Синтез фторгидроксилапатита из прототипа ротовой жидкости Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2016. № 4. С. 70-74. УДК 544.77

О.А. Голованова, З.В. Романенко

СИНТЕЗ ФТОРГИДРОКСИЛАПАТИТА ИЗ ПРОТОТИПА РОТОВОЙ ЖИДКОСТИ*

В работе изучены условия образования фосфатов кальция в присутствии фторид ионов. Показано, что при наименьшей концентрации фторид-ионов происходит кристаллизация брушита, а при увеличении концентрации образуется гидроксилапатит. В присутствии хлорид ионов при наименьшей и средней концентрации наблюдается совместная кристаллизация брушита и гидроксилапатита, а при увеличении концентрации образуется гидроксилапатит. Установлено, что в случае добавок фтора и хлора при прокаливании наибольшее изменение массы осадка и лучшей растворимостью характеризуются образцы, полученные при рН = 5,50.

Ключевые слова: фторапатит, гидроксилапатит, кристаллизация, фторид ионы, растворимость, масса осадка, кислотность среды.

Введение

Перспективным направлением модификации гидроксилапатит (ГАП) с точки зрения получения материала с улучшенными свойствами является введение в его структуру атомов фтора. Такое преобразование позволит улучшить стабильность материала в химически активной среде человеческого организма и повысить устойчивость при сохранении биосовместимости, присущей ГАП.

Известно, то фтор содержится во всех тканях организма [1-5]. Он может находиться в нескольких формах: кристаллическая форма фторапа-тита (ФАП): зубы, кости; в комплексе с органическими веществами глико-протеидами, при этом образуется органический матрикс эмали, дентина, костей. По литературным данным 2/3 общего количества фтора находится в ионном состоянии в биологических жидкостях: кровь, слюна [6; 7].

В данной работе в качестве прототипа биологической среды была выбрана ротовая жидкость. По составу ротовая жидкость представлена как неорганическими, так и органическими составляющими. Неорганические компоненты состоят из макро- и микроэлементов (Н, К, Ма, Са, Mg, Ре, Си, Р, 8, С1, Р), они могут находиться в ионизированной форме в виде простых и сложных ионов. Из органических веществ в слюне преобладают аминокислоты, мочевина, моносахариды [2].

Известно, что ионы фтора способствуют росту частично деминерализованных кристаллов эмали. В результате этого образуется фторапатит или фторидный гидроксилапатит. Наличие ионов фтора на поверхности зуба в жидкой фазе между кристаллами призмы эмали и вокруг них оказывает существенное воздействие на процессы деминерализации эмали. В процессе деминерализации ионы фтора, адсорбированные на поверхности кристалла эмали, защищают кристалл, придавая ему свойства фторапа-тита. Вследствие этого растворимость кристалла в кислотах уменьшается. Предполагается, что поверхность кристалла эмали частично покрыта слоем фторида кальция, проявляющим сходные защитные свойства. При увеличении уровня рН из-за меньшей растворимости в кислотах первым в осадок выпадает фторапатит. При дальнейшем возрастании значения рН осаждаются гидроксилапатит и другие формы апатитов.

* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 15-29-04839 офи_м).

© Голованова О.А., Романенко З.В., 2016

Наличие фторидов в поверхностных слоях эмали способствует сокращению периода деминерализации, так как растворившиеся ранее неорганические вещества осаждаются вновь. Увеличение на поверхности зуба фторапатита повышает устойчивость тканей к кариозным поражениям.

Цель работы - исследование влияния фторид-ионов на процесс формирования фосфатов кальция из модельного раствора слюны человека.

Экспериментальная часть

Кристаллизацию фосфатов кальция изучали in vitro в среде, по электролитному составу приближенной к ротовой жидкости человека [7].

В ходе эксперимента была приготовлена серия водных раствором с различным содержанием фторид ионов, заменяя 0,25; 0,5; 0,75 масс% фосфат-ионов на фторид-ионы. Навески солей количественно переносили в мерную колбу на 250 мл и устанавливали необходимое значение рН раствора.

Фазовый состав полученных осадков исследован с помощью РФА (ДРОН-3) и ИК-спектроскопии (спектрофотометре «ФТ-02»). Идентификация пиков на дифрактограммах проводилась с помощью картотеки JCPDS и программных пакетов DifWin4.0 и Crystallographica Search-Match. Содержание присутствующих фаз в образцах определяли по методу корундовых чисел (метод Чанга, программа Crystallographica Search-Match). Размеры области когерентного рассеяния (ОКР, минимальные размеры кристаллитов) твердых фаз определены по формуле Дебая-Шеррера [6]. Параметры и объем элементарной ячейки кристаллов были вычислены по формулам для гексагональной сингонии ГАП.

Содержание основных компонентов в фильтрате определяли с помощью химических методов анализа: Ca и Mg при их совместном присутствии - методом комплексо-нометрического титрования с отделением фосфатов (РД 52.24.403-2007); концентрацию фосфатов - фотометрически по молибденовой сини (Лэфф = 690 нм, кюветы с толщиной слоя 2 см, ГОСТ 18309-72); содержание фторид-ионов в фильтрате определяли методом прямой потенциометрии.

Изучение резорбции (растворимости) полученных образцов проводилось путем их динамического растворения при постоянном перемешивании в растворе 0,9 %-го хлорида натрия (рН«7), и трис-буфере (pH = pH = 7,4) при температуре (20-21 °C). Через определенные промежутки времени (т = 0-90 мин) с помощью прямой потенциометрии фиксировали значение кислотности среды и показателя концентрации ионов кальция в растворе. На заключительном этапе эксперимента проводилось взвешивание высушенной нерастворившейся твердой фазы. На основе полученных экспериментальных данных были получены кинетические кривые и проведена их математическая обработка по алгоритму, описанному в работе [8].

Статистическую обработку полученных данных проводили методом Стьюдента для доверительной вероятности Р = 0,95, исходя из предположения об их распределении по нормальному закону (программный пакет Statistic Soft 2006).

Результаты экспериментов и их обсуждение

Рентгенофазовый анализ синтезированной твердой фазы (рис. 1) показал, что в составе осадка присутствует фторапатит (Ca5(P04)3F).

Рис. 1. РФА-спектр синтезированного образца

Анализ ИК-спектра (рис. 2) показал, что в составе осадка были идентифицированы полосы:

- полосы деформационных колебаний О-Р-О в (РО4)3- в области 640-550;

- полосы ассиметричных валентных колебаний Р-О в области 1060-1030;

- полосы деформационных колебаний О-С-О в области 875-87.

Таким образом, состав твердых образцов представлен карбонатзамещенным фторапа-титом.

Далее в результате эксперимента была получена серия твердых фаз с различным содержанием фторид ионов и отличающихся по массам (табл. 1). Видно, что при увеличении содержанием фторид ионов в исходном растворе наблюдается неоднозначное изменение массы осадка. По нашему мнению, такая зависимость объясняется возможным замещением фторид-ионами и карбонат-ионами гидроксильных и фосфатных групп в составе твердой фазы, что согласуется с литературными данными [3].

Рис. 2. ИК-спектр образца фторапатита

Таблица 1 Характеристики твердых фаз фторапатита

Содержание фтора в исходном растворе, моль/л Масса осадка, г Са/Р Содержание фтора в осадке

0,0076 1,1686 2,66 0,0068

0,0153 1,1628 4,63 0,0111

0,0229 1,1644 7,67 0,0143

Ионы фтора сравнительно легко замещают гидроксил в растворах, формируя фторапатит (ФАП) Calo(PO4)6F2 на поверхности гидроксила-патита поскольку ФАП (-1gПPфАп = 119-122) менее растворим, чем ГАП (-1gПP ГАП = 117): Саш(РО4)б (ОН)2+ хР = = Са10(РО4)б(ОН)2.хРх+ хОН- (1)

Фторид-ион способствует осаждению в водных растворах крупных столбчатых кристаллов фторапатита с четкой гексагональной огранкой [6].

Важной характеристикой фосфатов кальция является стехиометрия его состава, которую принято выражать Са/Р-соотноше-нием. По результатам синтеза установлено, что при увеличении концентрации фторид-ионов Са/Р-соотношение увеличивается (рис. 3). По нашему мнению, такая зависимость объясняется возможным замещением фторид-ионами и карбонат-ионами гидрок-сильных и фосфатных групп в составе твердой фазы. Введение ионов фтора в кристал-

лическую рещетку гидроксилапатита оказывает стабилизирующее действие. Так же обмен ионов ОН- на ионы фтора должен быть эффективным в силу большей разности в энергиях связей. При замещении фосфат-ионов карбонат-ионами необходима компенсации различия зарядов РО43- и СО32- групп, что достигается посредством совместного замещения карбонат и фторид-ионами групп РО43-. Данное утверждение подтверждается увеличением количества фторид-ионов, перешедшего в осадок (табл. 1).

10 8 6 4 2

0

0,005

0,01

0,02

0,025

0,015 С (Р-), моль/л

Рис. 3. Зависимость Са/Р от концентрации фторид-ионов

Результаты микроскопического анализа модельных растворов с добавлением ионов фтора различной концентрации является подтверждением полученных РФА и ИК-спектроскопии данных (рис. 4).

Рис. 4. Оптическая микроскопия фторапатита

Одним из требований предъявляемым к образцам на основе фосфатов кальция является их биоактивность, которая характеризует скорость растворения синтетических материалов в слабокислой среде, создаваемой определенными группами клеток [8].

Растворение образцов фторапатита проводилось 0,01M HCl. В результате эксперимента были получены зависимости рН (рис. 5) и концентрации ионов кальция (рис. 6) от времени растворения.

2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9

ГАП

ФАП(0,015М) ФАП(0,008М)

0

10

30

CN

та О

о

20 1 мин

Рис. 5. Зависимость рН от времени растворения в соляной кислоте

6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2

40

0

20 1, мин

Рис. 6. Зависимость концентрации ионов кальция от времени растворения в соляной кислоте

40

Анализ кривых показал, что в начальный момент времени (10-15 мин.) наблюдается увеличение рН от 1,9 до 2,6, далее ход кирвых практически не изменяется и выходит на плато. Однозначной зависимости растворимости синтезированных образцов от концентрации фторид-ионов в исходном растворе не установлено.

Однако концентрация ионов кальция при растворении в образцах соответствующих содержанию фторид-ионов в растворе 0,008 и 0,015 при растворении возрастало, но в меньшей степени по сравнению с незамещенным гидроксилапатитом. Это говорит об уменьшении растворимости образцов с увеличением концентрации фторид-ионов. Это же подтверждают значения произведений растворимости, которые составляют для ГАП и ФАП, соот--122 -126 ветственно 1,022-10 и 4,3-10 . Было отмечено, что зависимость ионов кальция от времени в образце с наибольшим содержанием фторид-ионов не вышла на плато. Это говорит о том, что образец фторапатита полностью не растворился за время эксперимента.

Регрессионный анализ кинетических кривых показал, что растворение - многостадийный процесс. На начальной стадии зависимость концентрации кальция в растворе от времени можно аппроксимировать линейной функцией. С течением времени растворение замедляется, и кинетика подчиняется экспоненциальной зависимости:

С(Ч = О, + 041 - exp(-bt)], где С0 - начальная концентрация, Ст - концентрация насыщения, Ь - коэффициент.

Экспоненциальная зависимость соответствует кинетике реакции первого порядка, когда скорость изменения количества «активных центров растворения» (С(^) в растворяемом материале пропорциональна их количеству в данный момент:

где коэффициент к не зависит от времени.

На «экспоненциальной» стадии растворения скорость изменения концентрации со временем уменьшается:

СтЬ ехр(-Ы), поэтому в качестве количественной меры можно рассматривать начальную скорость растворения:

dC(t) dt

= г

Результаты количественных оценок кинетических параметров представлены в табл. 2.

Таблица 2 Кинетические параметры растворения образцов в 0,01 М HCl

Образец R2 Уравнение зависимости Cm

ГАП 0,9960 Соа2+ = 4,219 + 1,201*(1-е-3,576') 1,201

ФАП (0,008М) 0,9336 Соа2+ = 3,877 + 1,180*(1-е-0,560') 1,180

ФАП (0,015М) 0,9815 Соа2+ = 2,871 + 2,142*(1 -е-0,108t) 1,180

Аналогично изучалось растворение образцов в растворе трис-буфера, так как он по значению рН приближен к физиологическому раствору ротовой жидкости. При растворении образцов рН раствора (рис. 7) практически не изменяется, что говорит о хорошей буферной емкости раствора. При этом концентрация ионов кальция (рис. 8) так же увеличивалась, но у образцов с добавками фторид-ионов в меньшей степени, чем у незамещенного гидроксилапатита.

7,35 7,3 7,25 7,2

0 10 20 30 40

t, мин

Рис. 7. Зависимость рН от времени растворения образцов в трис-буфере

!, мин

Рис. 8. Зависимость ионов кальция от времени растворения образцов в трис-буфере

Выводы

1. Предложен синтез фторапатита из модельного раствора ротовой жидкости.

2. Изучена растворимость фторапатита в 0,01М HCl и трис-буфере. Выяснено, что растворение подчиняется экспоненциальной зависимости соответствующей кинетике реакции первого порядка. Повышенная биоактивность отмечена в растворе в 0,01М HCl.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Вересов А. Г., Путляев В. И., Третьяков Ю. Д. Химия неорганических биоматериалов на основе фосфатов кальция. М., 2004. С. 52-63.

[2] Леонтьев В. К., Галиулина М. В. О мицелляр-ном состоянии слюны // Стоматология. 1991. № 5. С. 17-20.

[3] Данильченко С. Н. Структура и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения // Вестн. СумДу. Серия физика, математика, механика. 2007. № 2. С. 45.

[4] Dorozhkin S. V. Calcium Orthophosphate Cements and Concretes // Materials. 2009. Vol. 2(1). P. 221291.

[5] Кораго А. А. Введение в биоминералогию. СПб. : Недра, 1992. 280 с.

[6] Франк-Каменецкая О. В., Голубцов В. В., Пи-вух О. Л. и др. Нестехиометрический апатит твердых тканей зубов человека (возрастные изменения) // Записки всероссийского минералогического общества. 2004. № 5. С. 104-109.

[7] Голованова О. А. Патогенные минералы в организме человека. Омск : Изд-во Ом. гос. ун-та, 2006. 400 c.

[8] Измайлов Р. Р., Голованова О. А. Биорезорби-руемость гранулированного композита на основе карбонатгидроксилапатита и желатина в средах с различными значениями рН // Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 2. С. 61-65.