CC BY
9Научная статья УДК 546.05, 54.05
doi:10.37614/2949-1215.2023.14.2.036
СИНТЕЗ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГИДРОКСИАПАТИТА И ПОЛУЧЕНИЕ ВОЛОКОН МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОФОРМОВАНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ
Марина Владимировна Папежук1, Елизавета Михайловна Пилунова2, Сергей Николаевич Иванин3, Роман Павлович Якупов4
1,2 ,з 4Кубанский государственный университет, Краснодар, Россия [email protected], http://orcid.org/0000-0001-8187-9819 [email protected]
[email protected], http://orcid.org/0000-0001-9352-5970 [email protected], http://orcid.org/ 0000-0002-8872-1640
Аннотация
Приведены результаты получения микрокристаллического гидроксиапатита (без добавок, с добавками желатина, ЭДТА, ПВП, ПВС). Методом РЭМ установлено, что добавки в значительной степени влияют на морфологию поверхности частиц гидроксиапатита. Соотношение Ca/P в образцах определено с использованием энергодисперсионного анализа. На основе синтезированного гидроксиапатита получены волокна методом электроформования. Ключевые слова:
гидроксиапатиты, электроформование, волокна, РЭМ Для цитирования:
Синтез микрокристаллического гидроксиапатита и получение волокон методом электроформования на его основе / М .В. Папежук [и др.] // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 2. С. 192-196. doi:10.37614/2949-1215.2023.14.2.036
Original article
SYNTHESIS OF MICROCRYSTALLINE HYDROXYAPATITE AND PRODUCTION OF FIBER BY ELECTROSPINATION ON ITS BASIS
Marina V. Papezhuk1, Elizaveta M. Pilunova2, Sergey N. Ivanin3, Roman P. Yakupov4
1,2,3,4Kuban State University, Krasnodar, Russia [email protected], http://orcid.org/0000-0001-8187-9819 [email protected]
[email protected], http://orcid.org/0000-0001-9352-5970 [email protected], http://orcid.org/ 0000-0002-8872-1640
Abstract
The results of obtaining microcrystalline hydroxyapatite (without additives, with additives of gelatin, EDTA, PVP, PVAL) are presented. It was established by SEM that additives significantly affect the surface morphology of hydroxyapatite particles. The Ca/P ratio in the samples was determined using energy dispersive analysis. Based on synthesized hydroxyapatite, fibers were obtained by electrospinning. Keywords:
hydroxyapatites, electrospinning, fibers, SEM For citation:
Synthesis of microcrystalline hydroxyapatite and production of fiber by electrospination on its basis / M. V. Papezhuk [et al.] // Transactions of the tola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 2. P. 192-196. doi:10.37614/2949-1215.2023.14.2.036
Введение
В последнее время электроформованные полимерные нановолокна нашли применение в системах доставки лекарственных препаратов. Волокнистые материалы имеют огромное преимущество в связи с высоким отношением поверхности к объему волокон [1, 2]. На основе волокон можно изготавливать костные каркасы из синтетического гидроксиапатита (ГА (Caio(PO4)6(OH)2)).
Гидроксиапатит является биосовместимым минеральным веществом [3-5], разрешенным для использования в биомедицинских целях. В последнее время ГА представляет интерес с точки зрения ближайшего аналога костной ткани. Кроме того, ГА имеет остеоиндуктивные свойства [6]. Важно получение микрокристаллического ГА, что обеспечит его включение в полимерные волокна. Использование органических добавок в процессе синтеза увеличивает площадь поверхности материала за счет образующихся пор на поверхности ГА.
Волокна могут быть изготовлены с большим разнообразием полимеров. В качестве полимеров для приготовления формовочного раствора могут использоваться: поли(виниловый спирт), поли(этиленоксид) , поли(рота-капролактон), хитозан, полиакриловая кислота, этилцеллюлоза, ацетат целлюлозы, гидроксипропилметилцеллюлоза, поли^-молочная кислота), поли(молочно-гликолевая кислота), поли(акрилонитрил), ацетат целлюлозы фталат и полиуретан [1]. Особый интерес привлекают биосовместимые полимеры, способные к деградации в организме, например: поли(виниловый спирт) (ПВС), поли(винилпирролидон) (ПВП). Такие полимеры могут послужить имплантационной опорой. Для удаления опоры из организма не требуется операция, поскольку резорбируемый полимер абсорбируется и разрушается организмом [7]. С точки зрения регенерации тканей эти полимеры представляют интерес, поскольку они снижают риск отторжения организмом имплантата или ответа иммунной системы.
Целью данной работы являлось получение микрокристаллического ГА и получение волокнистых материалов с включением в их состав ГА.
Результаты
Синтез ГА без добавок проводили по следующей методике. Ca(NO3)24H2O массой 3,54 г растворяли в 10 мл воды, далее готовили раствор гидрофосфата аммония растворением (NH4)2HPO4 1,19 г в 10 мл воды. К раствору нитрата кальция порциями в течение 10 мин приливали при постоянном перемешивании гидрофосфат аммония, поддерживая температуру раствора 40-60 °С. рН раствора поддерживали на уровне 8-9 с помощью 25 %-го раствора аммиака. Контролируя рН и температуру, оставляли раствор на магнитной мешалке на 2 ч, а после оставляли на 44 ч для старения. Затем осадок отфильтровывали на воронке Бюхнера и промывали на фильтре горячей дистиллированной водой и высушивали в сушильном шкафу при 100 °С 2 ч, затем при 250 °С в течение часа. После сушки полученные образцы отжигали в муфельной печи при 900 °С в течение 2 ч.
В качестве добавок использовали ПВП, ПВС, желатин и ЭДТА. Синтезы проводили по аналогичной методике. Добавка желатина, ПВС, ПВП составила 2,75 г, добавка двухводного ^2-ЭДТА — 5, 58 г.
Качественный состав образцов определяли методом ИК-спектроскопии. Спектры ИК были записаны на ИК-Фурье спектрометре VERTEX 70. Опираясь на литературные данные [8, 9], для синтезированных образцов ГА удалось определить основные характеристические частоты колебаний групп PO4, OH.
Как видно из табл. 1, в ИК-спектрах образца ГА, высушенного при 100 °С, присутствуют пики 1416 см"1, 827 см"1, соотносимые с группой СОз. Группа NO3 также присутствует в ИК-спектре. Нагревание до 900 °С приводит к разложению карбоната кальция, сигналы СО3 группы отсутствуют на ИК-спектрах образцов, прокаленных при 900 °С. Результаты согласуются с данными термического анализа.
Термический анализ образцов проводили на приборе Netzsch STA 409 PC/PG в интервале 25-1000 °C в открытом платиново-родиевом тигле на воздухе с использованием Al2O3 в качестве инертного стандарта. Скорость нагрева составляла 10 °Смин-1.
Таблица 1
Полосы поглощения ГА в ИК-спектре
Характеристические частоты синтезированных образцов Колебательные частоты, v см-1
Экспериментальные данные Литературные данные
ГА 100 °С ГА 900 °С ГА желатин ГА ПВП ГА ПВС ГА ЭДТА ГА лит.
РО4 изгиба V4 559 - - 588 563 563 564
РО4 изгиба V4 600 600 600 605 600 604 610
ОН структурная 631 631 633 - 631 - 650
СОз групповая V3 827 - 876 - 876 -
РО4 растяжения V1 962 962 962 972 962 978 962
РО4 изгиба V3 1020 1024 1022 1026 1026 1024 1029
РО4 изгиба V3 1090 1088 1087 - 1087 1076 1092
СОз групповая V3 1416 1413 - 1413 - -
СОз групповая V 1454 - - - -
ОН структурная 3570 3572 3572 - 3572 - 3567
Вода 3239 3052 - - - - - -
5 ОН 1755 - - - - - -
ЫО3 1315 - - - - - -
ЫО3 827 - - - - - -
© Папежук М. В., Пилунова Е. М., Иванин С. Н., Якупов Р. П., 2023
1 з«з< ДСК/(мВт/мг)
100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 Теипература ГС
Рис. 1. Термограмма порошка ГА без добавок, отожженного при 900 °С
Согласно термогравиметрическому (ТГ) анализу, масса порошка ГА без добавок при нагревании до 948,6 °С снижается до 80,29 %. Это указывает на то, что до 1000 °С вещество осталось термически устойчивым. Процесс термического разложения можно разбить на этапы: первый — удаление сорбированной воды и углекислого газа (1,25 % 111 °С, 0,54 % 162 °С), второй — разложение нитрата аммония (248 °С), третий этап может быть связан с разложением карбоната гидроксиапатита и отщеплением СО2 (16,19 % при 353 °С).
Растровая электронная микроскопия использовалась для оценки размеров частиц и изучения морфологии поверхности образцов ГА. Снимки РЭМ образцов без добавок, отожженных при разной температуре, и образцов с добавками, отожженных при 900 °С, приведены на рис. 2.
ГА ПВП ГА ПВС
Рис. 2. РЭМ синтезированных ГА
С использованием энергодисперсионной приставки Incax-sight к электронному микроскопу проводился элементный анализ образцов ГА (табл. 2).
Таблица 2
Элементный состав (ат. %) образцов ГА, синтезированных с органическими добавками
Добавка
ГА без добавок ГА желатин ГА ПВП ГА ПВС ГА ЭДТА
Ca 19,22 18,21 23,04 18,24 27,52
P 15,17 8,71 16,45 13,27 18,18
O 65,62 28,84 60,51 68,49 54,30
C - 44,23 - - -
Ca/P 1,27 2,09 1,4 1,37 1,51
Были получены волокна методом электроформования на основе ГА без добавок, отожженного при 900 °С. В качестве полимера для приготовления вязкого формовочного раствора использовали ПВП. Как видно из микрофотографий на рис. 3, распределение частиц ГА равномерное, ГА включен в волокна ПВП.
Рис. 3. РЭМ волокон ПВП с включением ГА Выводы
Получены образцы ГА без добавок и с добавками. На морфологию поверхности в значительной мере влияет добавка. В случае добавок (желатина, ПВП, ПВС) образцы получились с высокопористой поверхностью. Соотношение Ca/P в образцах близко к биогенному ГА, наиболее близкое значение имеет образец ГА желатин. На основе синтезированных ГА можно получить волокна методом электроформования. Образец ГА 900 °С при формовании волокон из ПВП равномерно распределяется в волокнах. На основе полученных волокон можно получить материал, обладающий остеогенными свойствами.
Список источников
1. Torres-Martínez E. J., Bravo J. M. C., Medina A. S., González G. L. P., Gómez L. J. V. A Summary of Electrospun Nanofibers as Drug Delivery System: Drugs Loaded and Biopolymers Used as Matrices // Current Drug Delivery. 2018. V. 15. P. 1360-1374.
2. Shin Y. M., Hohman M. M., Brenner M. P., Rutledge G. C. Electrospinning: a whipping fluid jet generates submicron polymer fibers // Applied Physics Letters. 2001. V. 78, №. 8. P. 1149-1151.
3. Леонтьев В. К. Биологически активные синтетические кальций-фосфатсодержащие материалы для стоматологии // Стоматология. 1996. № 5. С. 4-6.
© Папежук М. В., Пилунова Е. М., Иванин С. Н., Якупов Р. П., 2023
4. Ковылин Р. С., Алейник Д. А., Федюшкин И. Л. Современные пористые полимерные имплантаты: получение, свойства, применение // Высокомолекулярные соединения. Серия С. 2021. Т. 63, № 1. С. 33-53.
5. Yan Y., Chen H., Zhang H., Guo C., Yang K., Chen K., Cheng R., Qian N., Sandler N., Zhang Y. S., Shen H., Qi J., Cui W., Deng L. Vascularized 3D printed scaffolds for promoting bone regeneration // Biomaterials. 2019. V. 190-191. P. 97.
6. Velasco Barraza R., Alvarez Suarez A. S., Villarreal Gómez L. J., Paz González J. A.; Iglesias A. L.; Vera Graziano R. Designing a low-cost electrospinning device for practical learning in a bioengineering biomaterials course // Rev. Mex. Ing. Bioméd. 2016. V. 37, № 1. P. 7-16.
7. Штильман М. И., Подкорытова А. В., Немцев С. В., Кряжев В. Н. Технология полимеров медико-биологического назначения. Полимеры природного происхождения. M.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. 328 p.
8. Anunziata O. A., Maria L., Beltramone M. R. Hydroxyapatite/MCM-41 and SBA-15 Nano-Composites: Preparation, Characterization and Applications // J. Materials. 2009. V. 2. P. 1508-1519.
9. Голощапов Д. Л., Кашкаров В. М., Румянцева Н. А., Середин П. В., Леньшин А. С., Агапов Б. Л., Домашевская Э. П. Получение нанокристаллического гидроксиапатита методом химического осаждения с использованием биогенного источника кальция // Конденсированные среды и межфазные границы. Т. 13, № 4. С. 427-441.
References
1. Torres-Martínez E. J., Bravo J. M. C., Medina A. S., González G. L. P., Gómez L. J. V. A Summary of Electrospun Nanofibers as Drug Delivery System: Drugs Loaded and Biopolymers Used as Matrices. Current Drug Delivery, 2018, vol. 15, pp. 1360-1374.
2. Shin Y. M., Hohman M. M., Brenner M. P., Rutledge G. C. Electrospinning: a whipping fluid jet generates submicron polymer fibers. Applied Physics Letters, 2001, vol. 78, no. 8, pp. 1149-1151.
3. Leontiev V. K. Biologicheski aktivnye sinteticheskie kal'cij-fosfatsoderzhashchie materialy dlya stomatologii [Biologically active synthetic calcium-phosphate-containing materials for dentistry]. Stomatologiya [Stomatology], 1996, no. 5, pp. 4-6. (In Russ.).
4. Kovylin R. S., Aleinik D. A., Fedyushkin I. L. Sovremennye poristye polimernye implantaty: poluchenie, svojstva, primenenie [Modern porous polymeric implants: preparation, properties, applications]. Vysokomolekulyarnye soedineniya. Seriya S [High-molecular compounds. Series S], 2021, vol. 63, no. 1, рр. 33-53. (In Russ.).
5. Yan Y., Chen H., Zhang H., Guo C., Yang K., Chen K., Cheng R., Qian N., Sandler N., Zhang Y. S., Shen H., Qi J., Cui W., Deng L. Vascularized 3D printed scaffolds for promoting bone regeneration. Biomaterials, 2019, vol. 190-191, р. 97.
6. Velasco Barraza R., Alvarez Suarez A. S., Villarreal Gómez L. J., Paz González J. A., Iglesias A. L., Vera Graziano R. Designing a low-cost electrospinning device for practical learning in a bioengineering biomaterials course. Rev. Mex. Ing. Bioméd, 2016, vol. 37, no. 1, рр. 7-16.
7. Shtilman M. I., Podkorytova A. V., Nemtsev S. V., Kryazhev V. N. Tekhnologiya polimerov mediko-biologicheskogo naznacheniya. Polimeryprirodnogoproiskhozhdeniya [Technology of polymers for medical and biological purposes. polymers of natural origin]. Moscow, BINOM. Knowledge Laboratory, 2015, 328 p. (In Russ.).
8. Anunziata O. A., Maria L., Beltramone M. R. Hydroxyapatite/MCM-41 and SBA-15 Nano-Composites: Preparation, Characterization and Applications. J. Materials, 2009, vol. 2, рр. 1508-1519.
9. Goloshchapov D. L., Kashkarov V. M., Rumyantseva N. A., Seredin P. V., Lenshin A. S., Agapov B. L., Domashevskaya E. P. Poluchenie nanokristallicheskogo gidroksiapatita metodom himicheskogo osazhdeniya s ispol'zovaniem biogennogo istochnika kal'ciya [Obtaining nanocrystalline hydroxyapatite by chemical precipitation with using a biogenic source of calcium]. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granicy [Condensed media and interphase boundaries], vol. 13, no. 4, рр. 427-441. (In Russ.).
Информация об авторах
М. В. Папежук — аспирант;
Е. М. Пилунова — студент;
С. Н. Иванин — кандидат химических наук, преподаватель;
Р. П. Якупов — аспирант.
Information about the authors
M. V. Papezhuk — post-graduate student;
E. М. Pilunova — student;
S. N. Ivanin — candidate of chemical sciences, lecturer;
R. P. Yakupov — post-graduate student.
Статья поступила в редакцию 20.01.2023; одобрена после рецензирования 31.01.2023; принята к публикации 01.02.2023.
The article was submitted 20.01.2023; approved after reviewing 31.01.2023; accepted for publication 01.02.2023.
