СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ АНИОНМОДИФИЦИРОВАННЫХ АПАТИТОВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ АНИОНМОДИФИЦИРОВАННЫХ АПАТИТОВ

А. В. Соин, П. В. Евдокимов, А. Г. Вересов, В. И. Путляев

«

Лаборатория неорганического материаловедения, ФНМ МГУ им. М. В. Ломоносова «

Целью данной работы являлось получение образцов модифицированных кальциевых апатитов д

Са10(РО4)6_х^Ю4)хОН2_х и Са10(РО4)6_2х^Ю4)х^О4)хА2, используя различные методы (осаждение, золь- |

гель и твердофазный). Предложены механизмы замещения и предельные степени замещения фос- у

фатных групп на силикатные. Получены образцы плотной и пористой керамики на основе анион- |

модифицированных апатитов. Исследование биоактивности полученных материалов в модельных ^

растворах показало большую биоактивность и резорбируемость модифицированных образцов по §

сравнению с немодифицированным гидроксилапатитом. о

Интерес к получению материалов на основе фосфатов кальция обусловлен тем, что костная ткань представляет собой композит, состоящий из неорганических соединений: гидроксилапати-та Са10(РО4)6(ОН)2 (ГАП) и аморфного фосфата кальция Са3(РО4)2пН2О в органической матрице белка коллагена. Современные материалы биомедицинского назначения должны обладать высокой биоактивностью. Биоактивность — комплексная характеристика совместимых с организмом материалов, учитывающая, помимо биологических процессов роста и дифференциации клеток, также: скорость растворения материала в слабокислой среде, создаваемой определенными группами клеток; скорость осаждения гид-роксилапатита из межтканевой жидкости организма на поверхности материала.

Считается, что биоактивность материалов определяется их химическим составом, морфологией кристаллов и свойствами поверхности материалов. Поэтому основным методом управления этим свойством является химическое модифицирование ортофосфатов кальция. Интерес к получению кремнийсодержащего ГАП проистекает из требования к имплантанту активно срастаться с костной тканью с образованием так называемого «цементного слоя» — промежуточной области, состоящей из нанокристалличес-кого ГАП биогенного происхождения. Это определяется, в первую очередь, физико-химической природой поверхности материала имплантанта. На примере стеклокерамик, полученных в системе Са0-^20^Ю2-Р205, известно, что присутствие кремния в объеме материала и на его поверхности ускоряет сращивание имплантанта с костью. Таким образом, использование этих материалов в медицинских целях является очень перспективным. А направленный синтез крем-нийсодержащих апатитов представляет собой сложную физико-химическую задачу [1-2].

В данной работе синтез образцов Si-ГАП Са10(РО4)6-х^Ю4)хОН2_х (х = 0; 0,2; 0,5) проводили, используя 3 методики, согласно уравнениям (1)-(3) (все условия синтеза приведены после уравнений):

10Са(№Э3)2 + (6-х)^Н4)2НРО4 + ХЗЮ2(ац) + + (Ы+х^ОН ^ Са^^^Е^^ОН^ + (1) + 20№Н^03 + (21-2х)Н2О (рН = 9-10; [Са2+] ^ ; = 0,1М; Т = 80 °С; t =5 часов + гидролиз Si(C2H5O)4);

10Са(№Э3)2 + (6-х)(СН3О)3РО + х(С2Н5О)^ + + (29-0,5х)Н20 ^ Са10(Р04)6_х^Ю4)х(0Н)2_х + (2) + (6-х)СН3ОН + 4хС2Н5ОН + 20Н^3 (водно-спиртовой раствор; Т = 80-150 °С; t = 24 часа);

(3-х)Са2Р2О7 + (4+2х)СаО + ХЗЮ2 + Н2О(пар) ^ ^ Са10(РО4)6.х(БЮ4)х(ОН)2.х (Т =1100 °С, t = (3) = 3 часа).

В случае твердофазного синтеза получали хлор и фторапатиты (ХАП и ФАП), используя отжиги при Т = 1100-1200 °С в течение t = = 3-10 часов (уравнения (5)-(6)).

(4)

(5)

(3-0,5x)Ca2P2O7 + (3 + 1,5x)CaO + xSiO2 + (1-0,5x)CaA2 ^ Ca10(PO4)6.x(SiO4)xA2.x

(3-x)Ca2P2O7 + (3+x)CaO + xSiO2 + xCaSO4

+ CaA2 ^ Caio(PO4)6.2x(SiO4)x(SO4)xA2

Важной характеристикой синтетически полученных Si-ГАП является их термическая устойчивость. Так, образцы c x = 0,2 и 0,5, полученные по реакции (4), содержали заметные количества a-Ca3(PO4)2, образец Si-ГАП с х = 0,5, полученный с помощью методики (1) и отожженный при T = 1100 °C в течение t = 3 часа, также содержал небольшие количества a-Ca3(PO4)2. Этим подтверждается известный из литературы факт о высокотемпературной стабилизации a-Ca3(PO4)2 оксидом кремния. Образцы ГАП и Si-ГАП, полученные по реакции (2) после отжига при T = 1100 °C в течение t = 3 часов, содержали CaO, и это, скорее всего, связано с возможным несоблюдением стехиометрии еще в полученном геле из-за сильной летучести (CH3O)3PO. Все остальные образцы (до и после отжигов) являются однофазными согласно PCDF cards № 11293 (ГАП), №33-271 (ХАП) и № 15-876 (ФАП).

Увеличение параметров элементарной ячейки для кремнийсодержащих образцов подтверждает замещение большими по размеру силикатными ионами фосфатных:

Ca10(PO4)„(OH)„

Ca1 Ca1

)(PO4)5,s(SiO4)o,2(OH)i,8 »(PO4)5,5(SiO4)o,5(OH)l,5

a = 9,3085(1) Ä a = 9,3875(7) Ä a = 9,4083(7) Ä

c = 6,8117(1) Ä c = 6,8964(3) Ä c = 6,9149(3) Ä

(P63/m) (P63/m)

(P63/m)

причем изменение параметров a и c между вторым и третьим образцом менее значительное, чем между образцами ГАП и Si-ГАП с х = 0,2. Это, вероятно, свидетельствует о том, что сте-хиометрического замещения в случае х = 0,5 не происходит.

В ИК-спектрах при увеличении содержания кремния уменьшается интенсивность рефлекса ОН-группы (при v ~ 630 см-1), что свидетельствует о желаемом механизме гетеровалентного замещения:

PO/-+ OH- SiO44- + V0H - Caio(PO4)6.x(SiO4)x(OH)2_x.

Состав полученных образцов был уточнен с помощью АЭС (ИСП) и РСМА. В методе АЭС уточнялось отношение Ca/P. Для калибровки использовали стандартные растворы ГОС на Ca2+ и P043-. В случае РСМА изначально была прове-

ристость (с размером пор 100-200 мм), причем сам материал является очень хорошо спеченным, не имеет микропор (рис. 2).

Рис. 2. Микрофотографии пористой керамики Si-ГАП (с x = 0,5)

дена калибровка по керамическим стандартам с известными отношениями Ca/P и Ca/Si. Полученные результаты коррелируют между 2 методами и очень близки к стехиометрическим соотношениям (отмечены жирным шрифтом):

Саю(Р04)6(0Н)2 1,67

Ca10(P°4)5,8(Si°4V2(°H)1,8 Ca10(PO4)5,5(SiO4)0,5(OH)1,5

1,72 1,82

Образцы Si-ГАП в модельных реакциях in vitro проявляют большую биоактивность по сравнению с незамещенным ГАП. На рисунке 3 показаны сколы плотной керамики Si-ГАП (с х = 0,5) после 6 часов в растворе, имитирующем состав межтканевой жидкости (SBF) и пос-Ca/P ~ 1,7 (РСМА) - Ca/P ~ 1,71 (АЭС)

Ca/P/Si ~ 51/29(1,76)/1 - Ca/P ~ 1,75 Ca/P/Si ~ 20,3/11(1,84)/1 - Ca/P ~ 1,84

Рис.1. Микрофотографии плотной керамики ГАП (а) и Si-ГАП (с x = 0,5) (б)

Из образцов ГАП и Si-ГAП были получены образцы плотной и пористой керамики. На следующих микрофотографиях (рис. 1) приведены образцы плотной керамики, полученной спеканием при 1150 °С в течение 6 часов пористых прессовок (с «сырой» плотностью ~55%) исходных веществ. Как можно видеть, плотность в случае кремнийзамещенного образца выше, также керамика Si-ГAП характеризуется меньшим средним размером зерна.

Пористая керамика из образца Si-ГAП (с х = 0,5) была получена методом реплик. В качестве реплики использовался поролон: изначально готовилась суспензия порошка в этиловом спирте, потом поролоновый спонжик (1 см3) пропитывался полученной суспензией, высушивался и отжигался при 1250 °С 3 часа. Полученные образцы имеют развитую открытую по-

ле 7 суток. Можно видеть, что на поверхности образуется слой нового карбонатгидроксилапа-тита толщиной ~ 1 мкм (в случае ГАП-керами-ки данный слой имел толщину ~ 300 нм). Известно, что образованию нового фосфатного слоя на поверхности Si-ГAП способствуют силаноль-ные ^-О-Н) связи [1].

Образцы Si-ГAП также обладают и более высокой растворимостью в слабокислых растворах (рис. 4а). Избыток кремния, вероятно, сегрегируется на поверхности частиц, обеспечивая тем самым резкий рост рН от времени на начальных стадиях гидролиза.

Наибольшей же растворимостью обладают образцы Са10^Ю4)3^О4)3А2 ^ — С1, F) (рис. 4б).

Это же подтверждается и измерением Z-по-тенциала коллоидных растворов частиц ГAП и Si-ГAП:

а б

Рис.3. Микрофотографии керамики ЯьГАП (с х = 0,5), выдержанные в растворе SBF в течение 6 часов (а) и 7 суток (б)

Рис. 4. pH-метрия порошков анионмодифицированных апатитов

Ca10(PO4)6(OH)2 Z pot. (ave) = -1 мВ; Cai0(PO4)58(SiO4)02(OH)i8 Z pot. (ave) = -17 мВ; Ca10(PO4)5 8(SiO4)0 2(OH)1 8 10 мин. Z pot. (ave) = -3 мВ; Ca10(PO4)58(SiO4)02(OH)18 20 мин. Z pot. (ave) = -1 мВ.

Растворение сегрегированного слоя SiO2(aq) в течение 20 минут при рН = 3 обеспечивает почти нейтральный поверхностный заряд частиц (как в случае ГАП).

Список литературы

1.HenchL. L. Bioceramics // J. Am. Ceram. Soc. 1998. Vol.81. No. 7. P. 1705-28.

2. Gibson I. R., BestS.M., Bonfield W. Chemical characterization of silicon-substituted hydroxyapatite // J. Biomed. Mater. Res. 1999. Vol. 44. P. 422.