CC BY
16УДК 542.65
ГИДРОЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ СИЛИКОФОСФАТОВ В СИСТЕМЕ Ca2SiO4-Ca3(PO4)2
А. В. Кузнецов, А. Г. Вересов, В. И. Путляев*
Факультет наук о материалах МГУ им. М. В. Ломоносова Ленинские горы, Москва, 119992, Россия
* Химический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова Ленинские горы, Москва, 119992, Россия Тел: +7 (495) 9394609; факс: +7 (495) 9390998; e-mail: [email protected]
Possibility of usage of silicophosphates from Ca2SiO4-Ca3(PO4)2 system as a single phase cements was investigated. The formation of mineralized layer consisting of nanohydroxyapatite during model bioactivity test in SBF solution was observed after 2 days of experiment.
e
Введение
Увеличение продолжительности жизни, которое должно стать характерной чертой нового тысячелетия, требует решения ряда медико-ма-териаловедческих проблем, в частности, создания материалов для искусственных органов и тканей [1-3].
Кость является сложноорганизованным композиционным материалом минерал-биополимер. Жесткость кости придают фосфаты кальция в форме нанокристаллического гидроксилапатита кальция (ГАП).
Основными требованиями, предъявляемыми к имплантатам, являются совместимость с костью (как химическая, так и механическая), а также резорбируемость [4] с течением времени. Идеальный имплантат через некоторое время должен замениться костью [3].
В литературе активно обсуждается роль кремния [5] в процессах образования костной ткани в контакте с искусственным биоматериалом. Известно, что стекломатериалы системы Са0-Р205^Ю2 [6], используемые для замены поврежденной костной ткани, характеризуются высокой биоактивностью (отличным срастанием с костью).
Силикофосфаты кальция Са(3+х)(Р04)2-2х^Ю4)2х [7] являются промежуточным продуктом переработки апатитового сырья.
В настоящий момент фазовая диаграмма системы Са^Ю4-Са3(Р04)2 довольно хорошо изучена (рис. 1). Все представители этой системы характеризуются схожестью своей кристаллической структуры. Поэтому выделение в системе промежуточных соединений было связано с попыткой упрощения исследований сложных смесей, образуемых компонентами системы.
Большой интерес для исследователей представляет изучение взаимосвязи состав - структура - свойства в ряду силикофосфатов кальция. Считается, что реакции гидролиза этих соеди-
гт°
гсавщ вес% Зса0-Рг05
Рис. 1. Фазовая диаграмма системы Са28Ю4-Са3(Р04)2. Ск (Са5(Р04)28Ю4) - силикокарнотит
нений могут быть использованы для синтеза биоактивного кремнийсодержащего гидроксила-патита. Керамика на основе силикофосфатов кальция потенциально может быть использована в медицине (по аналогии с биоактивными стеклами в системе Са0-Р205ЧЗЮ2).
Задача данной работы — исследование про- « цессов гидролиза кристаллических силикофосфа- <с тов кальция системы Са^Ю4-Са3(Р04)2 в широ- I ком диапазоне составов, на основании которого | сделаны рекомендации по использованию этих | порошков в качестве компонентов цементов. Ана- й лиз биоактивности [8, 9] силикофосфатов каль- |
си
ция проводился в растворе, моделирующем со- £ став межтканевой жидкости человека (SBF). >.
и
Методика эксперимента В
В ходе данной работы был проведен синтез си- 0 ликофосфатов кальция системы Са^Ю4- Сад(Р04)2 в широком диапазоне составов (таблица 1).
Образцы получали твердофазным методом: в процессе изотермических отжигов при температурах 1200-1500 °С в зависимости от состава. Время отжигов составляло 24 часа или 48
Таблица 1
Составы силикофосфатов, исследуемые в работе
Состав Соотношение компонентов по массе Описание состава
A 96 % Ca3(PO4)2 ; 4 % Ca2SiO4 твердый раствор на основе a-Ca3(PO4)2
B 70 % Ca3(PO4)2 ; 30 % Ca2SiO4 фаза силикокарнотита (Ca5(PO4)2SiO4)
C 35 % Ca3(PO4)2 ; 65 % Ca2SiO4 твердый раствор a-Ca3(PO4)2-a-Ca2SiO4
D 13 % Ca3(PO4)2 ; 87 % Ca2SiO4 твердый раствор на основе a-Ca2SiO4
часов в зависимости от того, был ли получен однофазный продукт при меньшем времени отжига. Оценка степени превращения была сделана с помощью метода РФА.
В качестве исходных веществ для синтеза использовались СаС03 (ч.), SiO2 (ч.) и СаНР04, который предварительно получали осаждением из водных растворов Са(]03)2-4Н20 (ч.) и (]Н4)2НР04 (ч.) при нагревании по реакции:
Са(]]03)2 + (]]Н4)2НР04 = СаНР04^ + 2]МН41М03.
Синтез силикофосфата может быть описан следующим уравнением:
(х+2у)СаС03 + ySiO2 + 2хСаНР04 = = хСа3(Р04)2уСа^Ю4 + (х+2у)С02Т + хН20.
В дальнейшем проводился гидролиз полученных образцов при комнатной температуре, причем работали с 0,15 г образца на 100 мл воды. Зависимости рН раствора от времени изучались с помощью иономера со стеклянным электродом.
По результатам рН измерений проводились попытки получения цементов на основе индивидуальных силикофосфатов, причем в качестве жидкой фазы цементов применялся 0,25 М раствор ]аН2Р04 или 0,25 М раствор ]а2НР04, в зависимости от того, насколько велико было повышение рН в ходе гидролиза индивидуальных составов. Водоцементное соотношение (объем раствора в мл к массе порошка в г) варьировалось и составляло от 0,4 до 0,6 в зависимости от эксперимента.
Для получения цементной пасты к жидкости при перемешивании металлическим шпателем добавляли половину требуемого количества порошковой смеси. Затем к полученной пасте консистенции жидкой сметаны добавляли остальное количество порошка. Полученную массу формовали в цилиндры длиной около 10 мм и диаметром 6 мм в металлической форме. Образцы термостатировали при 37 °С в течение 1 дня при 100 % влажности.
Далее проводились модельные исследования скорости растворения образцов (биорезорбируе-мости). Для этого 0,1 г порошка вносился в 100 мл ацетатного буферного раствора с рН = 5.0 при непрерывном перемешивании. При этом измерялась зависимость рСа в растворе от времени с применением иономера с комбинированными ионо-селективными электродами («Эксперт-001-1», Россия). Время измерений составляло до 24 часов.
Для оценки биоактивности материалов применялся тест с использованием SBF (раствора, эмулирующего солевой состав межтканевой жидкости). Предварительно, из составов В и С были
отпрессованы таблетки массой 0,3 г и диаметром 10 мм при усилии прессования 4 метрических тонны. Затем, после закрепительного отжига при 1000 °С в течение суток и проверки РФА на сохранение однофазности образца, таблетки опускались в стакан, содержащий первые 2 дня 100 мл SBF, а затем в течение 8 дней — 100 мл 1.5*SBF. Все это время образцы термо-статировали при 37 °С. Растворы, в которые были помещены таблетки, обновляли каждый день. Полученные после 2 и 10 дней образцы анализировались с помощью рентгенофазового анализа («ДРОН-3М», СССР) и растровой электронной микроскопии («JEM-2000FXП», Jeol, Япония).
Результаты и обсуждение
По результатам РФА все синтезированные образцы являются однофазными.
Результаты исследования зависимости рН раствора от времени при гидролизе исходных составов приведены на рис. 2. Наблюдается закономерное повышение конечного значения рН при переходе от составов с меньшим содержанием Са^Ю4 к составам с большим содержанием, кроме состава В. Его конечное значение рН даже ниже, чем у А, что, вероятно, связано с исключительной гидрофобностью соединения (что проявлялось, в частности, в образовании им пленки на поверхности воды и практически непроникновением порошка в толщу жидкости при проведении гидролиза) по сравнению с другими составами.
Исходя из этих данных, при проверке возможности использования данных составов как основы для цементов использовался в качестве жидкой фазы 0,25 М раствор ]аН2Р04 в случае составов С и D. Это было вызвано необходимостью понижения рН цементной массы, ведь та-
5 ю
время, часы
Рис. 2. Зависимость рН водных суспензий при гидролизе исходных составов
Современные материалы
кие высокие значения рН, достигаемые при гидролизе этих составов, неприемлемы в случае использования цементов для устранения костных дефектов в организме. В случае же составов А и В использовался 0,25 М раствор ^2НР04. Однако прочность цементов на основе индивидуальных силикофосфатов кальция с высоким содержанием SiO2 крайне низка. Можно лишь порекомендовать использовать данные составы как компоненты в многокомпонентных цементных смесях.
При исследовании же скорости растворения силикофосфатов при рН = 5,0 - близких к тем, которые вырабатываются в организме клетками, отвечающими за процесс разрушения старой костной ткани, все составы показали очень хорошие результаты (рис. 3). Уже практически за полчаса они полностью растворялись в ацетатном буфере. По начальному же этапу растворения видно, что скорость растворения увеличивается с увеличением доли Са3(Р04)2 (трикаль-циевого фосфата, ТКФ) в данном силикофосфате. Исключением из этой зависимости опять является состав В, очевидно, по той же причине, по которой и рН при его гидролизе был ниже, чем у других составов — из-за его исключительной гидрофобности по сравнению с другими исследуемыми составами. Таким образом, по этому модельному тесту на биорезорбируемость (то есть возможность замены на костную ткань в процессе обмена веществ в организме) все рассматриваемые составы могут быть рекомендованы в качестве керамики для использования в медицинской практике (кроме, может быть, состава В, поскольку проявляемая им гидрофобность — довод для нежелательности его применения в качестве материала для замены поврежденной костной ткани).
Была предпринята попытка провести для исследуемых материалов более комплексный тест на биоактивность (возможность срастания материала с костной тканью в организме), а именно — исследование осаждения ГАП из растворов на поверхность материалов. Для этого образцы В и С помещались в раствор, моделирующий состав межтканевой жидкости организма (SBF), пересыщенной относительно ГАП. Состав используемого в опытах SBF следующий: 142 тМ №+, 5 тМ К+, 1,5 тМ М£2+, 2,5 тМ Са2+, 147,8 тМ С1-, 27 тМ НС03-, 1 тМ НР042-, SO42-; рН раствора = 7,4 за счет использования ТИЕЗ-буфера (буфер на основе трисгидроксиметиламинометана и соляной кислоты). Данный тест является более комплексным, чем вышеописанные эксперименты по растворению, поскольку в ходе его могут происходить процессы и растворения (если образец представляет собой модифицированный ГАП или, например, ТКФ), и осаждения ГАП на поверхность образца из пересыщенного раствора.
В результате проведенных исследований (рис. 4) обнаружено, что оба состава обладают значительной биоактивностью, и после 10 дней в растворе SBF покрыты значительным поверхностным слоем нанофосфата кальция, который
Рис. 3. Зависимость рСа образцов от времени в процессах растворения в ацетатном буфере
Рис. 4. Рентгенограммы с поверхности таблеток состава С, выдержанных в ЯВЕ в течение 2 и 10 дней
дает достаточно размытые рефлексы при анализе поверхностей таблеток с помощью РФА (при этом рефлексы исходного состава не регистрируются). Однако все же большей биоактивностью, что согласуется с литературными данными, обладает образец, содержащий большую долю Si (в данном случае это состав С). Большую поверхностную активность богатых Si силикофосфатов, как в случаях с другими Яьмо-дифицированными фосфатами, так и в случаях с биоактивными стеклами, можно связать с образованием на поверхности материала силаноль-ных-ЯЮН групп, активно участвующих в процессе минерализации интерфейса. Такой материал интенсивно обменивается ионами кальция и фосфата с раствором, силанольные группы прочно связывают ионы кальция, способствуя формированию слоя аморфного фосфата кальция на поверхности, расслоение и кристаллизация которого приводит к формированию ажурного слоя, состоящего из частичек апатита (скорее всего, карбонатгидроксилапатита).
На рисунке 5 приведены фотографии поверхностного слоя таблеток. На них четко видно, что даже после 2 суток и в случае с составом В наблюдается значительный ажурный слой на-нокристаллических образований (толщины которого после 2 суток, правда, еще не достаточно, чтобы не регистрировались рефлексы исходного состава при РФА с поверхности таблетки).
Таким образом, тесты in vitro подтвердили биоактивность силикофосфатов промежуточного состава, керамика на основе которых может быть использована в медицине.
Выводы
1. Были синтезированы силико-фосфаты кальция Ca(3+x)(PO4)2_2x(SiO4)2x в широком диапазоне составов и исследована их гидролитическая активность.
2. Прочность цементов на основе индивидуальных силикофосфа-тов кальция с высоким содержанием SiO2 крайне низка. Однако можно порекомендовать использовать
данные составы как компоненты в многокомпонентных цементных смесях.
3. Тесты in vitro подтвердили биоактивность составов B и C, что позволяет рекомендовать керамику на их основе для использования в медицине.
Рис. 5. Микрофотографии поверхности таблетки состава С после 10 суток в ЯВЕ
5. Edith M. Carlisle. Silicon: a possible factor in bone calcification // Science. Vol. 167. 279, 16 January 1970.
6. Kokubo T., Yoshihara S., Nishimura N., Yamamuro T., Nakamura T. Bioactive bone cements based on CaO-SiO2
-P2O5 glass //
Список литературы
1. Hench L.L. Bioceramics // J. Am. Soc. 1998. Vol.81. No. 7. P. 1705-28.
2. Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants // J. Mater. Res. 1998. Vol.13. No. 1. P. 94-117.
3. Vallet-Regi M. Ceramics for medical applications // J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2001. P. 97-108.
4. Koerten H. K., Meulen J. van der. Degradation of calcium phosphate ceramics. 1999 John Wiley&Sons, Inc. CCC 0021-9304/99/010078-09.
J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74 (7). P. 1739-41.
7. Lazoryak B. I., Golubev V. N., AzievR.G. Ceram. Structure of calcium silicophosphates Ca(3+x) □ (1 x)
(PO4)2(1-x)(SiO4)2x // Kristallogr. 1988. Vol. 33. P. 1113.
8. Christel Klein P.A.T., de Blieck-Hogervorst J.M.A., Wolke J.G.C. and de Groot K. Studies of the solubility of different calcium phosphate ceramic particles in vitro // Biomaterials. 1990. Vol. 11, September.
9. TanahashiM., YaoT., Kokubo T., Minoda M. et al. Apatite coating on organic polymers by a biomimetic process // J. Am. Ceram. Soc. 1994. Vol. 77 (11). P. 2805-808.
В^стлбкл Wind Power Asia 2007
28-30 июня 2007, Пекин, Китай
WIND POWER ASIA — международная выставка, посвященная рассмотрению энергии ветра. Она проходит с 2003 и в последнее время становится все более и более популярной во всех странах Мира. Желающие получить незабываемые впечатления могут сделать это в период с 28 по 30 июня в Пекине в BICC Beijing International Convention Center.
Wind Power Asia является самой популярной азиатской выставкой в области применения ветровой энергии, а также значительным событием, имеющим международный статус этой отрасли.
На выставке будут представлены ветротурбины, оборудование для энергетических систем, контрольная и измерительная аппаратура, смазочные материалы и многое другое. Конференция, проходящая в рамках выставки Wind Power Asia 2007, соберет профессионалов отрасли, которые представят последние разработки и исследования в области систем, технологий и оборудования, потребляющего ветровую энергию. Во время проведения последней выставки WIND POWER ASIA в 2006 году ее участниками стали 83 международные компании, включая представителей Китая, Германии, США, Великобритании, Дании, Италии, Франции, Японии, Испании, Швейцарии, Австралии, Индии и России. Начиная с 2006 года выставка-конференция Wind Power Asia проводится ежегодно.
http://www.windpowerasia.com
