CC BY
446
УДК 542.65
ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКА ГИДРОКСИАПАТИТА В ХОДЕ ЖИДКОФАЗНОГО СИНТЕЗА
Т.И. Гузеева, В.В. Гузеев*, Л.А. Леонова, О.А. Лелюк, А.С. Крикуненко, Ю.В. Шатохина
Томский политехнический университет *Северская государственная технологическая академия, г. Северск E-mail: [email protected]
Разработан метод синтеза порошков гидроксиапатита осаждением из водных растворов солей кальция и фосфора с использованием ЭДТА. Методом рентгенофлуоресцентного анализа установлено, что введение комплексообразователя в раствор приводит к образованию гидроксиапатита с соотношением Са/Р, близким к 1,67.
Ключевые слова:
Гидроксиапатит, этилендиаминтетраацетат натрия, рентгенофлуоресцентный анализ, дифференциально-термический анализ, инфракрасная спектроскопия.
Key words:
Hydroxyapatite, sodium ethylene diamine tetraacetate, X-ray fluorescence analysis, differential-thermal analysis, infrared spectroscopy
Интерес к гидроксиапатиту Са10(Р04)6(0Н)2 (ГА) обусловлен большим значением его для биологических исследований и практической медицины вследствие того, что он является главной неорганической составляющей костной ткани живого организма и обладает высокой биологической совместимостью [1]. В качестве материала имплантатов и покрытий в стоматологии и ортопедии применяется гидроксиа-патит. В настоящее время преимущественно используется естественный (биологический) гидроксиапа-тит, полученный из костей крупного рогатого скота. При этом получают порошки с широким спектром дисперсности с частицами до 50...100 мкм. Взаимодействие ГА с живым объектом зависит от его химического состава, размера и морфологии кристаллов. Поэтому получение синтетического аналога минеральной составляющей кости является задачей актуальной и востребованной.
При создании биосовместимых материалов заданного состава и морфологии остро стоит проблема разработки методов их синтеза.
Основными методами синтеза ГА являются растворные и твердофазные. Растворные методы включают осаждение, гидротермальный синтез, гидролиз фосфатов кальция [2]. Эти методы наиболее многообразны и, при использовании различных технических приемов, позволяют получать порошки с воспроизводимой и регулируемой формой кристаллов, степенью кристалличности, заданным соотношением Са/Р (для биологического ГА определено отношение Са/Р=1,67).
Хорошие результаты по заявленным параметрам были получены при использовании метода постоянного состава [2].
В основу классического синтеза мелкокристаллических порошков ГА положен метод осаждения, в котором в качестве исходных реагентов использовали растворы нитрата кальция и гидроортофос-фата аммония [3]. Взаимодействие между реагентами происходит по реакции:
10Са(Ш3)2+6(Ш4)2НР04+8Ш40Н= =Са10(Р04)6(0Н)2+20Ш4Ш3+6Н20.
Известно также, что синтез гидроксиапатита в присутствии различных полимерных добавок (например, коллагена, желатина, стеариновой кислоты, полиакриловой кислоты и др.) способствует кристаллизации наноразмерного порошка ГА и влияет на форму получаемых кристаллов [4].
Для получения композиционных материалов с использованием различных полимерных матриц, наполненных ГА, перспективным является использование микрокристаллического порошка или микроволокон. Формирование осадков в виде микроволокон может быть осуществлено при гомогенном осаждении.
Экспериментальная часть
Синтез ГА проводили из водных растворов по методике [3], воспроизводя условия эксперимента, указанные в работе [5].
Вторая методика синтеза ГА основана на использовании натриевой соли этилендиаминте-трауксусной кислоты. 1 М раствор Са(К03)2 смешивали в стехиометрическом соотношении с раствором №2-ЭДТА (этилендиаминтетраацетат натрия) при температуре 40...70 °С. К этой смеси по каплям приливали раствор гидроортофосфата аммония при постоянном перемешивании, выдерживали раствор с осадком при рН 8...9 и температуре 40...60 °С, непрерывно перемешивая 10...20 мин, и оставляли осадок при температуре 20 °С на сутки. Затем осадок отфильтровывали и промывали на фильтре горячей дистиллированной водой, высушивали также на фильтре при 100...150 °С, нагревали при 250 °С в течение часа для удаления остатков КН4К03 и прокаливали при 700 °С до постоянной массы, как правило, в течение часа.
Синтез ГА проводили в две стадии по реакциям:
Н2-Ка2С10Н120^2+Са(К03)2= =Са-Ка2С10Н1208К2+2НШ3, 10Са-Ка2С10Н120^2+6(Ш4)2НР04+8Ш40Н= =Са10(Р04)6(0Н)2+10(Ш4)2-Ка2С10Н1208^+6Н20.
Полученные порошки ГА исследовались методами рентгенофлуоресцентного анализа (РФлА), ИК-спектрометрического и дифференционально-термического анализа (ДТА) на спектрометре 0иап1;'Х, ИК-Фурье спектрометре №со1е1 5700 и термоанализаторе 8БТ 0600, соответственно.
Результаты и их обсуждение
Сравнительный анализ порошков, синтезированных двумя способами, был произведен методом РФлА. Критерием оценки качества порошка было выбрано соотношение кальция к фосфору. Типичный рентгенофлуоресцентный спектр порошков ГА приведен на рис. 1.
/, отн.ед.
Таблица 1. Данные рентгенофлуоресцентного анализа порошков ГА, синтезированных из растворов различной концентрации
Соотношение [Ca2+]:[HPO421, моль/л Интенсивность пика I, отн. ед. Рса/Ip, отн. ед. Са/Р расчет
1са Р
Биологический ГА 217,9 10,7 20,4 1,67
1:1,3 209,4 12,0 17,5 1,43
0,6:1 215,7 12,0 18,0 1,47
0,3:0,5 210,1 11,2 18,7 1,53
0,15:0,25 206,3 10,7 19,3 1,57
Таблица 2. Данные рентгенофлуоресцентного анализа порошков ГА, синтезированных с использованием ЭДТА
Интенсивность пика I, отн. ед. Рса/Ip, отн. ед. Са/Р, расчет Осадок выдерживали в избытке Ca2+
1са 1р
206,4 11,1 18,6 1,53 -
214,3 11,1 19,3 1,58 2
213,7 10,5 20,4 1,67 1,75
4 £,кэВ
Рис. 1. Рентгенофлуоресцентный спектр порошка ГА
Расчет Са/Р осуществляли по соотношению интенсивностей пиков фосфора и кальция в аппаратурном спектре вещества и сравнивали эти значения с показаниями РФлА эталона - биологического ГА. Калибровку спектра [6] производили по стехиометрическим соединениям кальция и фосфора: CaHPO4, Ca(HPO4)2, (NH4)2HPO4, Ca(NO3)2.
Отношение Ca/P рассчитывали по формуле:
Пгл /Р _ 1 67 (^ Ca / 1р)образец
/ Робразец _ 1 67 • 71~~ГТ~) •
(1 Ca / 1Р/ биолог ГА
Рентгенофлуоресцентный анализ образцов ГА, синтезированных по методике [3], показал (табл. 1), что соотношение между кальцием и фосфором в данных образцах существенно отличается от Ca/P в биологическом ГА. Установлено, что с уменьшением концентрации исходных компонентов в растворе, это соотношение увеличивается. Результаты РФлА при варьировании соотношения концентраций в исходных растворах [Ca2+]:[HPO42-] приведены в табл. 1.
Результаты рентгенофлуоресцентного анализа порошков, синтезированных с ЭДТА, показаны в табл. 2. Соотношение концентраций в исходных растворах [Ca2+]:[HPO42-]:[ЭДТА], моль/л, равно 0,17:0,1:0,02.
На рис. 2 представлены ИК-спектры порошков ГА, биологического и синтезированного с использованием ЭДТА. Проведено сравнение ИК-спек-тров этих порошков. Оба спектра характеризуются наличием полос ОН- групп: О-Н валентных колебаний в области 3570...3730 см-1 и при 3000...3600 см-1 валентных колебаний ОН- групп, участвующих в водородной связи; наличием интенсивных полос поглощения в области 1030...1140 и 930...990 см-1, относящихся к валентным антисимметричным и симметричным колебаниям связей Р-0 в фосфатной группе, соответственно, полосы в области 520...660 и 410...490 см-1 отвечают деформационным антисимметричным и симметричным колебаниям связей Р-0 в фосфатной группе, соответственно.
Рис. 2. ИК-спектры порошков, биологического ГА (1) и синтезированного с ЭДТА, высушенного и прокаленного при 700 °С (2)
Спектры биологического и синтезированного ГА, в основном, идентичны, за исключением того, что в спектре биологического гидроксиапатита, присутствуют характеристические интенсивные полосы в областях 1370...1515 и 852...880 см-1, соответствующие модам колебаний карбонатных групп V и у2, соответственно. Наличие карбонат-иона в
структуре ГА свойственно биологическому ГА, составляющему костные ткани организма [7]. В спектре образца, полученного синтезом с ЭДТА, также присутствуют слабые полосы поглощения карбонатных групп. При синтезе ГА образование и внедрение карбонат-ионов в структуру ГА происходит при взаимодействии диоксида углерода, растворенного в воде и содержащегося в атмосфере воздуха.
Рис. 3. ИК-спектр порошка ГА, синтезированного с ЭДТА, высушенного при 100 °С
Стоит отметить, что спектры синтезированных порошков, не прошедших стадию прокаливания при 700 °С, имеют существенное отличие от спектра биологического порошка (рис. 3): спектры высушенных порошков, синтезированных с ЭДТА, отличают моды колебаний С=О и свободных СОО-групп [8]. Нами сделано предположение, что соответствующие полосы могут появляться в результате образования химической связи между карбокси-ионами ЭДТА и кальцием в составе гидроксиапа-тита.
Эти предположения подтверждаются результатами ДТА (рис. 4, а): при 180 °С начинается термодеструкция молекулы комплексона, находящейся в структуре ГА. В соответствии с [9] максимальная скорость разложения молекулы комплексона отмечается при 240...250 °С.
Согласно термогравиметрическому (ТГ) анализу (рис. 4, а), масса порошка ГА при нагревании до 900 °С значительно снижается - до 81 %. На кривых ТГ можно выделить следующие этапы (рис. 4, а). Первый этап (уменьшение ~3 мас. %, до 150 °С) можно связать с удалением физической воды. Второй этап (~5,5 мас. %, 150...230 °С) связан с разложением нитрата аммония. Третий этап (~4 мас. %, 230...300 °С) может быть отнесен к термодеструкции комплексона. Четвертый этап (~5 мас. %, 300...550 °С) связан с удалением хемосорбирован-ной воды.
Поскольку синтез проводили на воздухе, захват щелочным раствором С02 и вхождение СО32- в структуру гидроксиапатита были неизбежны. Поэтому уменьшение массы на пятом этапе (~1,5 мас. %) при температурах 550...900 °С может быть связано с разложением карбонатгидроксиапатита и удалением СО, [5].
19.0 18.518.017.52
£ 170-
Ой
16.516.015.5-
0 100 200 300 400 500 600 700 Температура,°С
Рис. 4. Термограммы синтезированного гидроксиапатита: высушенного при 100 °С (а), прокаленного при 700 °С (б). Скорость нагрева 10 град/мин, среда - воздух
На термограмме синтезированного порошка после прокаливания при 700 °С (рис. 4, б) убыль массы не превышает 1 %, что свидетельствует об удалении остаточной влаги и СО2.
В работах, посвященных синтезу ГА [2, 5, 10], ставились различные цели и в качестве функции отклика рассматривались дисперсность порошка, его прессуемость, спекаемость. При использовании ГА как керамического материала эти параметры имеют определяющее значение. Для применения ГА в качестве наполнителя для покрытий эндо-протезов, с точки зрения биологической совместимости, необходимо более точно выдерживать соотношение Са/Р=1,67.
Для формирования микрокристаллического гидроксиапатита и достижения соотношения Са/Р, близкого к 1,67, был осуществлен синтез ГА в режиме гомогенного осаждения с применением ком-плексообразователя - ЭДТА. Известно, что его натриевая соль образует прочный комплекс с кальцием и взаимодействует с ионами Са2+ стехиоме-трически в соотношении 1:1 [9].
Методы гомогенного осаждения применяют для направленного формирования осадков определенной морфологии [11]. Эти методы относятся, как правило, к диффузионным, «медленным» процессам. Их особенность заключается в том, что ос-адитель не приливают к раствору, содержащему ос-
аждаемые ионы, а он образуется непосредственно в ходе процесса за счет разложения нейтрального вещества, комплексного соединения, медленной окислительно-восстановительной реакции или замены растворителя. Гомогенное осаждение позволяет избегать локальных пересыщений раствора, возникающих в местах ввода одного из реагентов. Данный метод способствует получению гидроксиа-патита заданного состава и с требуемыми свойствами.
В работе [10] установлено, что при периодических процессах осаждения происходит изменение физико-химических условий, которые приводят к получению осадков переменного состава. При периодическом приливании осадителя, в данном случае (КН4)2НР04, процесс протекает в две стадии: первичный процесс - осаждение СаНР04 и вторичный - химическая межфазовая реакция между свежеобразованным осадком и избытком соли кальция, находящегося в данный момент в растворе. Вторичный процесс, протекающий частично по топохимическому механизму, при уменьшении концентрации кальция в растворе приводит к образованию осадка переменного состава и увеличению доли кальция в его составе. Вероятно, в разбавленных растворах это процесс протекает быстрее и при одном времени старения приводит к получению
осадков ГА с соотношением Ca/P, близким к биологическому. Не исключается влияние увеличения диффузионной составляющей гетерогенного процесса осаждения при разбавлении растворов, лимитирующей скорость процесса и способствующей формированию более совершенных кристаллов.
Выводы
1. Осаждением из водных растворов солей кальция и фосфора с использованием комплексооб-разователя ЭДТА получен синтетический ги-дроксиапатит со свойствами, соответствующими биологическому.
2. Методом рентгенофлуоресцентного анализа установлено, что способ синтеза гидроксиапа-тита с ЭДТА позволяет получать порошки с соотношением Ca/P=1,67, соответствующим сте-хиометрическому соединению.
3. ИК-спектрометрическим методом доказана идентичность качественного состава биологического и искусственного гидроксиапатита.
4. Дифференционально-термическим методом определены оптимальные температуры термической обработки гидроксиапатита, которая включает три температурных режима 100...150, 200...300 и 700...800 °С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Орловский В.П., Ежова Ж.А., Родичева Г.В., Коваль Е.М., Суханова Г.Е., Тезикова Л.А. Изучение условий образования ги-дроксиапатита в системе СаС12-(МН4)2НР04-ОТ40Н-Н20 (25 °С) // Журнал неорганической химии. - 1992. - Т. 37. -Вып. 4. - С. 881-883.
2. Вересов А.Г., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д. Достижения в области керамических биоматериалов // Российский химический журнал. - 2000. - Т. 94. - № 6. - Ч. 2. - С. 32-45.
3. Руководство по неорганическому синтезу: В 6 т. / Под ред. Г. Брауэра. Пер. с нем. - М.: Мир. - 1985. - Т. 2. - 657 с.
4. Фомин А.С., Комлев В.С., Баринов С.М., Фадеева И.В., Рен-гини К. Синтез нанопорошков гидроксиапатита для медицинских применений // Перспективные материалы. - 2006. - № 2. - С. 51-54.
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. Лосев Н.Ф., Смагунова А.Н. Основы рентгеноспектрального флуоресцентного анализа. - М.: Химия, 1982. - 206 с.
7. Путляев В.И. Современные биокерамические материалы // Соросовский образовательный журнал. - 2004. - № 1. -С. 44-50.
8. Накамото К. ИК спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений / Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. -536 с.
9. Дятлова Н.М., Темкина В.Я., Попов К.И. Комплексоны и ком-плексонаты металлов. - М.: Химия, 1988. - 544 с.
10. Орловский В.П., Комлев В.С., Баринов С.М. Гидроксиапатит и керамика на его основе // Неорганические материалы. - 2002. - Т. 38. - № 10. - С. 1159-1172.
11. Вассерман И.М. Химическое осаждение из растворов. - Л.: Химия, 1980. - 208 с.
Поступила 19.06.2009 г.
