Synthesis of Pure Hydroxyapatite by Ion Exchange Reaction

Abstract

У роботі запропонована іонно-обмінна реакція синтезу гідроксиапатита (ГАП) у постійному лужному середовищі з використанням попередньої сухої гомогенізації прекурсорів. Як прекурсори були обрані гідрофосфат натрію Na2HPO4, хлорид кальцію CaCl2 і гідроксид кальцію Ca(OH)2. При взаємодії Na2HPO4 з солями кальцію в лужному середовищі відбувається заміщення іонів Na+ на іони Ca2+. Як джерело іонів Ca2+ була використана сіль CaCl2, оскільки в цьому випадку одним з продуктів реакції є хлорид натрію, який згодом легко вимивається. Необхідний pH середовища досягався додаванням у вихідні речовини гідроксиду кальцію, який одночасно був і джерелом іонів Ca2+. Нагрівання на водяній бані забезпечувало постійний приплив молекул води, яка необхідна для дисоціації молекул речовин, що беруть участь в реакції. При сухому синтезі досить складно отримати стехіометричний ГАП через нерівномірність розподілу іонів у реакційній суміші. Перебіг хімічної реакції у вологому середовищі дозволяє зменшити вплив цього фактору. Було зроблено припущення, що оскільки крім ГАП продуктами реакції є розчинні у воді сполуки, то незначною зміною співвідношення вихідних компонентів можна регулювати стехіометрію ГАП, а також співвідношення кінцевих продуктів реакції. Додаткові продукти, що утворюються в ході реакції, видалялися промиванням отриманого порошку дистильованою водою. Відмитий і висушений порошок ГАП відпалювався у печі при Т = 700 °С. Дослідження, проведені методами рентгенофазового аналізу, растрової електронної та просвічуючої мікроскопії показали, що отриманий матеріал є однофазним порошком ГАП зі співвідношенням Са/Р, близьким до 1,67. Було виявлено, що частинки порошку ГАП, отриманого в результаті синтезу з наступним промиванням, мали форму голок товщиною 10-40 нм і довжиною від 30 до 200 нм. Відпал порошку при температурі 700 °С приводив до агломерації частинок, а також до округлення їх форми.

An ion-exchange reaction for the synthesis of hydroxyapatite (HAP) in a constant alkaline medium using preliminary dry homogenization is proposed in this work. Sodium hydrogen phosphate Na2HPO4, calcium chloride CaCl2 and calcium hydroxide Ca(OH)2 were chosen as precursors. When Na2HPO4 interacts with calcium salts in an alkaline medium, Na+ ions are replaced by Ca2+ ions. The CaCl2 salt was chosen as the source of Ca2+ ions, since in this case one of the reaction products is sodium chloride, which is subsequently easily washed out. The required pH of the medium was achieved by adding calcium hydroxide to the starting materials, which was also a source of Ca2+ ions. Heating in a water bath provided a constant influx of water molecules, which is necessary for the dissociation of the molecules of the substances involved in the reaction. In dry synthesis, it is rather difficult to obtain stoichiometric HAP due to the uneven distribution of ions in the reacting mixture. The chemical reaction in a humid environment can reduce the influence of this factor. It was assumed that since, in addition to HAP, the reaction products are water-soluble compounds, a slight change in the ratio of the starting components can be used to control the stoichiometry of HAP, as well as the ratio of the final reaction products. Additional products formed during the reaction were removed by washing the resulting powder with distilled water. The washed and dried HAP powder was annealed in an oven at T = 700 °C. Studies carried out by methods of X-ray phase analysis, scanning electron and transmission microscopy showed that the material obtained is a singlephase hydroxyapatite powder with a Ca/P ratio close to 1.67. It was found that the particles of HAP powder obtained as a result of synthesis with subsequent washing have the shape of needles with a thickness of 10 to 40 nm and a length of 30 to 200 nm. Annealing of the powder at a temperature of 700 °C leads to agglomeration of particles, as well as to rounding of their shape.