CC BY
159
ХИМИЯ
Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 2. С. 61-65.
УДК 544.7; 544.421
Р.Р. Измайлов, О.А. Голованова
БИОРЕЗОРБИРУЕМОСТЬ ГРАНУЛИРОВАННОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ
КАРБОНАТГИДРОКСИЛАПАТИТА И ЖЕЛАТИНА В СРЕДАХ С РАЗЛИЧНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ PH*
Изучено растворение гранул карбонатгидроксилапатита - желатин в растворе соляной кислоты, ацетатном буфере и в трис-буфере при варьировании концентрации органического матрикса (желатина) в исходном композите. Получены кинетические закономерности растворения. Установлен разный характер кинетических кривых в средах различной кислотности. Выявлено влияние органического матрикса на скорость растворения образцов.
Ключевые слова: карбонатгидроксилапатит, желатин, гранулы, растворение, рН, кинетика. * 1
Введение
Материалы на основе ортофосфатов кальция в последние годы все чаще находят применение в медицине для регенерации поврежденных костных тканей посредством постепенного замещения материала новообразующейся костной тканью. Применяемые в настоящее время для этой цели композиционные синтетические материалы содержат элементы как органических, так и неорганических составляющих костной ткани. К ним относится чистый гидроксилапатит (ГА) или композиция, включающая в себя ГА и трикальцийфосфат, а также материалы, содержащие вышеперечисленные компоненты и органическое связующее, к примеру, желатин, коллаген [1-8].
Однако используемый в качестве имплантов материал на основе ГА имеет низкую скорость биологической резорбции, что является его существенным недостатком. Процесс резорбции может быть усилен посредством анионных замещений фосфат- и гидроксид-анионов в структуре апатита на карбонат-группы [9]. Карбонатзамещенные гидроксилапатиты (КГА) имеют сходство по составу и структуре с минеральными компонентами естественной костной ткани. Одной из наиболее часто используемых форм фосфатно-кальциевой керамики на основе КГА являются гранулы, в которых в качестве матриксов-носителей применяются коллаген, желатин, хитозан. Цель данного исследования - синтез гранул КГА - желатин при варьировании концентрации органического матрикса и оценка динамики растворимости образцов в средах с различным значениям pH.
Экспериментальная часть
Синтез КГА проводили из модельного раствора синовиальной жидкости человека, воспроизводя условия эксперимента, указанные в работе
[10]. Для изготовления гранул КГА полученный порошок КГА массой 0,2-
1 г смешивали с 1,5-7,5 мл 5, 10, 15 масс. % водного раствора желатина и перемешивали до однородной массы. Приготовленную смесь прикапывали через капилляр диаметром 1-2 мм в растительное масло, охлажденное до -1-0 °С с помощью эвтектической смеси мелкодисперсного льда, смешанного с CaCl2. Полученные гранулы промывали поочередно этиловым спиртом и ацетоном и сушили при температуре 25-27 °С на воздухе в течение 6-7 ч.
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-03-31506 мол_а.
© Р.Р. Измайлов, О.А. Голованова, 2015
62
Р.Р. Измайлов, О.А. Голованова
Для исследования устойчивости образцов их растворение проводили в кислых и слабощелочных растворах при постоянном перемешивании, определяя значение рН системы и концентрации ионов кальция при комнатной температуре. Изучение растворимости образцов гранулированного карбонатгидроксилапатита проводили в 0,01 М растворе соляной кислоты, ацетатном буфере с pH = 4,5 и в трис-буфере, значения pH для которого составляет 7,40 ± 0,05 [11].
Навеску гранул КГА - желатин массой 0,2000 г помещали в химический стакан объемом 150-200 мл и изучали процесс растворения гранулированного карбонатгидроксилапатита при постоянном перемешивании раствора. Через определенные промежутки времени отмечали величину кислотности среды, значение показателя концентрации ионов кальция с помощью прямой потенциометрии.
Для изучения морфологии образцов использовали сканирующую электронную микроскопию (JSM-6610LV фирмы JEOL).
Результаты и их обсуждение
При растворении образцов гранулированного КГА - желатин в соляной кислоте
установлено, что происходит изменение рН системы (рис. 1).
Для определения скорости растворения образцов каждая из кинетических кривых была проанализирована с использованием регрессионного анализа (рис. 1). Получено, что зависимость рН в растворе HCl от времени на начальном участке можно аппроксимировать линейной функцией.
Известно, что истинная скорость процесса может быть определена как тангенс угла наклона прямой:
V =±— = ±tga. (1)
ист 7,о \ /
dt
Результаты количественных оценок кинетических параметров процесса представлены в табл. 1. Выяснено, что максимальная скорость растворения наблюдается у образца с содержанием желатина 10 %, статистически значимых различий между скоростями растворения гранул с концентрацией 5 и 15 % не выявлено.
При растворении образцов гранулированного КГА - желатин в трис-буфере зафиксировано значительное изменение рСа системы в первые 24 часа.
х
Q.
2.6 2.5 -2.4 -2.3 -2.2 2.1 2.0 1.9 1.8
0
1000
2000
3000
• 10%
о 15%
▼ 5%
4000
Время,с
Рис. 1. Зависимости pH от времени растворения в растворе 0,01 М HCl гранул КГА - желатин при варьировании массовой доли желатина
Таблица 1
Параметры растворения гранул на линейном участке в зависимости от концентрации желатина
в 0,01 М растворе соляной кислоты
Сжел, % R2 Уравнение Уист, С
5 0,9777 pH = 1,9954 ± 0,0010 + (4,7 ■ 10-5 ± 9,02 ■ 10-7)t 4,7 ■ 10-5 ± 9,02 ■ 10-7
10 0,9968 pH = 1,9293 ± 0,0013 + (10-4 ± 1,15 ■ 10-6)t 1 ■ 10-4 ± 1,15 ■ 10-6
15 0,9764 pH = 1,8921 ± 0,0010 + (3,14 ■ 10-5 ± 8,81 ■ 10-7)t 3,14 ■ 10-5 ± 8,81 ■ 10-7
Биорезорбируемость гранулированного композита...
63
4.8 •
4.3 -4.2 -4.1 -4.0
0
2000
4000
6000
8000
4.7 1 • 5%
1 о 10%
4.6 - 1 Y 15%
4.5 - о* ; • • • •
ГО О 4.4 - Cl о о ► о о о О
10000
Время, мин
Рис. 2. Зависимости концентрации ионов Ca2+ от времени растворения в трис-буфере (pH = 7,4) гранул КГА -желатин при варьировании массовой доли желатина
Дальнейшее изучение растворимости образцов в течение последующих суток показало, что значение рСа практически не изменялось. Анализ кинетических кривых выявил, что растворение гранул - многостадийный процесс, на начальной стадии (до 10001200 мин) зависимость концентрации ионов кальция в растворе от времени C(t) = -lgCca2+ можно аппроксимировать линейной функцией (рис. 2). C течением времени растворение замедляется, и кинетика подчиняется экспоненциальной зависимости:
C(t)=С0 + Ст ■ exp(bt), (2)
где С0 - условная начальная концентрация, Ст - концентрация насыщения, b - коэффициент, t - время.
Экспоненциальная зависимость соответствует кинетике реакции первого порядка, когда скорость изменения количества ионов кальция пропорциональна количеству «активных участков» в растворяемом материале в данный момент [12].
Представляет интерес количественная оценка скорости изменения концентрации ионов кальция в растворе в зависимости от концентрации желатина в гранулах. На «экспоненциальной» стадии растворения скорость изменения концентрации со временем уменьшается, поэтому в качестве количественной меры можно рассматривать начальную скорость растворения.
Из данных табл. 2 видно, что происходит закономерное уменьшение начальной скорости растворения образцов при увеличении содержания желатина в гранулах. Вероятно, это обусловлено затруднением диффузии растворителя в область внутреннего пористого пространства гранул, что хорошо согласуется с данными сканирующей электронной микроскопии (рис. 3).
Анализ микрофотографий образцов показал, что при увеличении концентрации желатина в исходной суспензии образцов наблюдается уменьшение доли открытых пор за счет образования тонкой желатиновой пленки на поверхности минеральной составляющей гранул.
При исследовании устойчивости образцов гранулированного КГА - желатин в ацетатном буфере аналогично растворению в трис-буфере наблюдается увеличение концентрации ионов кальция (рис. 4).
Кинетические закономерности растворения можно объяснить исходя из полиам-фолитных свойств желатина: минимум
набухания желатина проявляется при значении рН, приблизительно равном 4,7, а максимум набухания - при значении рН, приблизительно равном 3,2. В кислой среде, при pH < 4,8, подавлена диссоциация групп -COOH, а группы -NH2 протонируются в -NH3+. Молекулы желатина приобретают положительный заряд. В щелочной среде происходит диссоциация групп -COOH с образованием -COO-. Молекулы желатина приобретают суммарный отрицательный заряд. Изменение заряда макромолекул приводит к изменению их конформаций и тем самым -к изменению вязкости растворов. Это объясняется тем, что группы -COOH имеют большую склонность к диссоциации, чем группы -NH2 к протонированию, т. е. белки - более сильные кислоты, чем основания. А это означает, что для достижения изоэлектрической точки в растворе желатина требуется избыток кислоты (pH < 7) для подавления ионизации карбоксильных групп. Поэтому ацетатный буфер является наиболее благоприятной средой для быстрого растворения КГА.
64
Р.Р. Измайлов, О.А. Голованова
Таблица 2
Параметры растворения гранул в зависимости от концентрации желатина в растворе трис-буфера
Сжел, % R2 Уравнение
5 0,8976 pCa = 4,4982 + 0,1903e-°,°8a
10 0,9719 pCa = 4,3563 + 0,2917e~°,°°25i
15 0,9937 pCa = 4,3061 + 0,3800e41’0017'
а
б
в
Рис. 3. Морфология поверхности композита КГА - желатин: а — Шжелатина = 5 МаСС. %, б — Шжелатина = 10 МаСС. %, в — Шжелатина = 15 МаСС. %
Время, мин
Рис. 4. Зависимости рСа от времени растворения в ацетатном буфере (pH = 4,5) образцов гранулированного КГА при варьировании маооовой доли желатина
Биорезорбируемость гранулированного композита...
65
Заключение
Изучены кинетические закономерности растворения образцов гранулированного КГА в 0,01 М растворе соляной кислоты; в ацетатном буфере с pH = 4,5 и в трис-буфере, значение pH для которого составляет 7,40 ± 0,05. Установлен разный характер кинетических кривых в средах различной кислотности. Выяснено влияние органического матрикса на скорость растворения образцов.
Результаты данной работы могут быть использованы для изучения биосовместимости и кинетики растворения керамических материалов в медицине, а именно: в травматологии, реконструктивно-восстановительной хирургии, стоматологии, и при разработке систем доставки лекарственных препаратов.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Путляев В. И. Современные биокерамические материалы // Соросовский образовательный журнал. 2004. Т. 8. № 1. С. 44-50.
[2] Фомин А. С., Баринов С. М., Иевлев В. М., Фадеева И. В., Комлев В. С., Белоногов Е. К., Ту-раева Т. Л. Наноразмерный гидроксиапатит, синтезированный осаждением в растворе желатина // Докл. АН. 2006. Т. 411. № 3. С. 348351.
[3] Фомин А. С., Комлев B. C., Баринов С. М., Фадеева И. В., Ренгини К. Синтез нанопорошков гидроксиапатита для медицинских применений // Перспективные материалы. 2006. № 2. С. 51-54.
[4] Баринов C. M., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М. : Наука, 2005. 204 с.
[5] Сафронова Т. В., Шехирев М. А., Путляев В. И., Третьяков Ю. Д. Керамические материалы на основе гидроксиапатита, полученные из растворов различной концентрации // Неорганические материалы. 2007. Т. 43. № 8. С. 1005-1014.
[6] Orlovskii V. P., Barinov S. M. Н and hydroxyapatite ydroxyapatite-matrix ceramics: a survey // Rus. J. Inor. Chem. 2001. Vol. 46. № 2. P. 129149.
[7] Liu С., Huang Y., Shen W., Cui О. Kinetics of hydroxyapatite precipitation at pH 10 to 11 // Biomaterials. 2001. Vol. 22. P. 301-306.
[8] Rodrrigues-Lorenzo L. M., Vallet-Regi M. Controlled crystallization of phosphate apatites // Chem. Mater. 2000. Vol. 12. P. 2460-2465.
[9] Климашина Е. С. Синтез, структура и свойства карбонатзамещённых гидроксиапатитов для создания резорбируемых биоматериалов : ав-тореф. дис. ... канд. хим. наук. М., 2011. 23 с.
[10] Izmailov R. R., Golovanova O. A. Adhesive and Morphological Characteristics of Carbonate Hydroxyapatite Prepared from a Model Human Synovial Fluid on Titanium Alloys // Inorganic Materials. 2014. Vol. 50. №. 6. Р. 592-598.
[11] Измайлов Р. Р., Голованова О. А. Растворимость гидроксилапатита и карбонатгидроксилапатита, полученных из модельного раствора синовиальной жидкости человека // Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 4. С. 109-113.
[12] Баринов С. М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины // Успехи химии. 2010. № 1. С. 15-32.
