CC BY
62
УДК 546.05 + 543.621
ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСТВОРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОКСИАПАТИТА, ПОЛУЧЕННЫХ В ВОДНЫХ СИСТЕМАХ С ВАРЬИРУЕМЫМ СОДЕРЖАНИЕМ СИЛИКАТ-ИОНОВ
А. П. Солоненко1,2
1 Омский государственный медицинский университет, г. Омск, Россия
2 Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-215-220
Аннотация - Исследования, направленные на разработку новых биоактивных материалов для восстановления дефектов костных тканей, не утрачивают актуальности ввиду усиления регенеративного подхода в медицине. С этой точки зрения, материалы на основе фосфатов кальция, включающие силикат-ионы, рассматриваются как одни из наиболее перспективных групп веществ. В литературе освещаются способы получения и свойства гидроксиапатита, допированного различными количествами ионов SiO44-. В данной работе выполнен синтез твердых фаз в системах Ca(NO3)2 - (NH4)2HPO4 - Na2SiO3 -NH4OH - H2O (ССа/СР = 1.70) при варьировании в широком диапазоне концентрации добавки силиката натрия (у = CSi/CP = 0 + 5). Установлено, что в изучаемых условиях при у > 0.3 осаждается высокодисперсный плохоокристаллизованный апатит, содержащий изоморфные примеси СО32- и SiO44-, в смеси с гидросиликатом кальция и SiO2. Показано, что полученные композиты способны постепенно растворяться в физиологическом растворе и инициировать пассивное формирование минеральной компоненты твердых тканей.
Ключевые слова: гидроксиапатит, силикат-ионы, синтез, биоактивность, физиологический раствор.
I. Введение
Исследования костного матрикса человека показали, что основное минеральное вещество твердых тканей по составу и структуре близко к гидроксиапатиту (ГА, Са10(Р04)б(0Н)2) [1]. Сходство биогенной и синтетической солей обусловило широкое распространение последней в медицине в качестве биосовместимого материала для реконструкции костных дефектов. Применение находят как стехиометрическая форма ГА, так и различные ион-замещенные модификации. Изучаются возможности внедрения в состав апатита ионов металлов (Na+, K+, Mg2+, Sr2+ и др.) и анионов (Cl-, F-, CO32-, SiO44- и др.) [1]. Особое внимание при этом уделяется силикат-ионам ввиду того, что кремний играет важную роль на ранней стадии роста хрящей и кости, оказывает положительное влияние на синтез клетками остеобластов человека коллагена I типа, способствует увеличению плотности минеральной составляющей костной ткани за счет стимулирования осаждения основного фосфата кальция [2]. В этой связи активно исследуются вопросы синтеза ГА, содержащего различные количества ионов SiO44-. Также перспективно создание композитов, включающих силикатзамещенный апатит и самостоятельную кремниевую фазу, инициирующую активное включение синтетического материала в процессы формирования костных компонентов.
II. Постановка задачи
Основным методом синтеза ионзамещенного ГА является осаждение данной малорастворимой соли из водного раствора. При этом количество модифицирующей добавки, как правило, мало по сравнению с концентрациями основных осадкообразуюющих ионов.
Задача данной работы - синтез и физико-химическое исследование твердых фаз, формирующихся в щелочных водных кальциево-фосфатных системах, содержащих варьируемые количества Si044-, а также изучение закономерностей растворения полученных порошковых материалов в физиологическом растворе.
III. Теория
Синтез проводили в водных растворах Са(N03)2-(NH4)2HP04-Nа2Si03-NH40Н-H20 при комнатной температуре (t = 20 ^ 22 °С). В качестве реагентов для приготовления систем использовали Са(NO3)2•4H2O (х.ч.), (NH4)2HPO4 (ч.д.а.), №2SiO3^5H20 (ч.), NH40H (ч.д.а.), HNO3 (ч.д.а.), дистиллированную воду. Соотношение концентраций исходных компонентов задавали равным х = ССа/СР = 1.70, а долю кремниевого агента варьировали в диапазоне у = CSi/CP = 0 ^ 5. Для сравнения выполнен синтез твердой фазы в отсутствии фосфат-ионов, при CC3/CSi = 1. Значения ионной силы растворов в каждой из серий экспериментов не превышало 0.6 моль/л.
Реакционные среды получали путем покапельного приливания раствора, содержащего заданные количества (NH4)2HPO4 и/или №2SiO3, к раствору Са^03)2. После смешения компонентов величину рН водной суспензии корректировали до 10.00 ± 0.05 при помощи NH4OH (конц.) и/или HNO3 (1:1) и оставляли для кристаллизации в пластиковом сосуде. Каждый синтез проводили в трехкратной повторности.
Сформировавшиеся твердые фазы отделяли от надосадочной жидкости фильтрованием. Часть раствора отбирали для проведения химических анализов. Кальций определяли фотометрически по реакции с Арсеназо III в щелочной среде, фосфаты - УФ-методом по образованию в кислой среде фосфорномолибденового комплекса, силикаты фиксировали в виде желтой формы молибдокремниевой кислоты [РД 52.24.433-2005]. По разности исходных и остаточных концентраций осадкообразующих ионов в системах определяли химический состав твердых фаз.
Полученные осадки высушивали при 120 °С до постоянной массы и далее при 300 °С в течение 2 часов. Твердые фазы взвешивали на аналитических весах, после чего размалывали в фарфоровой ступке. Порошкообразные образцы исследовали с применением рентгенофазового анализа (РФА; дифрактометры «D8 Advance», Bruker и «XRD-7000», Shimadzu), ИК-Фурье-спектроскопии (ИК-Фурье-спектрометр «ФТ-801», СИМЕКС; пробы готовили прессованием в таблетки с KBr).
Изучали закономерности растворения образцов в растворе 0.9 % №Cl, изотоничном плазме крови человека. Для кинетических измерений пробы образцов массой 0.2000 ± 0.0002 г помещали в пластиковый сосуд, плотно закрывающийся крышкой, и заливали 50.0 мл раствора 0.9 % №Q. Измерения проводили при комнатной температуре (t = 20 ^ 22 °C). В ходе эксперимента контролировали зависимости от времени рН системы (рН-метр «SevenEasy S20» с электродом для измерения рН «InLab®413» (Mettler Toledo)), концентрации ионов кальция, фосфатов и силикатов, переходящих в жидкую фазу. Для определения концентрации Са2+, РО43- и SiO44- через заданные промежутки времени отбирали аликвотные части растворов. Соответствующий объем свежего 0.9 % №Cl вносили в систему для сохранения постоянства ее объема в ходе измерений.
IV. Результаты экспериментов
Методом РФА в составе осадков, полученных из систем Ca(NO3)2 - (NH4)2HPO4 - Na2SiO3 - NH4OH - H2O во всем диапазоне варьирования концентраций кремниевого агента и обработанных при 300 °С, обнаружена только фаза ГА (рис. 1). Расчет по формуле Селякова-Шеррера [3] показал, что эффективный диаметр (ОКР) частиц апатита в образцах составляет порядка 17 нм (табл. 1). При у > 1 размер кристаллитов уменьшается до 8 нм. По дифракционным данным вычислены параметры элементарной ячейки (п.э.я.) осажденного ГА (табл. 1). Зафиксировано увеличение параметра с относительно эталонного значения, характерного для Са]0(РО4)6(ОН)2, варьирование величины а в интервале 9.417 ^ 9.429 и повышение объема ячейки с ростом у. Данные изменения могут
быть связаны с изоморфными замещениями в анионной подрешетке вещества.
*
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4
2 Thêta
Рис. 1. Дифрактограммы образцов, полученных в системах с варьируемым количеством силикат-ионов
ТАБЛИЦА 1
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДЫХ ФАЗ ПО ДАННЫМ РФА
Образец у ОКР (ГА), нм Параметры элементарной ячейки ГА
а, А* с, А*
N1 0 17.9 ± 0.3 9.427 ± 0.002 6.879 ± 0.002
N2 0.1 19.1 ± 0.3 9.428 ± 0.002 6.883 ± 0.002
N3 0.3 17.2 ± 0.4 9.427 ± 0.002 6.883 ± 0.002
N4 0.5 17.0 ± 0.4 9.428 ± 0.002 6.885 ± 0.002
N5 0.75 17.6 ± 0.4 9.429 ± 0.002 6.888 ± 0.002
N6 1 14.9 ± 0.3 9.425 ± 0.002 6.888 ± 0.002
N7 2 13.3 ± 0.3 9.424 ± 0.002 6.889 ± 0.002
N8 5 8.6 ± 0.2 9.417 ± 0.004 6.898 ± 0.004
* Эталонные значения для стехиометрического ГА: а = 9.419 А, с = 6.883 А [карточка № 55-0592 базы данных по порошковой дифракции ICDD PDF_2, версия 2006 г.].
Так, результаты исследования методом ИК-Фурье-спектроскопии указывают на присутствие в составе осажденного апатита ионов СО32- и 8Ю44- (рис. 2). Полосы поглощения, проявляющиеся в ИК-спектрах образцов при 875 см-1 (у2), 1420 и 1460 см-1 (у3), свидетельствуют о частичном замещении РО4-тетраэдров в структуре ГА группировками СО32-, которые появляются в реакционных средах в результате поглощения СО2 воздуха. О включении силикатов в состав соли можно сделать вывод по снижению интенсивности полос поглощения ОН- ионов (630 и 3570 см-1, рис. 2), которое наблюдается в результате реализации следующего механизма изоморфного замещения:
РО43- + ОН- ^ 8Ю44- + Пон (1)
Рис. 2. ИК-спектры образцов, полученных при ^=0 (1), ^=0.3 (2), ^=0.75 (3), ^=2 (4), ^=5 (5), ^=0* Са/Б1=1 (6)
По результатам химического анализа для полученных твердых фаз рассчитаны молярные коэффициенты Са/Р и Са/(Р+81) (табл. 2). Установлено, что для всех порошков величина Са/Р соответствует нестехиометриче-скому апатиту (нГА) с дефицитом фосфора, который возникает в результате изоморфных анионных замещений. Значения СаДР+Si) по мере роста у закономерно и значительно уменьшаются, что, вероятно, вызвано появлением в составе продуктов синтеза неапатитовой компоненты.
ТАБЛИЦА2 ХАРАКТЕРИСТИКИ СОСТАВА ОБРАЗЦОВ
Образец у Са Р Са Р + Si Стехиометрические количества ионов в осадках
РО43- (и) SiO44- А**
N1 0 1.71 1.71 5.06 0 0.94
N2 0.1 1.73 1.67 5.04 0.16 0.96
N3 0.3 1.74 1.45 5.00 1.01 1.00
N4 0.5 1.74 1.25 4.99 1.97 1.01
N5 0.75 1.74 1.05 4.99 3.24 1.01
N6 1 1.75 0.92 4.98 4.48 1.02
N7 2 1.78 0.62 4.89 9.26 1.11
N8 5 1.88 0.29 4.61 25.3 1.39
N9 0* - 0.49 - - -
* Соа/С31 = 1.
** Д - разность между количеством ионов РО43- в стехиометрическом и полученном в данной работе ГА (Д=6-п).
Методом ИК-Фурье-спектроскопии подтверждено данное предположение. Помимо полос поглощения группировок, входящих в структуру ГА, в спектрах твердых фаз, осажденных в системах Са^03)2 - (КН4)2НР04 -№28103 - МН4ОН - Н20 при у > 0.3, фиксируются пики, отвечающие самостоятельной силикатной фазе. При 790 - 800 см-1 в спектрах образцов регистрируется мода валентных колебаний силоксановых мостиков (81-О-81) в составе оксида кремния [1, 4] и гидросиликата кальция (ГСК, гСа0т8102пН20) [5]. Плечо в области 1200 см-1 обусловлено валентными колебаниями связей 81-О в 8102 [4] и ГСК, для которого молярное соотношение Са/81 < 0.7 [6]. Названные рефлексы по мере увеличения доли силикат-ионов в исходной реакционной системе (у) становятся более выраженными, что указывает на повышение содержания данных компонентов в составе формирующейся твердой фазы.
Для исследования биоактивности синтетических материалов проведено исследование растворимости порошков в слабокислой среде (рН = 6.20) 0.9 % раствора №С1, изотоничного плазме крови человека.
По рис. 3а видно, что при растворении каждого из материалов на начальном этапе наблюдается быстрый рост значений рН среды относительно исходной кислотности 0.9 % раствора №С1 (рН ~ 6.20). Наиболее интенсивно рН увеличивается в течение первых суток, когда твердые частицы взаимодействуют с ненасыщенным раствором. Максимальный скачок рН в данный период фиксируется для порошков с высоким содержанием кремния (N7^9). Для них водородный показатель достигает значений порядка 9 ^ 10.5 единиц. При растворении образцов N^N6 по мере увеличения у наблюдается последовательное повышение щелочности растворов. Однако рН жидкой фазы не превышает 7.1 ± 0.1. Согласно имеющимся представлениям о химизме деградации ГА и СК [7, 8], резкое повышение рН на начальном этапе растворения материала происходит в результате поглощения протонов и связывания их в молекулы воды, дигидрофосфат-ионы и силанольные группировки. Очевидно, скачок рН тем сильнее, чем больше 81044-, РО43- и ОН- ионов содержится в составе вещества. Появление максимума на кривых рН = Дт), характеризующих резорбцию богатых кремнием образцов (N7 - N9), вероятно, вызвано протеканием вторичных процессов осаждения.
В ходе экспериментов установлено, что в зависимости от состава исследуемых материалов их поведение в физиологическом растворе различно. Так, при резорбции контрольных образцов N1 и N9 концентрация Са2+ в жидкой фазе нарастает. При этом растворимость порошка на основе ГСК (N9) втрое превышает данную характеристику образца, сложенного апатитом (N1). Количества РО43- и 81044-, переходящих в раствор, также увеличиваются во времени. Расчет молярных коэффициентов Са/Р и Са/81 показал, что при деградации N1 ионы кальция и фосфата выходят в раствор в примерно равных количествах, тогда как в случае резорбции ГСК (N9) соотношение Са/81 близко к 2/3. В результате Са2+, РО43- и 81044- постепенно накапливаются в среде, что указывает на отсутствие параллельных процессов, в которых они могли бы расходоваться. Таким образом, порошки на основе только ГА или ГСК способны растворяться в физиологическом растворе, однако последующего осаждения фосфатов кальция они не стимулируют.
(а)
(б)
ССа, ммоль/л
£, сутки
(в)
С5;, ммоль/л
(г)
СР, ммоль/л
18 21 г, сутки
Рис. 3. Зависимости рН (а), концентрации ионов кальция (б), силикатов (в), фосфатов (г) от времени растворения в 0.9 % №С1 образцов N1 (1), N3 (2), N5 (3), N7 (4), N8 (5), N9 (6)
При деградации в слабокислой среде образцов Ш-Ш фиксируется закономерный рост концентрации БЮ4 -в изучаемых гетерогенных системах. Наблюдается положительная корреляция между количеством ионов данного типа, выделяющихся в раствор, и содержанием кремния в твердой фазе. Однако ожидаемого накопления кальция в результате растворения твердых фаз (№-N8) не происходит. Кривые С(Са2+)=:(т) так же, как и С(РО43-)=Кт) имеют ниспадающий характер. Количества ионов металла и фосфатов со временем синхронно уменьшаются (рис. 3б-г). При этом чем выше содержание кремния в образце, тем меньшие количества Са2+ и РО43- обнаруживаются в растворе. Очевидно, поглощение Са2+ и РО43- происходит в результате протекания реакции осаждения ГА:
10 Са2+ + 6 РО43- + 2 ОН- ^ Саю(РО4)б(ОН)2. (2)
С интенсивным протеканием данного процесса также может быть связано уменьшение рН исследуемых гетерогенных систем после 1 ^ 3 суток взаимодействия образцов N7, N8 с физиологическим раствором (рис. 3,а).
Описанные процессы обусловливают тот факт, что с течением времени и при переходе к образцам, более богатым кремнием, в растворе обнаруживаются значительные количества силикатов. В целом, концентрации ионов в системах (С!) снижаются в следующей последовательности: 8Ю32- > Р043- > Са2+. Это указывает на активное участие силикатов в процессе резорбции материалов.
V. Обсуждение результатов Приведенные данные свидетельствуют о том, что в исследуемых системах Са^03)2 - (КН4)2ИР04 - №28Ю3 - КН4ОН - Н20 во всем диапазоне варьирования концентраций кремниевого агента фаза ФК осаждается в виде высокодисперсного плохоокристаллизованного кремнийсодержащего карбонатгидроксиапатита. Избыток введенных в систему силикат-ионов выделяется в виде аморфного 8Ю2 и ГСК.
По результатам экспериментов с 0.9 % №С1 установлено, что в слабокислых средах происходит преимущественная деградация более растворимой силикатной фазы (ГСК), в результате чего повышаются концентрации ионов Са2+ и 8Ю44- в жидкой фазе. Протекание реакции осаждения ГА в данных условиях, зафиксированное по синхронному снижению количеств ионов кальция и фосфатов в растворах, характеризует синтетические образцы как биоактивные. Материалы способны инициировать пассивное (без участия специализированных клеток) формирование минеральной компоненты твердых тканей.
Описанные закономерности позволяют предположить, что материалы на основе разработанных составов могут быть эффективны в отношении восстановления поврежденных участков твердых тканей в стоматологии и инженерии костной ткани.
VI. Выводы и заключение
Установлено, что в системах Ca(NO3)2 - (NH4)2HPO4 - Na2SiO3 - NH4OH - H2O образуется высокодисперсный плохоокристаллизованный апатит, содержащий изоморфные примеси СО32- и SiO44-. При у > 0.3 дополнительно осаждается силикатная фаза (ГСК и SiO2). В ходе экспериментов in vitro определено, что растворимость возрастает по мере увеличения содержания силикатной фазы в составе образцов и превышает данную характеристику апатита. Протекание реакции осаждения Саю(РО4)6(ОН)2, зафиксированное по синхронному снижению количеств ионов кальция и фосфатов в растворе 0.9 % NaCl, характеризует синтетические смеси как биоактивные. Материалы способны инициировать пассивное (без участия специализированных клеток) формирование минеральной компоненты твердых тканей.
Материалы на основе разработанных составов могут быть эффективны в отношении восстановления поврежденных участков твердых тканей в стоматологии и инженерии костной ткани.
Источник финансирования. Благодарности
Исследование выполнено в рамках НИР №. 17045В ОмГТУ.
Автор благодарит за помощь в выполнении физико-химических исследований к.т.н., доцента, директора НОРЦ нанотехнологий ОмГТУ А.И. Блесмана и к.п.н. Д.А. Полонянкина.
Список литературы
1. Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука, 2005. 204 с.
2. Marchat D., Zymelka M., Coelho C., Gremillard L., Joly-pottuz L., Babonneau F., Esnouf C., Chevalier J., Ber-nache-assollant D. Accurate characterization of pure silicon-substituted hydroxyapatite powders synthesized by a new precipitation route // Acta Biomaterialia. 2013. № 9. Р. 6992-7004.
3. Данильченко С. H. Структура и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения (обзор) // Вюник СумДУ. Серiя Фiзика, математика, мехашка. 2007. № 2. С. 33-59.
4. Чукин Г. Д. Химия поверхности и строение дисперсного кремнезёма. М.: Типография Паладин, ООО «Принта», 2008. 172 с.
5. Meiszteries A., Rosta L., Peterlik H., Rohonczy J., Kubuki S., Henits P., Sinko K. Structural Characterization of Gel-Derived Calcium Silicate Systems // J. Phys. Chem. A. 2010. V. 114. P. 10403-10411.
6. Kirkpatrick Yu P., Poe B. R.J. [et al.]. Structure of calcium silicate hydrate (C-H-S): near-, mid-, and far-infrared spectroscopy // J. Am. Ceram. Soc. 1999. V. 82, no 3. Р. 742-748.
7. Ni S., Lin K., Chang J., Chou L. p-CaSiO3/p-Ca3(PO4)2 composite materials for hard tissue repair: In vitro studies // J. Bi-omed. res. Part A. 2008. V. 85, no 1. Р. 72-82.
8. Dorozhkin S.V. Dissolution mechanism of calcium apatites in acids: A review of literature // World J. Methodol. 2012. V. 2, no 1. Р. 1-17.
УДК 620.22:62-976+538.91
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОКСИДА ВАНАДИЯ В ПРЕДЕЛАХ ОБЛАСТИ ГОМОГЕННОСТИ
Вад. И. Суриков1, Н. А. Семенюк1, Вал. И. Суриков1, Ю. В. Кузнецова2, О. Ю. Павловская1
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2ОАО «Сугутнефтегаз», г. Сургут, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-220-225
Аннотация - Обсуждаются результаты комплексного исследования диоксида ванадия VO2±x, полученные с помощью метода рентгеноструктурного анализа, метода вакуумного адиабатического калориметра, метода Фарадея. Представлены температурные зависимости электросопротивления, теплоемкости, а также магнитной восприимчивости образцов, из которых следует, что данные характеристики скачком меняются в области фазового перехода. Установлено, что теплофизические, электрические, магнитные свойства диоксида ванадия меняются с изменением содержания кислорода в образцах. При-
