhitzen wird Fremdmaterialien aus dem Mineralvorläufer entfernen, in manchen Fällen dessen Zusammensetzung und Morphologie verändern und dem Mineral eine spezielle und vorgegebene Kristallstruktur verleihen. Eine solche Wärmebehandlung wird bei Temperaturen durchgeführt, die beträchtlich niedriger sind als die Temperaturen, die gemäß bekannter Verfahren herkömmlich eingesetzt werden, die zur Herstellung des Mineralphasen-Endprodukts verwendet werden. Demgemäß führt die Wärmebehandlung der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise zu den gewöhnlichen Kristallmorphologiestrukturen von Monetit, Dicalcium- oder Tricalciumphosphat, Tetracalciumphosphat, usw., sondern vielmehr zu neuen und nicht nahe liegenden Morphologien, die bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung von großem Nutzen sind.
Erfindungsgemäß sind die dadurch gebildeten Minerale in vielen verschiedenen Gebieten der Industrie, der Medizin und anderen Gebieten geeignet. Folglich können Calciumphosphatminerale, die gemäß bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen hergestellt worden sind, in der Dentalchirurgie und der orthopädischen Chirurgie zur Wiederherstellung von Knochen, Dentalmaterial und dergleichen verwendet werden. Die vorliegenden Minerale können auch als Vorläufer in chemischen und keramischen Verfahren und in einer Anzahl industrieller Verfahren eingesetzt werden, wie z.B. bei der Kristallzüchtung, der Keramikverarbeitung, der Glasherstellung, der Katalyse, bei biologischen Trennungen, als pharmazeutische Träger, bei der Edelsteinsynthese und vielen anderen Anwendungen. Die einheitlichen Mikrostrukturen mit speziellen Zusammensetzungen der erfindungsgemäß hergestellten Minerale verleihen solchen Mineralen einen breiten Nutzen und einen großen „Mehrwert".
Die verbesserten Vorläufer, die durch diese Erfindung bereitgestellt werden, führen zu niedrigeren Bildungstemperaturen, einer schnelleren Phasenumwandlungskinetik, einer besseren Steuerung der Zusammensetzung, einer größeren Homogenität und einer größeren Flexibilität, wenn sie in chemischen und keramischen Verfahren eingesetzt werden. Zusätzlich weisen diese chemisch abgeleiteten keramischen Vorläufer eine geringe Kristallgröße und eine einheitliche Morphologie und ein entsprechendes Potenzial dahingehend auf, im Körper vorliegenden natürlichen Strukturen ähnlicher zu sein oder diese besser nachzuahmen.
Die gesteuerte Ausfällung spezifischer Phasen aus wässrigen Lösungen, die Metallkationen und Phosphatanionen enthalten, stellt eine schwierige technische Herausforderung dar. Bei Systemen, die Calcium- und Phosphationen enthalten, wird die Situation durch die Mehrzahl von Phasen, die an den Kristallisationsreaktionen beteiligt sein können, sowie durch die leicht stattfindenden Phasenübergänge, die während der Mineralisation ablaufen können, weiter kompliziert. Die Lösungschemie in wässrigen Systemen, die Calcium- und Phosphatspezies enthalten, wurde als Funktion des pH-Werts, der Temperatur, der Konzentration, des Anionencharakters, der Ausfällungsgeschwindigkeit, der Aufschlusszeit, usw., sehr genau untersucht (P. Koutsoukos, Z. Amjad, M.B. Tomson und G.H. Nancollas, „Kristallisation von Calciumphosphaten. Eine Studie bei konstanter Zusammensetzung", J. Am. Chem. Soc. 102, 1553 (1980); A.T.C. Wong und J.T. Czernuszka, „Vorhersage des Ausfällungs- und Umwandlungsverhaltens von Calciumphosphat in wässrigen Medien" in Hydroxyapatite and related Materials, Seiten 189–196 (1994), CRC Press, Inc.; G.H. Nancollas, „In-vitro-Studien der Calciumphosphatkristallisation" in Biomineralisation – Chemical and Biochemical Perspectives, Seiten 157–187 (1989)).
Erwägungen bezüglich des Löslichkeitsprodukts legen der Lösungschemie starke Beschränkungen auf. Ferner wurden Verfahren zur Erzeugung spezifischer Calciumphosphatphasen in vielen technischen Artikeln und Patenten beschrieben (R.Z. LeGeros, „Herstellung von Octacalciumphosphat (OCP): Ein direktes und schnelles Verfahren", Calcif. Tiss. Int. 37, 194 (1985)). Wie es vorstehend diskutiert worden ist, wird bei keiner der vorstehend genannten Techniken die vorliegende Erfindung eingesetzt.
Es wurden mehrere schlecht lösliche Calciumphosphatkristallphasen charakterisiert, die als „basische" Calciumphosphate bezeichnet werden, einschließlich alpha- und beta-Tricalciumphosphat (α-TCP, β-TCP, Ca₃(PO₄)₂), Tetracalciumphosphat (TTCP, Ca₄(PO₄)₂O), Octacalciumphosphat (OCP, Ca₄H(PO₄)₃·nH₂O, wobei 2 < n < 3) und Calciumhydroxyapatit (HAp, Ca₅(PO₄)₃(OH)). Lösliche Calciumphosphatphasen, die als „saure" Calciumphosphatkristallphasen bezeichnet werden, umfassen Dicalciumphosphatdihydrat (Brushit – DCPD, CaHPO₄ H₂O), wasserfreies Dicalciumphosphat (Monetit-DCPA, CaHPO₄), Monocalciumphosphatmonohydrat (MCPM, Ca(H₂PO₄)₂·H₂O) und wasserfreies Monocalciumphosphat (MCPA, Ca(H₂PO₄)₂). Diese Calciumphosphatverbindungen haben im Bereich der Knochenzemente und der Knochentransplantatmaterialien eine kritische Bedeutung. Die Verwendung von DCPD, DCPA, α-TCP, β-TCP, TTCP, OCP und HAp allein oder in einer Kombination als biokompatible Beschichtungen, Füllstoffe, Zemente und knochenbildende Substanzen wurde gut dokumentiert (F.C.M. Driessens, M.G. Boltong, O. Bermudez, J.A. Planell, M.P. Ginebra und E. Fernandez, „Wirksame Formulierungen zur Herstellung von Calciumphosphat-Knochenzementen", J. Mat. Sci.:Mat. Med. 5, 164 (1994); R.Z. LeGeros, „Biologischer Abbau und biologische Resorption von Calciumphosphatkeramiken", Clin. Mat. 14(1), 65 (1993); K. Ishikawa, S. Takagi, L.C. Chow und Y. Ishikawa, „Eigenschaften und Mechanismen schnellhärtender Calciumphosphatzemente", J. Mat. Sci:Mat. Med 6, 528 (1995); A.A. Mirtchi, J. Lemaitre und E. Munting, „Calciumphosphatzemente: Effekt von Fluoriden auf die Härtung und Aushärtung von beta-Tricalciumphosphat-Dicalciumphosphat-Calcit-Zementen", Biomat. 12, 505 (1991); J.L. Lacout, „Calciumphosphat als Biokeramiken" in Biomaterials- Hard Tissue Repair and Replacement, Seiten 81–95 (1992), Elsevier Science Publishers).
Im Allgemeinen werden diese Phasen durch eine thermische Umwandlung oder eine Hydrothermalumwandlung (a) von Calciumphosphat-Vorläufermaterialien, die von Lösungen abgeleitet sind, (b) von physikalischen Gemischen von Calciumsalzen oder (c) von natürlichen Korallen erhalten. Die thermische Umwandlung von synthetischen Calciumphosphat-Vorläuferverbindungen zu TCP oder TTCP wird durch herkömmliche Keramikverarbeitungsverfahren bei einer hohen Temperatur von mehr als etwa 800°C erreicht. Folglich wurden trotz der verschiedenen Synthesewege zur Herstellung von Calciumphosphat-Vorläufern die in dem Fachgebiet verwendeten „basischen" Calciumphosphat-Materialien im Allgemeinen einer Hochtemperaturbehandlung unterworfen, und zwar häufig über einen längeren Zeitraum. Zur Herstellung anderer „basischer" Calciumphosphat-Materialien gemäß dieser Erfindung vgl. auch N. Monma, S. Ueno und T. Kanazawa, „Eigenschaften von Hydroxyapatit, der durch die Hydrolyse von Tricalciumphosphat hergestellt worden ist", J. Chem. Tech. Biotechnol. 31, 15 (1981); H. Chaair, J.C. Heughebaert und M. Heughebaert, „Ausfällung von stöchiometrischem apatitartigen Tricalciumphosphat, das mit einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt wird", J. Mater. Chem. 5(6), 895 (1995); R. Famery, N. Richard und P. Boch, „Herstellung von alpha- und beta-Tricalciumphosphatkeramiken mit und ohne Magnesiumzusatz", Ceram. Int. 20, 327 (1994); Y. Fukase, E.D. Eanes, S. Takagi, L.C. Chow und W.E. Brown, „Härtungsreaktionen und Druckfestigkeiten von Calciumphosphatzementen", J. Dent. Res. 69(12), 1852 (1990).
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich dahingehend signifikant von bekannten Verfahren zur Herstellung von Metallphosphatmineralen im Allgemeinen und von Calciumphosphatpulvern im Besonderen, dass die Materialien aus einer homogenen Lösung unter Verwendung einer neuen Redoxfällungsreaktion (RPR) ausgefällt werden. Sie können anschließend bei mäßigen Temperaturen und kurzen Brennvorgängen in TCP, HAp und/oder Kombinationen davon umgewandelt werden. Ferner wurde gefunden, dass eine erfindungsgemäße Ausfällung aus einer homogenen Lösung (PFHS) zur Erzeugung von Teilchen mit einheitlicher Größe und Zusammensetzung in einer Form geeignet ist, die im Stand der Technik bisher nicht vorlag.
Die Verwendung des Hypophosphitanions [H₂PO₂ ^–-Anion] als Vorläufer für die Phosphationenerzeugung stellte sich als bevorzugt heraus, da dadurch viele der Löslichkeitsbeschränkungen, die durch eine herkömmliche Calciumphosphat-Ausfällungschemie auferlegt werden, umgangen werden, und da sie ferner eine einheitliche Ausfällung bei hohen Feststoffkonzentrationen ermöglicht. Beispielsweise können erfindungsgemäße Reaktionen durchgeführt werden, die zu Produktaufschlämmungen mit einem Feststoffgehalt von mehr als 30 führen. Das Nitratanion ist das bevorzugte Oxidationsmittel, obwohl auch andere Oxidationsmittel geeignet sind.
Die neue Verwendung des Nitratanions unter stark sauren Bedingungen als Oxidationsmittel für die Reaktion von Hypophosphit zu Phosphat ist bezüglich mehrerer Gesichtspunkte nützlich. Nitrat ist ein leicht verfügbares und billiges Oxidationsmittel. Es passiviert Edelstahl (Typ 316SS) und ist gegenüber Glasverarbeitungsgeräten unreaktiv. Dessen Oxidationsnebenprodukte (NO_x) können mittels bekannter Umweltverschmutzungskontrolltechnologien gehandhabt werden und jegliches restliche Nitrat wird sich in dem thermischen Umwandlungsverfahren, dem die Materialien gewöhnlich unterworfen werden, als NO_x verflüchtigen, wodurch sehr reine Endmaterialien erhalten werden.
Die erfindungsgemäße Verwendung von Metallnitratsalzen und hypophosphoriger Säure in Reagenzqualität führt zu Metallphosphatphasen mit hoher Reinheit.
Verfahren zur Herstellung geeigneter Materialien auf Calciumphosphatbasis sind Reduktions-Oxidations-Fällungsreaktionen (RPR), die im Allgemeinen bei Umgebungsdruck und relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden, gewöhnlich unterhalb von 250°C und vorzugsweise unterhalb von 200°C, insbesondere unterhalb von 150°C. Die Art und Weise, in der solche Reaktionen initiiert werden, hängt von den Ausgangsmaterialien, deren Behandlung und den elektrochemischen Redoxwechselwirkungen zwischen diesen ab.
Die treibende Kraft für die RPR ist die gleichzeitige Reduktion und Oxidation anionischer Spezies, die von den Lösungsvorläufern abgeleitet sind. Die Vorteile der Ausgangslösungen können durch die hohen Anfangskonzentrationen der ionischen Spezies, insbesondere der Calcium- und Phosphorspezies realisiert werden. Es wurde gefunden, dass die Verwendung reduzierter Phosphorverbindungen zu einer Lösungsstabilität bei Ionenkonzentrationen führt, die beträchtlich größer sind als in dem Fall, wenn vollständig oxidierte [PO₄]^3–-Spezies verwendet werden. Bei den herkömmlichen Verfahren werden vollständig oxidierte Phosphoroxoanionverbindungen verwendet und diese werden folglich durch pH-Wert-, Löslichkeits- und Reaktionstemperaturbeschränkungen behindert, die aus dem Phosphatanion resultieren.
Typische reduzierbare Spezies sind vorzugsweise Salpetersäure, Nitratsalze (z.B. Ca(NO₃)₂ 4H₂O) oder eine beliebige andere reduzierbare Nitratverbindung, die in Wasser sehr gut löslich ist. Andere reduzierbare Spezies umfassen salpetrige Säure (HNO₂) oder Nitritsalze (NO₂ ^–-Salze).
Beispiele für die oxidierbare Spezies, die verwendet werden kann, sind hypophosphorige Säure oder Hypophosphitsalze (z.B. Ca(H₂PO₂)₂), die in Wasser sehr gut löslich sind. Andere oxidierbare Spezies, die verwendet werden können, umfassen Säuren oder Salze von Phosphaten (HPO₃ ^2–), Pyrophosphiten (H₂P₂O₅ ^2–), Thiosulfat (S₂O₃ ^2–), Tetrathionat (S₄O₆ ^2–), Dithionit (S₂O₄ ^2–), Trithionat (S₃O₆ ^2–), Sulfit (SO₃ ^2–) und Dithionat (S₂O₆ ^2–). Wenn die komplexe anorganische Chemie der Oxoanionen der Elemente der Gruppen 5B, 6B und 7B in Betracht gezogen wird, wird angenommen, dass in dieser Erfindung auch andere Beispiele für oxidierbare Anionen verwendet werden können.
Das in das Reaktionsgemisch mit entweder dem Oxidationsmittel oder dem Reduktionsmittel oder beiden eingeführte Kation ist vorzugsweise oxidationsstabil (d.h. in seinem höchsten Oxidationszustand). Bei bestimmten Präparaten oder um bestimmte Reaktionen zu bewirken können die Kationen in einem teilweise reduzierten Oxidationszustand eingeführt werden. Unter diesen Umständen ist eine Einstellung der Menge des Oxidationsmittels erforderlich, um die während der Oxidation der Kationen während der RPR freigesetzten Elektronen zu kompensieren.
Es ist in dem Fachgebiet bekannt, dass für Lösungen im Gleichgewicht mit ionischen Präzipitaten die Lösungskonzentrationen der Reaktantionen von den Löslichkeitsproduktbeziehungen und den Übersättigungsbeschränkungen bestimmt werden. Für das Ca²⁺-[PO₄]^3–-System sind diese Ausdrücke sehr kompliziert, was größtenteils auf die zahlreichen Wege (d.h. Festphasen) zur Verminderung des übersättigten Zustands zurückzuführen ist. Die Temperatur, der pH-Wert, die Ionenstärke, die Ionenpaarbildung, die Gegenwart von Fremdkationen und – anionen können die verschiedenen Gleichgewichte der gelösten Stoffe und die erreichbaren oder länger vorliegenden Übersättigungskonzentrationen beeinflussen (F. Abbona, M. Franchini-Angela und R. Boistelle, „Kristallisation von Calcium- und Magnesiumphosphaten von Lösungen mit mittleren und niedrigen Konzentrationen", Cryst. Res. Technol. 27, 41 (1992); G.H. Nancollas, „Die Beteiligung von Calciumphosphaten an biologischen Mineralisierungs- und Entmineralisierungsprozessen", Pure Appl. Chem. 64(11), 1673 (1992); G.H. Nancollas und J. Zhang, „Bildungs- und Lösungsmechanismen von Calciumphosphaten in wässrigen Systemen", in Hydroxyapatite and Related Materials, Seiten 73–81 (1994), CRC Press, Inc.; P.W. Brown, N. Hocker und S. Hoyle, „Variationen der Lösungschemie während der Niedertemperaturbildung von Hydroxyapatit", J. Am. Ceram. Soc. 74(8), 1848 (1991); G. Vereecke und J. Lemaitre, „Berechnung der Löslichkeitsdiagramme in dem System Ca(OH)₂-H₃PO₄-KOH-HNO₃-CO₂-H₂O", J. Cryst. Growth 104, 820 (1990); A.T.C. Wong und J.T. Czernuszka, „Vorhersage des Ausfällungs- und Umwandlungsverhaltens von Calciumphosphat in wässrigen Medien", in Hydroxyapatite and Related Materials, Seiten 189–196 (1994), CRC Press, Inc.; G.H. Nancollas, „In-vitro-Studien der Calciumphosphatkristallisation" in Biomineralisation – Chemical and Biochemical Perspectives, Seiten 157–187 (1989)).
Während die Thermodynamik bestimmt, ob eine bestimmte Reaktion möglich ist, können zusätzlich kinetische Effekte bei der Erklärung der Gegenwart oder des Fehlens bestimmter Calciumphosphatphasen während der Ausfällungsreaktionen sehr viel wichtiger sein.
Bei der Durchführung bestimmter erfindungsgemäßer Ausführungsformen, die zu Calciumphosphaten führen, werden lösliche Calciumionen bei Konzentrationen von mehreren mol/Liter in Gegenwart löslicher Hypophosphitanionen gehalten, die selbst auch in hohen molaren Konzentrationen vorliegen. Aufgrund der Gegenwart von Salpetersäure und hypophosphoriger Säure liegt die Lösung auch bei einem sehr niedrigen pH-Wert vor. Tatsächlich können solche Lösungen von Calcium- und Hypophosphitionen bezüglich der Ausfällung bei Raumtemperatur oder darunter unbegrenzt stabil sein. Im Gegensatz dazu ist es unmöglich (beim Fehlen von Ionenkomplexierungs- oder -chelatisierungsmitteln), Calcium- und Phosphatanionen bei ähnlichen Konzentrationen gleichzeitig aufrechtzuerhalten, da sofort eine Festphase ausfallen würde, um die Übersättigung zu vermindern. Bei der Oxidation des Hypophosphitions zu Phosphit und anschließend zu Phosphat werden Calciumphosphatphasen schnell aus einer homogenen Lösung unter Lösungsbedingungen (Konzentration, pH-Wert, Ionenstärke) ausgefällt, die für die Bildung solcher Materialien zugeschnitten sind. Die Kombination der homogenen Erzeugung des ausfallenden Anions, einer schnellen Reaktionskinetik und einer speziellen Thermodynamik führt zur Bildung von Calciumphosphat-Vorläufern mit spezieller Größe und speziellen morphologischen Eigenschaften, Oberflächeneigenschaften und Reaktivitäten.
Die vorstehenden Erwägungen gelten auch für Minerale, die von Calciumphosphaten verschieden sind. Die Phasendiagramme, die Gleichgewichtsbedingungen und die aufbauenden Mineralphasen werden sich jedoch bei jeder Mineralfamilie unterscheiden.
Mit dem vorliegenden allgemeinen Verfahren zur gesteuerten Ausfällung der Metallsalze aus einer wässigen Lösung können Metallsalzteilchen mit einheitlicher Größe und Form erhalten werden, die ein oder mehrere Metallkationen) in einer Kombination mit einem oder mehreren Oxosäureanion(en) umfassen. Diese Ausfällung findet über die homogene in-situ-Erzeugung einfacher oder komplexer Oxosäureanionen von einem oder mehreren der Nichtmetallelemente der Gruppen 5B und 6B (Chalkogenide) und 7B (Halogenide) statt. Das erste Oxosäureanion unterliegt einer Oxidation (Erhöhung des chemischen Oxidationszustands), wobei die ausgefallene anionische Spezies erzeugt wird, zusammen mit der gleichzeitigen Reduktion (Verminderung des chemischen Oxidationszustands) des nichtmetallischen Elements eines zweiten, davon verschiedenen Oxosäureanions, wobei alle Oxosäureanionen anfänglich in der Lösung mit einem oder mehreren Metallkationen) vorliegen, von dem bzw. denen bekannt ist, dass sie mit dem ausfällenden Anion unlösliche Salze bildet bzw. bilden. Die Metallkationen sind vorzugsweise oxidationsstabil, können jedoch unter bestimmten Bedingungen selbst einer Änderung des Oxidationszustands unterliegen.
Die RPR wird vorzugsweise durch Erhitzen einer homogenen Lösung induziert, so dass das Einsetzen und die Fortsetzung einer exothermen Redoxreaktion gefördert werden. Diese exotherme Reaktion führt zur Erzeugung von Gasen, gewöhnlich verschiedenen Stickstoffoxidgasen, wie z.B. NO_x, wobei 0,5 < x < 2 ist, wenn die löslichen reduzierten Phosphorspezies in ausfällende Anionen umgewandelt werden, die dann die Calciumionen homogen aus dem Reaktionsmedium ausfällen. Auf dieser Stufe ist die Reaktion im Wesentlichen abgeschlossen, was zu einer Ansammlung ultrafeiner ausgefällter Teilchen mit der vorgegebenen Calciumphosphat-Stöchiometrie führt. Die Reaktionsausbeute sowie die Reinheit der Reaktionsprodukte sind hoch.
Vorläufermineral-Zwischenproduktpulver werden homogen aus der Lösung ausgefällt. Eine mäßige Wärmebehandlung bei Temperaturen von < 500°C kann eingesetzt werden, um die Umwandlung in verschiedene Phosphat-enthaltende Phasen weiterzuführen. Geeignete Änderungen der Chemie und des Verfahrens haben zu ein- und mehrphasigen Verbindungen mit spezifischen Kristallmorphologien geführt [1 und 2].
Das Nitrat/Hypophosphit-Redoxsystem umfasst gemäß der folgenden Gleichungen eine Hypophosphitoxidation zu Phosphat (P⁺¹ zu P⁺⁵, eine 4e^–-Oxidation) (E₀/V aus N.N. Greenwood und A. Earnshaw, „Oxosäuren von Phosphor und deren Salze", in Chemistry of the Elements, Seiten 586–595 (1984), Pergamon Press):
und eine Nitratreduktion zu NO_x (N⁺⁵ zu N⁺³ oder N⁺², entweder eine 2e^–- oder eine 3e^–- Reduktion) gemäß der folgenden Gleichungen:
Chemische Reaktionen werden zweckmäßig als die Summe von zwei (oder mehr) elektrochemischen Halbreaktionen ausgedrückt, in denen Elektronen von einer chemischen Spezies zur anderen übertragen werden. Gemäß der elektrochemischen Konvention wird die Gesamtreaktion als Gleichgewicht dargestellt, in der die Hinreaktion als Reduktion (Hinzufügen von Elektronen) angegeben ist, d.h.: Oxidierte Spezies + ne^– ⇆ reduzierte Spezies Für die angegebenen Gleichungen bei pH = 0 und 25°C findet die Reaktion spontan von links nach rechts statt, wenn E₀ (das Reduktionspotenzial) größer als 0 ist, und spontan in der umgekehrten Richtung, wenn E₀ weniger als 0 beträgt.
Aus den vorstehenden Reaktionen und den dazugehörigen elektrochemischen Potenzialen ist ersichtlich, dass Nitrat ein starkes Oxidationsmittel ist, das Hypophosphit (P⁺¹) ungeachtet des Reduktionsreaktionswegs, d.h. ob der Reduktionsprozess gemäß der Gleichung 4, 5 oder 6 stattfindet, zu Phosphit (P⁺³) oder Phosphat (P⁺⁵) oxidieren kann. Wenn angenommen wird, dass der gesamte Reaktionsweg eine Kombination aus einer Oxidationsreaktion (Gleichung 3) (4e^–-Austausch) und einer Reduktionsreaktion (Gleichung 6) (3e^–-Austausch) umfasst, kann berechnet werden, dass für einen vollständigen Ablauf der Redoxreaktion pro mol der Hypophosphitionen 4/3 mol NO₃ ^– zu NO reduziert werden müssen, um ausreichend Elektronen bereitzustellen. Dem Fachmann ist klar, dass auch andere Redoxprozesse stattfinden können, die Kombinationen der angegebenen Oxidations- und Reduktionsreaktionen umfassen.
Zur Erzeugung von erfindungsgemäßen Produkten können verschiedene Paarungen von Oxidations- und Reduktionsreaktionen eingesetzt werden. Tatsächlich ermöglicht die Erfindung im Allgemeinen eine homogene in-situ-Erzeugung einfacher oder komplexer Oxosäureanionen in wässriger Lösung, in der ein oder mehrere Nichtmetallelement(e), wie z.B. der Gruppen 5B und 6B (Chalkogenide) und 7B (Halogenide), die das erste Oxosäureanion umfassen, einer Oxidation unterliegt bzw. unterliegen, so dass die ausfällende anionische Spezies zusammen mit der gleichzeitigen Reduktion des Nichtmetallelements eines zweiten, davon verschiedenen Oxosäureanions erzeugt wird.
In jedem der vorstehend genannten Fälle liegt der Schlüssel in der Reduktions-Oxidations-Reaktion bei hohen Ionenkonzentrationen, die zur homogenen Ausfällung neuer Calciumphosphatpulver aus der Lösung führt. In der Literatur wurde das Vermögen zur Bildung solcher Phasen, insbesondere von Calciumphosphatphasen, unter den in dieser Erfindung beschriebenen Bedingungen noch nicht beschrieben.
Die Produkte können durch Ändern der Reaktionsbedingungen eingestellt werden. Eine einfache Modifizierung des Anionengemischs (d.h. das Einbringen von Acetationen) in die Ausgangslösung kann zu einer Calciumphosphatphase mit einbezogenem Carbonat führen, was für die Umwandlung zu Knochen in vivo sehr vorteilhaft ist, da ein Knochen selbst die carbonisierte Version eines Hydroxyapatitminerals ist, wobei die Substitution des Carbonats in der Phosphatgitterposition stattfindet, und das deshalb als HAp vom B-Typ bezeichnet wird. Andere vorteilhafte Substitutionen sind von F-Substitutionen, d.h. Fluorsubstitutionen abgeleitet, die zu Fluorapatit führen, der in Zahnpasten und im Zahnschmelz erwünscht ist. Das Sulfatanion kann zu einer anderen vorteilhaften Calciumphase führen, wobei die Hemihydratspezies, CaSO₄·0,5H₂O im Kontakt mit Wasser wie bei Gips eine weitere Härtungsreaktion bereitstellt. Zusätzliche Änderungen finden in der Gegenwart anderer Kationen als Zusätze oder Hauptkomponenten statt.
In spezifischen Ausführungsformen der Erfindung werden die vorstehend genannten Prozesse genutzt, um spezifische Calciumphosphat-Vorläuferminerale herzustellen, die zur Bildung eines selbsthärtenden Zements oder einer selbsthärtenden Paste verwendet werden können. Sobald sie in den Körper eingebracht worden sind, werden diese Calciumphosphatzemente (CPC) resorbiert und zu Knochen umgebaut (umgewandelt). Ein einzelnes Pulver, das aus zweiphasigen Mineralen mit unterschiedlichem Ca/P-Verhältnis besteht, kann unter Bildung von selbsthärtenden Pasten gemischt werden, die in vivo in carbonisierten Apatit vom B-Typ (Knochenmineral-Vorläufer) umgewandelt werden.
Das Umwandlungsverhalten einer Calciumphosphat-Biokeramik zu Knochen wird von den Energieverhältnissen der Oberfläche der Keramik und den resultierenden Wechselwirkungen mit osteoklastischen Zellen bei der Annäherung an die Grenzfläche bestimmt. Spezifische Mikrostrukturen können zu einer beschleunigten Reaktivität und schließlich zu einer schnelleren Umwandlung in vivo führen. Die Flexibilität bei der Zusammensetzung der feinen Teilchen dieser Erfindung bietet eine einstellbare Reaktivität in vivo. Die Kristallitgröße und die Oberflächeneigenschaften der resultierenden Ausführungsformen dieser Erfindung sind dem Maßstab ähnlicher, der für die Zellen, die im Körper vorkommen, normal ist. Gemische von Pulvern, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden können, weisen einen herausragenden Nutzen als Calciumphosphat-Zemente (CPC) auf.
Beispielsweise können Calciumphosphatteilchen, die erfindungsgemäß hergestellt worden sind, in beliebigen orthopädischen Verfahren oder die Zähne betreffenden Verfahren, bei denen Calciumphosphat eingesetzt wird, bei Verfahren zur Reparatur von Knochenfüllungsdefekten, bei der Füllung onkologischer Defekte, bei der Füllung und Rekonstruktion kraniomaxillo-facialer Hohlräume, bei der Füllung von Zahnextraktionsstellen und potenziell für Arzneistoffabgabeanwendungen verwendet werden.
Es sind zahlreiche Anwendungen vorgesehen. Die Oxidationsmittel, Reduktionsmittel, Verhältnisse, Coreaktanten und andere Addukte, Produkte und die beispielhaften Anwendungen sind für den anorganischen Chemiker durch Betrachten der vorstehend beschriebenen chemischen Reaktionen verständlich. Calciumphosphate können für biologische Wiederherstellungen, Zahnwiederherstellungen, Biotrennmedien und die Ionen- oder Proteinchromatographie verwendet werden. Übergangsmetallphosphate (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und Zn) können in vielfältiger Weise als Pigmente, Leuchtstoffe, Katalysatoren, elektromagnetische Koppler, Mikrowellenkoppler, induktive Elemente, Zeolithe, Gläser, Einschlusssysteme für radioaktive Abfälle und Beschichtungen verwendet werden. Der Zusatz von Seltenerdphosphaten kann zur Verwendung als Interkalationsverbindungen, Katalysatoren, Gläsern und Keramiken, Radiopharmazeutika, Pigmente und Leuchtstoffe, medizinische Bildgebungsmittel, zur Verfestigung radioaktiver Abfälle, für die Elektrooptik, Elektronikkeramiken und für Oberflächenmodifizierungen führen.
Aluminium- und Zirkoniumphosphate sind ideale Kandidaten für Oberflächenschutzbeschichtungen, Schleifteilchen, Poliermittel, Zemente und Filtrationsprodukte entweder in Körnchenform oder als Beschichtungen. Die Alkali- (Na, K, Rb, Cs) und Erdalkaliphosphate (Be, Mg, Ca, Sr, Ba) würden zur Erzeugung idealer Niedertemperaturgläser, von Keramiken, Biomaterialien, Zementen, Glas-Metall-Dichtungen und zahlreichen anderen Glaskeramikmaterialien wie z.B. Porzellanen, Dentalgläsern, elektrooptischen Gläsern, Lasergläsern, Gläsern mit einem spezifischen Brechungsindex und optischen Filtern führen.
Beispiele
Beispiel 1 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Calciumphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 8,51 g 50 Gew.-%ige hypophosphorige Säure, H₃PO₂ (Alfa/Aesar Reagenz #14142, CAS #6303-21-5), die 71,95 Gew.-% [PO₄]^3– äquivalent waren, wurde mit 8,00 g destilliertem Wasser vereinigt, wobei eine klare farblose Lösung gebildet wurde, die in einem 250 ml-Pyrexbecherglas enthalten war. Dieser Lösung wurden 22,85 g Calciumnitrattetrahydratsalz, Ca(NO₃)₂·4H₂O (ACS Reagenz, Aldrich Chemical Co., Inc. #23,712-4, CAS #13477-34-4) zugesetzt, die 16,97 Gew.-% Ca äquivalent waren. Das Molverhältnis von Ca/Phosphat in diesem Gemisch betrug 3/2 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als Ca₃(PO₄)₂] betrug 25,4 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Calciumnitrat-tetrahydrats schritt unter Umgebungstemperaturbedingungen fort, wobei schließlich eine homogene Lö sung gebildet wurde. Das Erwärmen dieser Lösung über 25°C initiierte eine Reaktion, bei der die Lösung heftig aufschäumte, während ein rot-brauner beißender Rauch entwickelt wurde, der für NO_x(g) charakteristisch ist. Die Probe wandelte sich in eine weiße pastöse Masse um, die schäumte und Blasen wart, wobei NO_x(g) periodisch abgegeben wurde. Nach etwa 2 min war die Reaktion im Wesentlichen vollständig, wobei eine weiße pastöse Masse zurückblieb, die sich warm anfühlte. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde der Feststoff (A) in einem Polyethylenbehälter gelagert.
Drei Tage nach der Herstellung wurden einige Gramm des feuchten pastösen Feststoffs in 30 ml destilliertes Wasser eingetaucht, um jegliche nicht umgesetzte wasserlösliche Komponenten "auszuwaschen". Der Feststoff wurde mit einem Spatel geknetet, um den Feststoff maximal dem Wasser auszusetzen. Nach etwa 15 min wurde der Feststoff auf ein Filtrierpapier aufgebracht und der feuchte Feststoff (B) wurde in einem Polyethylenbehälter gelagert.
Röntgenbeugungsdiagramme (XRD-Diagramme) wurden aus verdichteten Pulverproben unter Verwendung der Cu-Kα-Linie (λ = 1,7889 Angstrom) mit einem Rigaku-Geigerflex-Gerät erhalten, das bei 45 kV/30 mA unter Verwendung einer Abtastgeschwindigkeit von 3°/min über den 2θ-Winkelbereich von 15 bis 50° oder breiter betrieben wurde. Die Proben wurden entweder so vermessen, wie sie hergestellt worden sind, oder nach einer Wärmebehandlung in Luft entweder in einem Thermolyne Typ 47900-Laborofen oder einem Ney Modell 3-550-Laborofen. Die XRD-Ergebnisse sind wie folgt (vgl. die 3, 4, 5 und 6):
Während des Brennens der Proben bei oder über 300°C wurden beträchtliche Mengen an NO_x(g) freigesetzt.
Beispiel 2 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Calciumphosphatpulvers
Beispiel 1 wurde unter Verwendung des Fünffachen der angegebenen Reagenzgewichte wiederholt. Die Reaktanten waren in einer Pyrex-Kristallisierschale mit einem Durchmesser von 5,5 Zoll auf einer Heizplatte enthalten, wobei nicht gerührt wurde. Das Erwärmen der homogenen Reaktantlösung über 25°C initiierte eine exotherme Reaktion, bei der ein rotbrauner beißender Rauch entwickelt wurde, der für NO_x(g) charakteristisch ist. Die Probe wandelte sich innerhalb weniger Sekunden nach dem Einsetzen der Reaktion in eine weiße pastöse Masse um, die noch mehrere Minuten lang NO_x(g) abgab. Nach etwa 5 min war die Reaktion im Wesentlichen vollständig, wobei eine feuchte feste Masse zurückblieb, die sich heiß anfühlte. Dieser Feststoff wurde unter Umgebungsbedingungen in etwa 20 min auf Raumtemperatur abgekühlt und vor der Wärmebehandlung in zwei Portionen aufgeteilt.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft zeigte die XRD, dass die gebrannten Feststoffe wie folgt zusammengesetzt waren.
Beispiel 3 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Calciumphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 8,51 g 50 Gew.-%ige H₃PO₂ wurde mit 8,00 g einer 25,0 Gew.-%igen wässrigen Lösung von Calciumacetat-monohydrat, Ca(O₂CCH₃)₂·H₂O (ACS Reagenz, Aldrich Chemical Co., Inc. #40,285-0, CAS 5743-26-0) gemischt, die 5,69 Gew.-% Ca äquivalent waren, wobei eine klare farblose Lösung gebildet wurde, die in einem 250 ml-Pyrexbecherglas enthalten war. Dieser Lösung wurden 20,17 g Ca(NO₃)₂·4H₂O-Salz zugesetzt. Das Molverhältnis von Ca/Phosphat in diesem Gemisch betrug 3/2 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als Ca₃(PO₄) ₂] betrug 27,3 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Calciumnitrat-tetrahydrats schritt nach dem Erwärmen der Probe auf Raumtemperatur fort, wobei eine homogene Lösung gebildet wurde. Das weitere Erwärmen dieser Lösung auf > 25°C auf einer Heizplatte initiierte eine Reaktion, die gemäß Beispiel 1 ablief. Nach etwa 3 min war die Reaktion im Wesentlichen vollständig, wobei ein feuchter krümeliger weißer Feststoff zurückblieb, der sich heiß anfühlte und nach Essigsäure roch. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde der Feststoff in einem Polyethylenbehälter gelagert.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugungsanalyse dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft bei 500°C für entweder 0,5 Stunden oder 1 Stunde zeigte eine XRD, dass der Feststoff aus Whitlockit als Primärphase zusammen mit Hydroxylapatit als Sekundärphase zusammengesetzt war. Die XRD-Ergebnisse zeigen, dass das relative Verhältnis der beiden Calciumphosphatphasen von der Dauer der Wärmebehandlung und der Gegenwart des Acetatanions abhängig war, jedoch wurden keine Versuche unternommen, die Abhängigkeit zu quantifizieren.
Ein Vergleich der XRD-Spektren in den 7 und 8 zeigt den Unterschied in der Menge der HAp-Ca₅(PO₄)_3-x(CO₃)_x(OH)-Phase, die in jeder Nebenphase von Beispiel 1 (das kein Acetat aufwies) bzw. Beispiel 3 (Acetat lag vor) vorlagen. Dies zeigt den Gegenioneffekt auf die Kristallbildung.
Fouriertransform-Infrarotspektren (FTIR-Spektren) wurden unter Verwendung eines Nicolet-Geräts (Modell Nr. 5DXC) erhalten, das im diffusen Reflexionsmodus über einen Bereich von 400 bis 4000 cm^–1 betrieben wurde. Die Gegenwart der carbonisierten Form von HAp wird durch das FTIR-Spektrum in der 9 (400 bis 1600 cm^–1) veranschaulicht, das die Gegenwart von Peaks zeigt, die für [PO₄]^3– (580–600, 950–1250 cm^–1) und für [CO₃]^2– (880, 1400 und 1450 cm^–1) charakteristisch sind. Die P=O-Streckschwingung, die sich im starken Peak bei 1150–1250 cm^–1 zeigt, zeigt eine strukturelle Störung des Hydroxyapatits durch das Carbonation.
Beispiel 4 – Kolloidales SiO₂, das Calciumphosphatgemischen mittels RPR zugesetzt worden ist
Ein Aliquot von 8,00 g eines 34,0 Gew.-%igen SiO₂-Hydrosols (Nalco Chemical Co., Inc. #1034A, Charge #B5G453C) wurde langsam 8,51 g einer 50 Gew.-%igen wässrigen Lösung von H₃PO₂ unter heftigem Rühren zugesetzt, wobei eine homogene, schwach trübe kolloidale Dispersion erhalten wurde. Dieser Dispersion wurden 22,85 g Ca(NO₃)₂·4H₂O-Salz so zugesetzt, dass das Molverhältnis von Calcium/Phosphat in dem Gemisch 3/2 betrug. Es fand ein endothermes Lösen des Calciumnitrat-tetrahydrats statt, wobei eine homogene kolloidale Dispersion erhalten wurde, sobald sich die Probe auf Raumtemperatur erwärmt hatte. Das kolloidale SiO₂ war trotz des stark sauren Charakters und der Ionenstärke in der Probe nicht ausgefallen. Das Erwärmen der Probe auf einer Heizplatte auf > 25°C initiierte eine Reaktion, so wie es im Beispiel 1 beschrieben worden ist. Der resultierende weiße pastöse Feststoff wurde in einem Polyethylenbehälter gelagert.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft bei 500°C für 1,0 Stunden zeigte eine XRD, dass der Feststoff aus Whitlockit plus Hydroxyapatit zusammengesetzt war.
Beispiel 5 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Calciumphosphatpulvers
Beispiel 1 wurde unter Zusatz von 10,00 g Dicalciumphosphat-dihydrat, DCPD, CaHPO₄ 2H₂O (Aldrich Chemical Co., Inc. #30,765-3, CAS #7789-77-7) zu der homogenen Lösung wiederholt, worauf das Calciumnitratsalz endotherm gelöst wurde. Das DCPD lag sowohl in Form von suspendierten Feststoffen als auch als ausgefallenes Material vor (es wurde nicht gerührt). Das Erwärmen der Probe auf > 25°C initiierte eine exotherme Reaktion, so wie es im Beispiel 1 beschrieben worden ist, was zur Bildung eines weißen pastösen Feststoffs führte. Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft bei 500°C für 1 Stunde zeigte eine XRD, dass der Feststoff aus Whitlockit als Primärphase zusammen mit Calciumpyrophosphat (Ca₂P₂O₇) als Sekundärphase zusammengesetzt war.
Beispiel 6 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Zinkphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 8,51 g 50 Gew.-%ige H₃PO₂ in 8,00 g destilliertem Wasser wurde wie im Beispiel 1 hergestellt. Dieser Lösung wurden 28,78 g Zinknitrat-hexahydratsalz, Zn(NO₃)₂·6H₂O (ACS Reagenz, Aldrich Chemical Co., Inc. #22,873-7, CAS #10196-18-6) zugesetzt, die 21,97 Gew.-% Zn äquivalent waren. Das Molverhältnis von Zn/Phosphat in diesem Gemisch betrug 3/2 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als Zn₃(PO₄)₂] betrug 27,5 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Zinknitrat-hexahydrats schritt nach dem Erwärmen der Probe auf Raumtemperatur fort, wobei eine homogene Lösung gebildet wurde. Das weitere Erwärmen dieser Lösung auf > 25°C auf einer Heizplatte initiierte eine Reaktion, bei der die Lösung heftig rot-braunen beißenden Rauch aus NO_x(g) entwickelte. Die Reaktion setzte sich etwa 10 min fort, während die Probe eine klare farblose Lösung blieb, worauf sich die Probe während eines Zeitraums von fünf Minuten etwas beruhigte, und dann die Reaktion schließlich wieder heftig wurde, was schließlich zur Bildung einer Masse eines feuchten weißen Feststoffs führte, von dem ein Teil sehr stark an den Wänden des Pyrex-Becherglases haftete, das als Reaktionsbehälter verwendet wurde. Der heiße Feststoff wurde auf Raumtemperatur abkühlen gelassen und in einem Polyethylenbehälter gelagert.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft bei 500°C für 1 Stunde zeigte eine XRD, dass der Feststoff aus Zn₃(PO₄) ₂ zusammengesetzt war (vgl. die 10).
Beispiel 7 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Eisenphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 17,50 g 50 Gew.-%ige H₃PO₂ wurde mit 15,00 g destilliertem Wasser kombiniert, wobei eine klare farblose Lösung gebildet wurde, die in einem 250 ml-Pyrexbecherglas auf einer Heizplatte/Rührer enthalten war. Dieser Lösung wurden 53,59 g Eisen(III)-nitrat-nonahydratsalz, Fe(NO₃)₃·9H₂O (ACS Reagenz, Alfa/Aesar Reagenz #33315, CAS #7782-61-8) zugesetzt, die 13,82 Gew.-% Fe äquivalent waren. Das Molverhältnis von Fe/Phosphat in diesem Gemisch betrug 1/1 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als Fe(PO₄] betrug 23,2 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Eisen(III)-nitratnonahydratsalzes lief nach dem schrittweisen Erwärmen des Reaktionsgemischs ab, wobei schließlich eine blass-lavendelfarbene Lösung plus ungelöstes Salz gebildet wurden. Bei einer Temperatur von > 25°C wurde eine exotherme Reaktion initiiert, bei der NO_x(g) entwickelt wurde. Die Reaktion setzte sich etwa 15 min fort, während dessen das Reaktionsgemisch eine sirupartige Viskosität bekam. Bei fortgesetzter Reaktion begann sich am Boden des Becherglases ein blassgelber Feststoff zu bilden. Nach etwa 40 min Reaktionszeit wurde die Probe auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Das Produkt bestand aus einem inhomogenen Gemisch aus einem gelben Feststoff mit niedriger Dichte am Oberteil des Becherglases, einer braunen Flüssigkeit mit der Konsistenz von Karamel in der Mitte der Produktmasse und einem sandfarbenen Feststoff am Boden des Becherglases. Die Feststoffe wurden als getrennte Proben gesammelt, sofern dies möglich war.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung des Feststoffs, der von der Oberseite des Becherglases gesammelt wurde, wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft bei 500°C für 1 Stunde zeigte eine XRD, dass der Feststoff aus Graftonit [Fe₃(PO₄)₂] plus amorphes Material zusammengesetzt war, was nahe legt, dass die Wärmebehandlung nicht ausreichend war, um eine vollständige Kristallisation der Probe zu induzieren (vgl. die 11).
Es laufen offensichtlich Mechanismen ab, durch die Fe³⁺ zu Fe²⁺ reduziert worden ist.
Beispiel 8 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Calciumphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 19,41 g 50 Gew.-%ige H₃PO₂ wurde mit 5,00 g destilliertem Wasser kombiniert, wobei eine klare farblose Lösung gebildet wurde, die in einem 250 ml-Pyrexbecherglas enthalten war. Dieser Lösung wurden 34,72 g Ca(NO₃)₂·4H₂O zugesetzt. Das Molverhältnis von Ca/Phosphat in diesem Gemisch betrug 1/1 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als CaHPO₄] betrug 33,8 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Calciumnitrat-tetrahydrats lief unter Umgebungstemperaturbedingungen ab, wobei schließlich eine homogene Lösung gebildet wurde, sobald die Probe auf Raumtemperatur erwärmt wurde. Das Erwärmen dieser Lösung über 25°C initiierte eine heftige exotherme Reaktion, die zur Entwicklung von NO_x(g), einem schnellen Temperaturanstieg der Probe auf > 100°C und einem übermäßigen Schäumen des Reaktionsgemischs über den Becherrand führte, vermutlich wegen des Siedeverzugs von Wasser bei der hohen Reaktionstemperatur. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde das Reaktionsprodukt als trockener weißer Schaum gesammelt, der durch Zerkleinern zu einem Pulver kompaktiert wurde.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten.
Beispiel 9 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Calciumphosphatpulvers
Beispiel 3 wurde unter Verwendung des Zehnfachen der angegebenen Reagenzgewichte wiederholt. Die Reaktanten waren in einer Pyrex-Kristallisierschale mit einem Durchmesser von 5,5 Zoll auf einer Heizplatte/Rührer enthalten. Die Reaktanten wurden während der Lösungs- und Reaktionsstufen kontinuierlich gerührt. Die durch Erwärmen der Lösung auf > 25°C initiierte chemische Reaktion führte für mehrere Minuten zur Entwicklung von NO_x(g), wobei kein offensichtlicher Effekt auf die Stabilität des Systems festgestellt wurde, d.h. die Lösung blieb klar und farblos, ohne dass eine Feststoffbildung auftrat. Nach dem Abklingen für mehrere Minuten setzte die Reaktion mit zunehmender Intensität wieder ein, was zu einer starken Erzeugung von NO_x(g) und einem schnellen Auftreten eines pastösen weißen Feststoffmaterials führte. Sowohl der Reaktionsbehälter als auch das Produkt waren von der exothermen Reaktion heiß. Das Produkt wurde an der Luft zu einem weißen krümeligen Feststoff abgekühlt, der in einem Polyethylenbehälter gelagert wurde.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft bei 500°C für entweder 0,5 Stunden oder 1 Stunde zeigte die XRD, dass der Feststoff aus Whitlockit als Primärphase zusammen mit Hydroxyapatit als Sekundärphase zusammengesetzt war. Die XRD-Ergebnisse zeigen, dass das relative Verhältnis der beiden Calciumphosphatphasen von der Dauer der Wärmebehandlung abhängig war, jedoch wurden keine Versuche unternommen, die Abhängigkeit zu quantifizieren.
Beispiel 10 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Aluminiumphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 10,82 g 50 Gew.-%ige H₃PO₂ wurde mit 2,00 g destilliertem Wasser kombiniert, wobei eine klare farblose Lösung gebildet wurde, die in einem 250 ml- Becherglas enthalten war. Dieser Lösung wurden 30,78 g Aluminiumnitrat-nonahydratsalz, Al(NO₃)₃·9H₂O (ACS Reagenz, Alfa/Aesar Reagenz #36291, CAS #7784-27-2) zugesetzt, die 7,19 Gew.-% Al äquivalent waren. Das Molverhältnis von Al/Phosphat in diesem Gemisch betrug 1/1 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als AlPO₄] betrug 22,9 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Aluminiumnitrat-nonahydrats lief unter Bildung einer homogenen Lösung ab, sobald die Probe auf Raumtemperatur erwärmt wurde. Das weitere Erwärmen dieser Lösung auf > 25°C auf einer Heizplatte initiierte eine Reaktion, bei der die Lösung heftig rot-braunen beißenden Rauch von NO_x(g) entwickelte. Die Reaktion setzte sich etwa 15 min fort, während dessen die Lösungsviskosität beträchtlich zunahm, bevor ein weißer Feststoff gebildet wurde.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft bei 500°C für 0,5 Stunden zeigte eine XRD, dass der Feststoff aus AlPO₄ plus amorphes Material zusammengesetzt war, was nahe legt, dass die Wärmebehandlung nicht ausreichend war, um eine vollständige Kristallisation der Probe zu induzieren (vgl. die 12).
Beispiel 11 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Calciumphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 8,06 g 50 Gew.-%iges H₃PO₂-Reagenz wurde mit 6,00 g destilliertem Wasser kombiniert, wobei eine klare farblose Lösung gebildet wurde, die in einem 250 ml-Pyrexbecherglas auf einer Heizplatte/Rührer enthalten war. Dieser Lösung wurden 19,23 g Ca(NO₃)₂·4H₂O zugesetzt. Das Molverhältnis von Ca/Phosphat in diesem Gemisch betrug 4/3 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als Octacalciumphosphat, Ca₈H₂(PO₄)₆ 5H₂O] betrug 30,0 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Calciumnitrat-tetrahydrats lief unter Umgebungsbedingungen ab, wobei schließlich eine homogene Lösung gebildet wurde, sobald die Probe auf Raumtemperatur erwärmt wurde. Das Erwärmen der Lösung über 25°C initiierte eine heftige exotherme Reaktion, wie sie im Beispiel 1 beschrieben worden ist. Nach etwa 3 min war die Reaktion im Wesentlichen vollständig, wobei ein feuchter, weißer pastöser Feststoff zurückblieb.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft bei 500°C für 0,5 Stunden zeigte die XRD, dass der Feststoff aus Whitlockit als Primärphase zusammen mit Hydroxyapatit als Sekundärphase zusammengesetzt war. Trotz der ursprünglichen Probenstöchiometrie gab es keinen Hinweis bezüglich der Bildung von Octacalciumphosphat (OCP). Dieses Ergebnis legt nahe, dass (a) abwechselnde Wärmebehandlungen erforderlich sind, um OCP zu kristallisieren, und/oder (b) in dem Zwischenproduktpulver überschüssiges Calcium vorliegt.
Beispiel 12 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Calciumphosphatpulvers
Beispiel 11 wurde wiederholt, jedoch wurde bei der Herstellung des Reaktionsgemischs kein destilliertes Wasser verwendet. Das Erwärmen der homogenen Lösung über 25°C initiierte eine exotherme Reaktion, wie es im Beispiel 11 beschrieben worden ist. Nach etwa 3 min war die Reaktion im Wesentlichen vollständig, wobei ein feuchter pastöser weißer Feststoff zurückblieb.
Die Wärmebehandlung und die Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Nach der Wärmebehandlung in Luft bei 500°C für 0,5 Stunden zeigte die XRD, dass der Feststoff aus Calciumpyrophosphat (Ca₂P₂O₇) zusammengesetzt war.
Beispiel 13 – Neue Niedertemperatur-Hydrothermal-Herstellung (HYPR-Herstellung) von Calciumphosphatpulver
Eine wässrige Lösung von 50 Gew.-%igem Calciumnitrat-tetrahydrat, Ca(NO₃)₂·4H₂O (ACS Reagenz, Aldrich Chemical Co., Inc. #23,712-4, CAS #13477-34-4) wurde durch Lösen von 250,0 g des Salzes in 250,0 g destilliertem Wasser hergestellt. Diese Lösung war 8,49 Gew.-% Ca äquivalent. Insgesamt 47,0 g dieser Lösung wurden unter heftigem Rühren einer Lösung von 50 Gew.-%igem Natriumhypophosphit-monohydrat, NaH₂PO₂·H₂O (Alfa/Aesar Reagenz #14104, CAS #10039-56-2) zugesetzt, die ebenfalls durch Lösen von 250,0 g des Salzes in 250,0 g destilliertem Wasser hergestellt worden ist. Die Natriumhypophosphitlösung war 44,80 Gew.-% [PO₄]^3– äquivalent. Die klare farblose Lösung von Calciumnitrat und Natriumhypophosphit wurde dann mit 40,3 g destilliertem Wasser verdünnt. Das Molverhältnis von Ca/Phosphat in diesem Gemisch betrug 5/3 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als Ca₅(PO₄)₃(OH) (Hydroxyapatit)] betrug 10,0 Gew.-%. Die Probe wurde unter Verwendung eines gerührten Hochdrucktischreaktors mit einem Volumen von 300 cm³ (Modell Nr. 4561 Mini Reactor, Parr Instrument Co., Moline, IL 61265), der mit einer Temperatursteuerungs/Digital-tachometereinheit (Modell Nr. 4842, Parr Instrument Co.) und einer Druckmessuhr ausgestattet war, einer Hydrothermalbehandlung unterworfen. Alle benetzten Teile des Reaktors waren aus Edelstahl vom Typ 316 hergestellt. Gewöhnlich ist der Typ 316SS nicht das Material der Wahl für anorganische Säuresysteme, wie z.B. die Lösungsvorläufer, die in dieser Erfindung verwendet werden, da Phosphorsäure Edelstahl bei erhöhten Temperaturen und Drücken angreifen kann. Bei der Durchführung dieser Erfindung wurde ein direkter Kontakt (d.h. eine Benetzung) der Reaktoroberflächen jedoch durch die Verwendung einer Pyrex-Glasauskleidung verhindert. Nur der Rührer und die Temperaturmesssondenhülle wurden in die Reaktantlösungen eingetaucht und es wurde keine Korrosion festgestellt. Darüber hinaus wird angenommen, dass die hohe Nitrationenkonzentration in dem Reaktantgemisch für den Typ 316SS eine passivierende Umgebung bereitstellte.
100 g (etwa 100 ml) der Calciumnitrat-Natriumhypophosphit-Lösung wurden in die Pyrex-Auskleidung des Reaktors eingebracht und der Raum zwischen der Glasauskleidung und dem Reaktorbehälter wurde bis zum Niveau der Probe mit destilliertem Wasser gefüllt. Dies stellte eine maximale Wärmeübertragung zu der Probe sicher, da der Reaktor mit einem elektrischen Mantel extern geheizt wurde. Das Probenvolumen von etwa 100 ml ließ in dem Reaktor genügend Kopfraum übrig, um eine Lösungsausdehnung bei erhöhten Temperaturen aufzunehmen. Der Reaktor wurde durch Zusammendrücken einer Teflondichtung verschlossen. Das Heizen des Reaktors wurde mit der maximalen Geschwindigkeit bei einer Einstellung der Steuereinheit auf 202°C unter konstantem Rühren (500 U/min) durchgeführt. Das Heizprofil, das durch eine in das Reaktantgemisch eingetauchte Temperaturmesssonde überwacht wurde, war wie folgt:
Nach dem Halten bei 200 ± 3°C für 12 min nahm die Temperatur rasch auf 216°C zu, mit einer resultierenden Zunahme des Reaktordrucks auf etwa 330 psi. Dieser exotherme Vorgang klang schnell ab, wie es sich durch den schnellen Abfall der Reaktortemperatur auf 208°C innerhalb von 2 min zeigte, als der Parr-Reaktor das thermische Gleichgewicht mittels eines nahezu adiabatischen Prozesses erreichte. Nach 15 min bei 200°C wurde der Reaktor aus dem Heizmantel entfernt, in einem kalten Wasserbad abgeschreckt und geöffnet, nachdem der Kopfraum auf Umgebungsdruck belüftet worden war.
In der Glasauskleidung lag ein weißer Niederschlag vor. Der Feststoff wurde mittels Vakuumfiltration auf einem 0,45 μm-Membranfilter (Millipore, Inc., Bedford, MA, 01730) gesammelt, mehrmals mit destilliertem Wasser gewaschen und bei etwa 55°C in einem Konvektionsofen getrocknet. Eine Röntgenbeugung dieses Feststoffs wurde gemäß Beispiel 1 durchgeführt.
Die Röntgenbeugung führte zu einem speziellen, nicht identifizierbaren Beugungsmuster, vgl. die 13.
Beispiel 14 – Neue Niedertemperatur-Hydrothermal-Herstellung (HYPR-Herstellung) von Calciumphosphatpulver
Beispiel 13 wurde wiederholt, jedoch wurden der homogenen Lösung von Calciumnitrat und Natriumhypophosphit anstelle des destillierten Wassers unter heftigem Rühren 40,3 g einer 1,0 M-NaOH-Lösung zugesetzt. Diese Basenzugabe führte zur Bildung einer milchig-weißen Dispersion, vermutlich aufgrund der Ausfällung von Ca(OH)₂.
Die Probe wurde gemäß Beispiel 13 einer Hydrothermalverarbeitung unterworfen, wobei der Temperatureinstellpunkt bei 207°C lag. Der Temperaturanstieg bis 160°C (25 min) entsprach dem für Beispiel 13. Nach 30 min fand eine exotherme Reaktion statt, die dazu führte, dass die Temperatur des Reaktionsgemischs innerhalb von 5 min auf ein Maximum von 221°C stieg, wobei der entsprechende Druck auf 370 psi stieg. Nachdem das Experiment 38 min lang durchgeführt worden ist, wurde der Reaktor auf Raumtemperatur abgeschreckt.
Das Reaktionsprodukt bestand aus einer geringen Menge eines weißen Niederschlags. Das Material wurde wie im Beispiel 13 gesammelt. Eine Röntgenbeugung der getrockneten Probe wurde wie im Beispiel 1 durchgeführt. Die XRD-Ergebnisse zeigen, dass der Feststoff das gleiche nicht identifizierbare Muster (Kristallphase) aufweist, wie es im Beispiel 13 gefunden wurde, und geringere Mengen an HAp-(Ca₅(PO₄)₃(OH)] umfasst (vgl. die 14).
Beispiel 15 – Neue Niedertemperatur-Hydrothermal-Herstellung (HYPR-Herstellung) von Calciumphosphatpulver
Insgesamt 47,0 g einer 50 Gew.-%igen wässrigen Lösung von Calciumnitrat-tetrahydrat wurden mit 53,0 g destilliertem Wasser verdünnt. Dann wurden 6,00 g Calciumhypophosphitsalz, Ca(H₂PO₂)₂ (Alfa/Aesar Reagenz #56168, CAS #7789-79-9), die 23,57 Gew.-% Ca und 111,7 Gew.-% [PO₄]^3– äquivalent waren, unter heftigem Rühren in der Ca(NO₃)₂-Lösung aufgeschlämmt. Eine unbekannte Menge des Calciumhypophosphits blieb in der Probe bei Raumtemperatur ungelöst. Das Löslichkeitsverhalten von Ca(H₂PO₂) ₂ in der Ca(NO₃)₂-Lösung bei erhöhten Temperaturen ist unbekannt. Das Molverhältnis von Ca/Phosphat betrug in diesem System 1,91.
Diese Probe wurde gemäß Beispiel 13 einer Hydrothermalverarbeitung unterworfen, wobei der Temperatureinstellpunkt bei 212°C lag. Der Temperaturanstieg bis 200°C entsprach dem für Beispiel 13. Nach 39 min fand eine exotherme Reaktion statt, die dazu führte, dass die Temperatur des Reaktionsgemischs innerhalb von 3 min auf ein Maximum von 252°C stieg, wobei der entsprechende Druck auf 640 psi stieg. Nachdem das Experiment 44 min lang durchgeführt worden ist, wurde der Reaktor auf Raumtemperatur abgeschreckt.
Das Reaktionsprodukt war ein voluminöser weißer Niederschlag plus einige suspendierte Feststoffe. Das Material wurde wie im Beispiel 13 gesammelt. Eine Röntgenbeugung des getrockneten Feststoffs wurde wie im Beispiel 1 durchgeführt. Die XRD zeigte, dass der Feststoff Monetit, d.h. CaHPO₄, war, vgl. die 15. Die spezielle Kristallmorphologie ist in der Rasterelektronenmikrographiedarstellung in der 2 gezeigt.
Gemische der vorstehend beschriebenen RPR- und HYPR-Pulver sind bei der Bildung von selbsthärtenden Calciumphosphatzementen zur Reparatur von Dentaldefekten und orthopädischen Defekten geeignet. Zur Bildung der Knochenmineralvorläuferkonstrukte dieser Erfindung können spezifische Komponenten und solubilisierende Flüssigkeiten zugesetzt werden.
Beispiel 16 – Neue Zementzusammensetzung
Etwa 1,4 g einer alkalischen Lösung (7 M), die unter Verwendung von NaOH und destilliertem Wasser hergestellt worden ist, wurden mit 1,1 g HYPR-Monetit [Beispiel 15] und 1,1 g RPR-β-TCP-HAp(CO₃) [Beispiel 3] in einem Glasmörser mit Pistill etwa 45 s gemischt. Nach dem Mischen wurde eine glatte Paste gebildet, die in eine 3 ml-Polystyrolspritze eingebracht und 20 min ohne Störung eingeschlossen wurde. Die Raumtemperaturhärtung, die durch die Verwendung einer 454 g-Gilmore-Nadel angezeigt wurde, wurde nach 20 min untersucht. Der ausgehärtete Zement wurde mittels Röntgenbeugung analysiert, die eine Umwandlung zu carbonisiertem Apatit vorwiegend vom B-Typ zeigte, wobei es sich um die gewünschte Knochenmineralvorläuferphase handelt (vgl. die 16):
Beispiel 17 – Neue Zementzusammensetzung
Eine Vorratslösung wurde mit der etwa 7 M NaOH-Lösung, die im Beispiel 1 verwendet wurde, und 1,0 % Polyacrylsäure (PAA) gebildet. PAA wird als chelatisierender Härtungszusatz und als Benetzungsmittel verwendet. Die vorstehend genannte Lösung wurde mit verschiedenen Pulverkombinationen zur Bildung von härtenden Zementen verwendet. Ein 50/50-Pulvergemisch aus HYPR-Monetit [Beispiel 15] und RPR-β-TCP-HAp(CO₃) [Beispiel 3], etwa 0,7 g, wurde mit einem Glasspatel auf einer Glasplatte mit 0,39 g der 1 % PAA-NaOH-Lösung gemischt (Verhältnis Pulver:Flüssigkeit = 1,73). Der Zement wurde durch eine 3 ml-Spritze extrudiert und härten gelassen, nachdem der Zement 20 min bei Raumtemperatur (23°C) stehengelassen worden ist.
Beispiele 18 bis 34:
Beispiel 35 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Neodymphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 11,04 g 50 Gew.-%ige H₃PO₂ wurde mit 5,00 g destilliertem Wasser verdünnt, wobei eine klare farblose Lösung gebildet wurde, die in einem 250 ml-Fluorpolymerharzbecher auf einer Heizplatte/Magnetrührer enthalten war. Dieser Lösung wurden 36,66 g Neodymnitrat-hexahydratsalz, Nd(NO₃)₃·6H₂O (Alfa/Aesar Reagenz #12912, CAS #16454-60-7) zugesetzt, die 32,90 Gew.-% Nd äquivalent waren. Das Molverhältnis von Nd/P in diesem Gemisch betrug 1/1 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als NdPO₄] betrug 38 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Neodymnitrat-hexahydratsalzes lief unter schrittweisem Erwärmen des Reaktionsgemischs ab, wobei schließlich bei Raumtemperatur eine klare, homogene lavendelfarbene Lösung gebildet wurde. Das Erwärmen dieser Lösung unter konstantem Rühren auf etwa 70°C initiierte eine heftige endotherme Reaktion, die zur Entwicklung von NO_x(g), einem schnellen Temperaturanstieg der Probe auf etwa 100°C und schließlich zur Bildung einer pastösen lavendelfarbenen Masse führte. Die Wärmebehandlung des pastösen Feststoffs und eine anschließende Röntgenbeugungsanalyse des gebrannten Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten (vgl. die 18A und B):
Beispiel 36 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Cerphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 11,23 g 50 Gew.-%ige H₃PO₂ wurde mit 5,00 g destilliertem Wasser verdünnt, wobei eine klare farblose Lösung gebildet wurde, die in einem 250 ml-Fluorpolymerharzbecher auf einer Heizplatte/Magnetrührer enthalten war. Dieser Lösung wurden 36,94 g Cernitrat-hexahydratsalz, Ce(NO₃)₃·6H₂O (Johnson-Matthey Reagenz #11329-36) zugesetzt, die 32,27 Gew.-% Ce äquivalent waren. Das Molverhältnis von Ce/P in diesem Gemisch betrug 1/1 und die äquivalente Feststoffkonzentration (als CePO₄] betrug 37,6 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Neodymnitrat-hexahydratsalzes lief unter schrittweisem Erwärmen des Reaktionsgemischs ab, wobei schließlich bei Raumtemperatur eine klare, homogene farblose Lösung gebildet wurde. Das Erwärmen dieser Lösung unter konstantem Rühren auf etwa 65°C initiierte eine heftige endotherme Reaktion, die zur Entwicklung von NO_x(g), einem schnellen Temperaturanstieg der Probe auf etwa > 100°C und schließlich zur Bildung einer pastösen hellgrauen Masse führte. Die Wärmebehandlung des pastösen Feststoffs und eine anschließende Röntgenbeugungsanalyse des gebrannten Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten (vgl. die 18C):
Beispiel 37 – Neue Niedertemperatur-Herstellung eines Yttriumphosphatpulvers
Eine wässrige Lösung von 14,36 g 50 Gew.-%ige H₃PO₂ wurde mit 5,00 g destilliertem Wasser verdünnt, wobei eine klare farblose Lösung gebildet wurde, die in einem 250 ml-Fluorpolymerharzbecher auf einer Heizplatte/Magnetrührer enthalten war. Dieser Lösung wurden 41,66 g Yttriumnitrat-hexahydratsalz, Y(NO₃)₃·6H₂O (Alfa/Aesar Reagenz #12898, CAS #13494-98-9) zugesetzt, die 23,21 Gew.-% Y äquivalent waren. Das Molverhältnis von Y/P in diesem Gemisch betrug 1/1 und die äquivalente Feststoffkonzentration [als YPO₄] betrug 32,8 Gew.-%. Das endotherme Lösen des Yttriumnitrat-hexahydratsalzes lief unter schrittweisem Erwärmen des Reaktionsgemischs ab, wobei schließlich bei Raumtemperatur eine klare, homogene farblose Lösung gebildet wurde. Das Erwärmen dieser Lösung unter konstantem Rühren auf etwa 75°C initiierte eine heftige endotherme Reaktion, die zur Entwicklung von NO_x(g), einem schnellen Temperaturanstieg der Probe auf etwa > 100°C und schließlich zur Bildung einer pastösen weißen Masse führte. Die Wärmebehandlung des pastösen Feststoffs und eine anschließende Röntgenbeugungsanalyse des gebrannten Feststoffs wurden gemäß Beispiel 1 durchgeführt. Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten (vgl. die 18D):
Beispiel 38
Erfnindungsgemäß können viele verschiedene Minerale hergestellt werden. In der nachstehenden Tabelle sind Oxidations- und Reduktionsmittel angegeben. Jegliche der angegebenen Oxidationsmittel können mit jeglichen der angegebenen Reduktionsmittel umgesetzt werden und es können jeweils Gemische davon eingesetzt werden. Es wird eine geeignete Stöchiometrie eingesetzt, die derart ist, dass die vorstehend genannte Reaktion abläuft. Es sind auch mögliche Zusätze und Füllstoffe für die Reaktionen angegeben. Die erwarteten Produkte sind ebenso angegeben wie die erwarteten Anwendungsgebiete für die Produkte. Die nachstehenden angegebenen Materialien können im Allgemeinen mit den Verfahren einiger oder aller vorstehend beschriebener Beispiele verarbeitet werden.
Die vorstehend hergestellten Minerale können in vielen verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Beispiele für diese Anwendungen sind Pigmente, Leuchtstoffe, fluoreszierende Mittel, Anstrichmittelzusätze, synthetische Edelsteine, Chromatographiemedien, Gaswaschmedien, Filtrationsmedien, Biotrennmedien, Zeolithe, Katalysatoren, Katalysatorträger, Keramiken, Gläser, Glaskeramiken, Zemente, Elektronikkeramiken, piezoelektrische Keramiken, Biokeramiken, Bedachungsgranulate, Schutzbeschichtungen, Rankenfüßer-Verzögerungsbeschichtungen, Abfallverfestigung, Verfestigung radioaktiver Abfälle, Schleifmittel, Poliermittel, Polierpasten, Radiopharmazeutika, medizinische Bildgebungsmittel und diagnostische Mittel, Arzneistoffabgabe, Träger, Tablettierträger, bioaktive Dentalmaterialien oder orthopädische Materialien und bioaktive Beschichtungen, Verbundfüllstoffe, Verbundzusätze, Viskositätseinstellzusätze, Papier-Finishingzusätze, optische Beschichtungen, Glasbeschichtungen, optische Filter, Düngemittel, Bodennährstoffzusätze.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Salzes von mindestens einem Calciumkation und mindestens einem Phosphoroxoanion, umfassend: a. das Herstellen einer wäßrigen Lösung von i. dem Calciumkation; ii. mindestens einem Oxidationsmittel und iii. mindestens einem Vorläuferanion, das durch das Oxidationsmittel oxidierbar ist, um das Phosphoroxoanion zu bilden; b. das Erwärmen der Lösung auf eine Temperatur von bis zu 250°C unter Bedingungen einer Temperatur und einem Druck, die wirksam sind, eine Oxidations-Reduktionsreaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Vorläuferanion zu initiieren; c. wobei die Reaktion mindestens ein gasförmiges Produkt erzeugt und das Phosphoroxoanion ergibt und d. das Salz aus der Lösung ausfällt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend den Schritt des Erwärmens des Salzes, um einen Phasenübergang und/oder Kristallisation darauf hervorzurufen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel Nitrat ist und das gasförmige Produkt ein Stickstoffoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gasförmige Produkt NO₂ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Salz im wesentlichen homogen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Salz ein Calciumphosphat ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lösung einen Alkohol umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Vorläuferanionen ein Phosphor-enthaltendes Oxoanion ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Vorläuferanion ein Hypophosphit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Calciumkation einen Teil des Oxidationsmittels bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel und das Calciumkation ein Calciumnitrat umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Oxidationsmittel ein Nitrat ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reaktion unter sauren Bedingungen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, durchgeführt bei einem pH-Wert von unterhalb 3.
Verfahren nach Anspruch 1, durchgeführt bei einem pH-Wert von unterhalb 1,5.
Im wesentlichen homogenes Calciumphosphatsalz, gebildet durch: das Herstellen einer wäßrigen Lösung von einem Calciumkation, mindestens einem Oxidationsmittel und mindestens einem Vorläuferanion, das durch das Oxidationsmittel oxi dierbar ist, um ein Phosphoroxoanion zu bilden, das Erwärmen der Lösung unter Bedingungen bei einer Temperatur und einem Druck, die wirksam sind, eine Oxidations-Reduktionsreaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Vorläuferanion zu initiieren, wobei die Reaktion mindestens ein gasförmiges Produkt entwickelt und das Phosphoroxoanion ergibt, wobei das Calciumphosphatsalz aus der Lösung ausfällt und einzelne Kristallite mit einer Kristallgröße von 1 μm oder darunter umfaßt.
Calciumphosphatsalz nach Anspruch 16 mit im wesentlichen einheitlicher Morphologie.
Calciumphosphatsalz gemäß Anspruch 16 mit einer nicht-stöchiometrischen Zusammensetzung.
Bioaktives und biokompatibles Calciumphosphat, hergestellt durch: Herstellen einer wäßrigen Lösung von einer Phosphoroxosäure und einem Calciumnitrat, Erwärmen der Lösung auf eine Temperatur von 250°C oder darunter unter Bedingungen einer Temperatur und eines Drucks, die wirksam sind, eine Oxidations-Reduktionsreaktion zwischen der Oxosäure und dem Calciumnitrat zu initiieren, wobei die Reaktion Stickstoffoxidgas entwickelt und wobei das Calciumphosphat aus der Lösung ausfällt, wobei das Calciumphosphat einzelne Kristallite mit einer Kristallgröße von 1 μm oder darunter umfaßt.
Calciumphosphat, hergestellt gemäß Anspruch 19, welches durch Erwärmen auf eine Temperatur von oberhalb 100°C weiter abgeleitet worden ist.
Bioaktives und biokompatibles Calciumphosphat gemäß Anspruch 19, wobei die Phosphoroxosäure hypophosphorige Säure ist.
Bioaktiver Zement zur Reparatur von Knochendefekten, umfassend das bioaktive und biokompatible Calciumphosphat gemäß Anspruch 19.
Bioaktives und biokompatibles Calciumphosphat gemäß Anspruch 19, gemischt mit einem pharmazeutisch verträglichen Träger oder Verdünnungsmittel.
Bioaktives und biokompatibles Calciumphosphat gemäß Anspruch 19, gemischt mit einem polymerisierbaren Material.