СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СУЛЬФАТЗАМЕЩЕННОГО ГИДРОКСИЛАПАТИТА Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СУЛЬФАТЗАМЕЩЕННОГО ГИДРОКСИЛАПАТИТА

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

<

ь i

й Факультет наук о материалах МГУ им. М. В. Ломоносова

§ Ленинские горы, Москва, 119992, Россия

s Тел.: (495) 939-46-09; факс (495) 939-09-98; e-mail: [email protected]

с

и а

I-

с: .а

^ The objective of this work was to synthesize sulfate-substituted hydroxylapatites NaxCa10-x(PO4)6-

§ x(SO4)x(OH)2 by different methods. Samples of dense ceramics were prepared by annealing of porous 0 compacts (with density more than 90% from theoretical). Bioactivity and solubility tests of obtained powders show that anion-modified hydroxylapatites have greater bioactive and resorbable properties then non-modified hydroxylapatites.

Миллионы людей подвержены поражениям костных тканей в результате аварий и патологических заболеваний. Современная хирургия позволяет спасти жизнь многим пациентам, но часто такое вмешательство приводит к значительным послеоперационным дефектам [1]. Основной проблемой является выбор материала для изготовления имплантата. В идеальном случае материал должен быть биологическим совместимым с тканью: не должен быть токсичным, не должен вызывать отрицательных иммунных и других реакций со стороны организма, не должен отторгаться организмом как инородное тело. Также он должен быть биологически активным, то есть вступать в непосредственную связь с биологической системой организма и со временем замещаться костной тканью. В идеале имплантат должен иметь близкие к костным или зубным механические характеристики (прочность и трещинностой-кость) и схожую микроструктуру.

В настоящее время, большинство работ направлено на улучшение биоактивных свойств

<с

£ гидроксилапатитных материалов путем получения двухфазных керамических материалы на | основе гидроксилапатита и более растворимого '1 трикальциевого фосфата. Другой подход подра-§> зумевает химическую модификацию апатита. | Сульфатные анионы могут быть предложены в ° качестве возможного модификатора синтетичес-

т

& кого гидроксилапатита, так как они являются В естественным компонентом человеческого орга-

о

ф низма (межтканевой жидкости). Большинство работ, связанных с изучением сульфатсодержа-щего апатита, относится к минералогическим работам. Возможность синтеза сульфатзамещен-ного апатита изучена крайне мало.

В данной работе для синтеза сульфатзаме-щенного и незамещенного ГАП использовали

стандартный метод осаждения из растворов, согласно реакциям (1)-(4):

1 ОСаО + 6 (]МН4 )2 НР04 + 4Н20 ^

^ Саю (РО4 )6 (ОН )2 + 12МН40Н, (1)

10Са804 + 6(]МН4 )2 НР04 + 8МН40Н ^

^ Саш (Р04 )6 (0Н )2 + 10(МН4 )2 804 + 6^0, (2)

10СаБ04 + 6№2НР04 + 8№0Н ^ ^ Са10 (Р04)6 (0Н)2 + 10№2804 + 6Н20, (3)

(4 + 0,5х)Са0 + (3 - 0,5х)Са2Р 207 + +0,5хСа804 + 0,5х№2804 + Н20 ^ ^ Ма яСаю_ * (Р04 ) _ х (804 ) (0Н )2 (4)

(Т = 1100 °С, г = 3 ч) (х = 0, 0,5).

Для реакций (1)-(3) реактивы растворяли в дистиллированной воде при 80 °С, после окончательного растворения растворы смешивали и выдерживали при постоянном перемешивании в течении 7 дней, при этом поддерживали постоянный рН раствора (рН = 9-11). Осадок отбирался после 3 и 7 дней синтеза. Осадок отфильтровывали и промывали дистиллированной водой до нейтральной реакции. Полученный порошок отжигали при температуре 1100 °С в течении 3 ч. Для твердофазной реакции (4) предварительная механо-активация исходных реагентов была проведена с помощью планетарной мельницы в течение 30 мин в ацетоне. В результате дисагрега-ции конечный размер агломератов был меньше 50 мкм. Образцы керамики были получены отжигом при температуре 1200 °С в течении 2 ч пористых прессовок (с плотностью 50-60 % от теоретической).

Биоактивность образцов, полученных по реакциям (1)-(3), была исследована в ходе термо-

статирования компактных образцов в растворе, моделирующем состав межтканевой жидкости организма (в англ. литературе «SBF» — Simulated Body Fluid), пересыщенном относительно ГАП при рН = 7,4. Керамики фосфатов кальция массой помещали в раствор SBF в течение от 3 до 7 суток при 37 °С. Раствор обновляли один раз в сутки.

По данным рентгенофазового анализа можно судить, что по реакциям (1)-(3) был получен однофазный продукт — гидроксилапа-тит кальция Ca10(PO4)6(OH)2. Причем различия между трехдневной пробой и семидневной в степени кристалличности порошков практически нет (рис. 1, 2).

Результаты ИК-спектроскопии (рис. 3, 4) показали, что при ге-теровалентном замещении Р04-групп стабилизируется более

SO-НАР

4

НАР

v2(P-O)

v2(P-O)

' SO.-HAP ' ' K-xL-i-i 1 1 1 1_ 1 1 1 U- 1 а,—11 Ру-

60- 11 1 \ у 1 /7 Г1!' | nil! 1

30- 1 \ ' 1 HAP \ 1 /1 1 Ш 1 || И.! 1 Ш

0. уЧ 1 1 , ill 1 'И

fr

1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500

Т

Т

—.-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

3600 3300 3000 2700 2400 2100 1800 1500 1200 900 600 300

v, см-1

Рис. 3. ИК-спектры образцов, полученных по реакции (1) и (2)

v^P-O)

Рис. 1. РФА образца, полученного по реакции (2): t = 7d; 2 — t = 3d

CaSO4 + Na2HPO4 + NaOH

2000

1800 -

1600 -

ri

м я 1400 -

hi

5 1200

i

с 1000

I

и

s 800

^

с 600

I

О 400 -

200

25

—I

30

—I

35

—I—

40

—I

45

29

—r~

50

55

60

65

Рис. 2. РФА образца, полученного по реакции (3): t = 3d; 2 — t = 7d

Рис. 4. ИК-спектры образца, полученного по реакции (3)

мелкой группой С03 (адсорбция С02 из воздуха в щелочную реакционную среду): Саю-о^РОЛ-* ^04,СОз) х (ОН)2. Возможна реализация вакансионного механизма замещения, катион аммония (синтез с использованием аммонийной соли) не встраивается в структуру апатита в позиции кальция из-за слишком большой разницы ионных радиусов. При использовании натриевой соли при синтезе предполагается другой механизм замещения — без образования вакансий в кальциевой под-решетке ^^10-^04)6-^04, СОз)ж(ОН)2.

Карбонат, содержащий гидроксилапатит (Са/Р>1,67), термически не стабилен (при Т > > 900 °С происходит распад соединения с образованием СаО и стехиометрического апатита) [3]. А образец, полученный по реакции (3), после термической обработки при 1100 °С в течение 3 ч остается однофазным.

Полученные данные о термической стабильности порошков хорошо согласуются с предложенным механизмом компенсации заряда посред-

ством вхождением Na+ в структуру ГАП в образце, полученном по реакции (3):

Ca2+ + PO4- ^ Na + + SO4-.

1200-1

1000-

800-

600-

400-

° 200-

Ca3 + (PO4 )

ГАП из CaO + (NH4 )2 HPO4 + H2O после 1100 °C, 3 ч

30

40

29

50

Рис. 5. РФА образца, полученного по реакции (1)

1000

I

е-О

800

600

400

200

Ca3 + (PO4 )2

ГАП из CaSO4 + (NH4 )2 HPO4 + NH4OH после 1100 °C, 3 ч

30

40

50

60

29

1200

(5)

Известно, что кальцийдефицитные апатиты (например, нестехиометрический ГАП Са9(НР04) (Р04)5(0Н)) термически нестабильны, при отжиге выше 700 °С распадаются с образованием Са3(Р04)2 и стехиометрического ГАП. Стехио-метрический ГАП устойчив вплоть до 1400 °С. В нашем случае кальцийдефицитный сульфат-замещенный ГАП распадается с образованием большого (~40 % вес.) количества Са3(Р04)2 (рис. 5, 6), термически стабилен порошок ГАП только в случае двойного замещения (5) (рис. 7). Частичный распад немодифицированного порошка ГАП (1) (рис. 5) связан с высокой летучестью оксидов фосфора в условиях отжига.

Для уточнения состава полученных образцов сульфатзамещенных апатитов был использован метод РСМА. Метод является полуколичественным для анализа легких элементов. Поэтому были приготовлены керамические стандарты (Ca2P2O7, Ca3(PO4)2, Ca4P2O9, Ca(H2PO4)2, CaSO4) с разным атомным соотношением Ca/P и Ca/S. По результатам РСМА был построен градуиро-вочный график. 0тношения Ca/P были рассчитаны из отношения площадей пиков Ka для Ca, P и S (пики описывались Лоренцианом).

1000

Ï

и

^ 800

с

Ï

си I 600

е

I

и

^ 400

и

с

Ï

е-О 200

0

после 1100 °C, 3 ч

30 40 50 60

29

Рис. 7. РФА образца полученного по реакции (3)

3500 3000

2500

я 2000 -

S 1500-я s

1000

500

0

25

30

35

40

29

45

50

55

60

60

Рис. 6. РФА образца, полученного по реакции (2)

Рис. 8. РФА образцов, полученных по реакции (4), после термической обработки при 1100 °С, 3 ч: 1 — Ш0,5Са9,5(РО4)5,5^О4)0,5(ОН)2; 2 — ШСа^РО^ЯОДОН),

Используя полученное уравнение:

(Ca/P) = 0,127 + 0,918* (Ca/P) (6)

4 ' ''реальное 4 ' ''полученное v '

и реальное отношение Ca/S = 0,8 (для CaSO4), были рассчитаны составы сульфатзамещенного гид-роксилапатита:

Nae,6Ca9,4 (PO4 ),7 (SO4 ^(OH)^,

Ca9,33 (PO4 )4,95 (SO4 )0,9(OH)2.

РФА образцов (рис. 8), полученных твердофазным методом (реакция (4)), свидетельствует о формировании оксида кальция и трикальцие-вого фосфата в качестве примеси к гидроксила-патиту. Исходные реагенты брались в стехиометрии Са/Р = 1,67, неоднофазность образцов связана с плохой гомогенизацией реагентов, что характерно для данного метода синтеза. В системе не наблюдали сульфатсодержащих компонентов после отжига, что связано с разложением сульфата кальция еще на стадии синтеза. Присутствие СаО как примеси в керамике нежелательно, образование СаСО3 и Са(ОН)2 при деградации керамики приводит к изменению мольного объема включений и растрескиванию материала. Более того, присутствие СаО даже на уровне 5 % негативно сказывается на жизнедеятельности клеток.

Термогравиметрический анализ двух смесей для реакции (4) (х = 0; 0,5) и порошка, полученного по реакции (3), свидетельствует о наличии двух типов воды в исходной смеси: адсорбционной и химически связанной (Тразл Са(ОН) ~ 580 °С) (рис. 9-11). РаЗЛ' а 2

Во всех трех случаях температуры разложения близки. Следует отметить, что после 700 °С Аш постоянно, т. е. если в ходе нагрева смеси

16

17-

. 19-

-20-

21

22

TG

402 °C

- 608 °C

DTG

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 T, °C

Рис. 9. Данные ТГ для образца, полученного по реакции (4) (x = 0)

TG

405 °С

9121518-

21200

Рис. 10.

ции (4)

610 °с.

DTG

300

400

500

600 T, ос

700

800 900 1000

12

TG

620 °C

\ 433 °C

DTG

100 200 300

400

Рис. 11.

ции (3),

500 600 700 800 900 1000 T, °C

Данные ТГ для образца, полученного по реак-Nao,6CMPO4)5,6(SO4)o,3(°H)2

получился сульфатзамещенный ГАП, то он стабилен вплоть до 1000 °С (рис. 9, 10).

Порошки, полученные по реакции (3), использовали для получения керамики при Тспекания = = 1100 °С. Полученные керамические материалы имели геометрическую плотность порядка 90 % от теоретической. Микроструктура керамики приведена на рис. 12. Средний размер зерен керамики не превышает 1 мкм.

Данные ТГ для образца, полученного по реак-(x = 0,5)

Рис. 12. Микрофотографии керамического материала на основе образца, полученного по реакции (3)

Биоактивность полученных образцов по реакциям (1)-(3) была исследована в ходе термо-статирования компактных образцов в растворе, моделирующем состав межтканевой жидкости организма (в англ. литературе «SBF» — Simulated Body Fluid), пересыщенном относительно ГАП при рН =7,4.

Микроструктуры ГАП покрытий после 7 дней в SBF у всех рассмотренных материалов идентичны: наблюдали ажурное покрытие, состоящее из пластинчатых кристаллов карбонатгид-роксилапатита, размером до 3 мкм в плоскости кристалла (рис. 13-14). Образование такого слоя качественно свидетельствует о биоактивности материала.

Ионометрия растворов показала, что полученный сульфатзамещенный гидроксилапатит растворяется лучше (рис. 15), чем незамещенный гидроксилапатит.

Разные конечные значения pH раствора свидетельствуют о том, что произошла не только адсорбция (или сегрегация) сульфатных ионов

Рис. 13. Микрофотография образца, полученного по реакции (3), после 7 дней в SBF

»ifr; m*

600 Время, с

1200

Рис. 15. Данные по растворению образцов, полученных по реакции (1)-(3): 1 — Na0 6Ca9 ^4)5 „^о 3(0^; 2 — Ca9,34(PO4WS°4)o,9(OH)2; 3 — Ca1o(PO4)6(OH)2;

Рис. 14. Детальная микроструктура образца, полученного по реакции (3), после 7 дней в SBF

на поверхности, но произошло замещение по всему объему кристаллов.

Более высокая растворимость замещенного гидроксилапатита связана с микродеформациями, вносимыми ионом-заместителем в структуру ГАП (разница размеров ионов SO2" и PO^").

Согласно тестам в растворе искусственной межтканевой жидкости все полученные керами-

ческие материалы являются биоактивными: в ходе минерализации на поверхности образуется слой карбонатсодержащего апатита. Растворимость образцов меняется в ряду:

Nao,6Ca9,4(PO4)5,7(SO4)o,3(OH)1,7 ^ ^ Ca9,33(PO4WS°4V9(°H)2 ^ ^Ca1o(PO4)6(OH)2,

что объясняется микродеформациями структуры при замещении ионов в ГАП.

Список литературы

1.Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе гидроксилапатита. М.: Наука, 2005.

2. Каназава Т. Неорганические фосфатные материалы: Пер. с японского. Киев: Наукова думка, 1998.

3. Barralet J., Best S., Bonfield W. Carbonate substitution in precipitated hydroxyapatite: an investigation into the effects of reaction temperature and bicarbonate ion concentration // J. Bi-omed. Mater. Res. 1998. Vol. 41. P. 79-86.