CC BY
9СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СУЛЬФАТЗАМЕЩЕННОГО
ГИДРОКСИЛАПАТИТА
П. В. Евдокимов, А.Г.Вересов
Факультет наук о материалах МГУ им. М. В. Ломоносова Ленинские Горы, Москва, 119991, Россия
Today the problem of reparation of damaged or lost human bone tissue is one of the most acute. IT is known, that the materials based on hydroxylapatite (Ca10(PO4)6(OH)2) are widely implemented fro medical purposes, since their chemical composition is close to the non-organic constituent of human bone tissue. Unfortunately, some problems exist (low speed of resorption, weak resistance to propagation of cracks in case of ceramics), which limit implementation of the above materials in medicine. The present paper sets forth the method of chemical modification of hydroxylapatite by substitution of phosphate groups with sulphate ions, thus offering updated solubility of materials and sintering ability of powdered samples.
Введение
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 имплантанта. В идеальном случае материал должен быть биологически совместимым с тканью: не должен быть токсичным, не должен вызывать отрицательных иммунных и других реакций со стороны организма, не должен отторгаться организмом. Имплантант также должен быть биологически активным, то есть вступать в непосредственное взаимодействие с биологической системой организма, со временем замещаясь костной тканью. В идеале имплантант должен иметь близкие к костным или зубным тканям механические характеристики (прочность и трещинное -тойкость) и близкую микроструктуру.
В настоящее время большинство работ направлено на улучшение биоактивных свойств гидроксилапатитных материалов путем получения двухфазных керамических материалов на
основе гидроксилапатита и более растворимого трикальциевого фосфата. Другой подход подразумевает химическую модификацию апатита. В силу специфики использования материала в медицине выбор возможных допантов крайне ограничен. Сульфатные анионы могут быть предложены в качестве возможного модификатора синтетического гидроксилапатита, так как они являются естественными компонентамм человеческого организма (межтканевой жидкости). Большинство работ, связанных с изучением суль-фатсодержащего апатита, относятся к минералогическим работам. Возможность синтеза суль-фатзамещенного апатита изучена крайне мало.
Основными задачами данной работы являлись: синтез сульфатзамещенных гидроксилапа-титов при различных условиях, получение керамических материалов и их комплексное исследование, включая оценку биоактивных свойств полученных образцов керамики.
Экспериментальная часть
Для синтеза сульфатзамещенного и незамещенного ГАП использовали стандартный метод осаждения из растворов, согласно реакциям (1)-(4):
ЮСаО + 6(NH4)2HP04+4H,0 -> Са10(РО4)6(ОН)2 + 12NH4OH, (1)
1 ()CaS04 + 6(NH4)2HP04 + 8NH„OH -> Ca10(PO4)6(OH)2 + 10(NH4)2S04 + 6H,0, (2)
10CaS04 + 6Na,HP04 + 8NaOH Ca10(PO4)6(OH)2 + 10Na2S04 + 6H20, (3)
(4 + 0,5*)CaO + (3-0,5*)Ca2P207 + 0,5;tCaS04 + 0,5*Na,S04 + H,0
Na^Ca 10_х(РО4)6_х(8О4)х(ОН)2 (T = 1100 °C, t = 3 ч) (*"= 0; 0,5). (4)
Статья поступила в редакцию 09.01.2008 г. Ред. per. 206. The article has entered in publishing office 09.01.2008. Ed. reg. No. 206.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №1 (57) 2008 (cr^ 4 f <— jffiSr
® 2007 Scientific Technical Centre «TATA» II^ j, • j/ n \l <
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 (Fritsch) в течение 30 мин в ацетоне. Полученные порошки измельчали в фарфоровой ступке, а затем перетирали через сито так, что конечный размер частиц был меньше 100 мкм. Из полученного порошка были спрессованы таблетки при одноосном одностороннем прессовании. Получали образцы размером 5x10 мм при давлении 100-150 МПа. Далее полученные бруски отжигали в печи при температуре 1200 °С в течение 2 ч.
Биоактивность образцов, полученных по реакциям (1)-(3), была исследована в ходе тер-мостатирования компактных образцов в растворе, моделирующем состав межтканевой жидкости организма (в англ. литературе "SBF" — Simulated Body Fluid), пересыщенном относительно ГАП при рН = 7,4. Таблетки фосфатов кальция массой 0,1 г помещали в 20 мл раствора SBF на срок от 3 до 7 суток при 37 °С. Раствор обновляли один раз в сутки.
Основные результаты
По данным рентгенофазового анализа можно судить, что по реакциям (1)-(3) был получен однофазный продукт — гидроксилапатит кальция Са10(РО4)6(ОН)2. Причем различия между трехдневной пробой и семидневной в степени кристалличности порошков практически нет (рис. 1, 2).
РФА образца, полученного по реакции (2) RFA of the sample, yielding from reaction (2)
Рис. 2. РФА образца, полученного по реакции (3) Fig. 2. RFA of the sample, yielding from reaction (3)
Результаты ИК-спектроскопии (рис. 3, 4) показали, что при гетеровалентое замещение Р04-групп на S04 стабилизируется группой С032" (адсобция С02 из воздуха в щелочной реакционной среде): Са10_0 6,(Р04)в x(S04,C03)r(0H)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 подре-шетке Na^Ca 10_х(РО4)6_у(S04, С03),(0Н)2.
Карбонатсодержащий гидроксилапатит (Са/Р > >1,67) термически нестабилен (при Т > 900 °С происходит распад соединения с образованием СаО и стехиометрического апатита) [3]. Образец, полученный по реакции (3), после термической обработки при 1100 °С в течение Зч остается однофазным.
Полученные данные о термической стабильности порошков хорошо согласуются с предложенным механизмом компенсации заряда посредством вхождения Na+ в структуру ГАП в образце, полученном по реакции (3).
Са2+ + Р043~ -> Na+ + S042". (5)
Известно, что кальцийдефицитные апатиты (например, нестехиометрический ГАП Сад(-ПР04)(Р04)5(0Н)) термически нестабильны, при отжиге выше 700 °С распадаются с образованием Са3(Р04)2 и стехиометрического ГАП. Стехи-ометрический ГАП устойчив вплоть до 1400 °С. В нашем случае кальцийдефицитный сульфат-замещенный ГАП распадается с образованием большого (- 40 % вес.) количества Са3(Р04)2, термически стабилен порошок ГАП только в случае двойного замещения (5) (рис. 4). Частичный распад немодифицированного порошка ГАП (1) связан с высокой летучестью оксидов фосфора в условиях отжига.
í . Г>
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» №1 (57) 2008 © 2007 Научно-технический центр «TATA»
51
Премия имени члена-корреспондента РАН Н. Н. Олейникова
v, cm"1
Рис.3. ИКспектры образцов, полученных по реакции (1) и (2). на вставке — сравнение со спектром образца, полученного по реакции (3)
Fig. 3. IR spectra of the samples, yielding from reactions (1) and (2). The insert is to compare the last with the sample, yielding from reaction (3)
Для уточнения состава полученных образцов сульфатзамещенных апатитов был использован метод РСМА. Метод является полуколичественным для анализа легких элементов. Поэтому были приготовлены керамические стандарты (Са2Р,07, Са3(Р04)2, Са4Р209, Са(Н2Р04)2, CaS04) с разным атомным соотношением Са/Р и Ca/S. По результатам РСМА был построен градуировочный график. Отношения Са/Р были рассчитаны из отношения площадей пиков Ка для Ca, Р и S.
Используя полученное уравнение:
(Са/Р)реальн = 0,127 + 0,918(Са/Р)получ (6)
и реальное отношение Ca/S = 0,8 (для CaS04), были рассчитаны составы сульфатзамещенного гид-роксилапатита: Na0 6Са 9 4(Р04)5 7(SO4)0 3(ОН), 7,
Ca9,33(PO4)4.95(SO4)0.9(°H>2-
РФА образцов (рис. 5), полученных твердофазным методом (4), свидетельствует о формировании оксида кальция и трикальциевого фосфата в качестве примеси к гидроксилапатиту. 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 СяО
как примеси в керамике нежелательно, образование СаС03 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) (* = 0; 0,5) и порошка, полученного по реакции (3), свидетельствует о наличии двух типов воды в исходной смеси: ад-
2G
Рис.4. РФА образца, полученного по реакции (3) Fig. 4. RFA of the sample, yielding from reaction (3)
£ International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №1 (57) 2008
¿- ® 2007 Scientific Technical Centre «TATA»
с
— 1500 И
-Na0 ,Cav5(POJ,5(SOl)o5(OH),
-NaCa>(TO1)5(S04HOH)¡
сорбционной и химически связанной
разл. Са(ОН),
580 °С) (рис. 6, 7).
—7— 10
—|— 3S
—|— so
-Г" S5
—г «о
2G
Рис.5. РФА образцов, полученных по реакции (4). после терми ческой обработки Т=1100°С, t = 3 ч
Fig. 5. RFA of the samples, yielding from reaction (4). after thermal treatment at T = 1100°C during three hours
i 'о
E
ТО 402 °С ^ 608 "С
1\\ :
DTG --■-1---1---1-•-1---1---1---1---
600
T, °C
Рис. 6. Данные ТГ для образца, полученного по реакции (4) (х - 0)
Fig. 6. TG data for the sample, yielding from reaction (4) (x = 0)
Во всех трех случаях температуры разложения близки. Следует отметить, что после 700 °С Д m постоянно: т.е. если в ходе нагрева смеси получился сульфатзамещенный ГАП, то он стабилен вплоть до 1000 °С.
Порошки, полученные по реакции (3), использовали для получения керамики при температуре спекания 1100 °С. Полученные керамические материалы имели геометрическую плотность порядка 90 % от теоретической. Микроструктура керамики приведена на рис. 8. Средний размер зерен керамики не превышает 1 мкм.
Биоактивность полученных образцов по реакциям (1)-(3) была исследована в ходе термостатирования 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 карбонат-гидроксилапатита, размером до 3 мкм в плоскости кристалла (рис. 9). Образование такого слоя качественно свидетельствует о биоактивности материала, замещенный гидроксилапатит растворяется лучше, чем исходный.
Разные конечные значения рН раствора при проведении прямого взаимодействия с жидкой водной средой (рис. 10) свидетельствуют о том, что произошла не только адсорбция (или сегрегация) сульфатных ионов на поверхности, но и замещение по объему кристаллов. Более высокая растворимость замещенного гидроксилапатита связана, по-видимому, с микродеформаци-
Рис. 7. Данные ТГ для образца, полученного по реакции (3). Na0£Ca JPOJJSOJ0JOH),
Fig. 7. TG data for the sample, yielding from reaction (3). N^CaJPOJJSOJJOH),
Рис. 8. Микрофотография керамического материала на основе образца, полученного по реакции (3) Fig. 8. Micrograph of the ceramic material based on the sample yielding from reaction (3)
--- t ' rf' г Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» №1 (57) 2008 U J, ' . 1® 2007 Научно-технический центр «TATA»
Премия имени члена-корреспондента РАН H. Н. Олейникова
Рис.9. Микрофотография образцов, полученных по реакциям (1-3) после 7 дней выдерживания в SBF: а — реакция (1), б — реакция (2). в — реакция (3). г — та же микроструктура при увеличении
Fig. 9. Micrograph of the samples, yielding from reactions (1-3) after 7 days of treatment in SBF: a — reaction (1): b — reaction (3): с — the same microstructure with magnification
ер*мя, с
Рис. 10. Данные по растворению образцов, полученных по реакции (1)-(3)
Fig. 10. Data on solubility of samples, yielding from reactions (l)-(3)
ями, вносимыми ионом — заместителем в структуру ГАП, возникающими из-за разницы в ионных радиусах S042' и Р043 .
Таким образом, в работе методом осаждения в водных растворах получены порошки сульфатзамещенного гидроксилапатита состава Na0 6Са9 4(РО<)5 7(SO4)0 3(ОН), 7 и Са9 33(Р04)4 95
(SO4)0 9(ОН),,. В случае двойного замещения по механизму Са2+ + Р043 <-» Na+ + S042" полученные образцы стабильны вплоть до 1200 °С, кальцийде-фицитный апатит распадается с образованием а-Са3(Р04),,. Синтезированные на первом этапе порошки после спекания при 1200°С в течение 2 ч дают керамику с геометрической плотностью не менее 90%. Согласно тестам, в растворе искусственной межтканевой жидкости все полученные керамические материалы являются биоактивными: в ходе минерализации на поверхности образуется слой карбонатсодержащего апатита. Растворимость образцов меняется в ряду
Na0.6Ca9.4(PO4>5.7(SO4WOH)l.7 > Са9 33(Р04)4 95
(SO4)0 9(ОН)2 > Са10(РО4)6(ОН)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 японск. 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. Biomed. Mater. Res. 1998. Vol.41. P. 79-86.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology N?1 (57) 2008 (c^ 4\ I «—jl <rr ^¿ft.
© 2007 Scientific Technical Centre «TATA» I r3 i ■ ¡I n \l
