CC BY
57
ХИМИЯ
Вестн. Ом. ун-та. 2016. № 3. С. 59-63. УДК 54.056, 544.01, 543.42
С.А. Герк, А.Е. Шевченко, С.В. Замула, О.А. Голованова
СОСТАВ И СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИОНАМИ НАТРИЯ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ПРОТОТИПОВ СИНОВИИ*
На основе прототипа синовиальной жидкости человека при варьировании содержания ионов натрия и кальция в модельном растворе синтезированы фосфаты кальция, содержащие гидроксиапатит, октакальций фосфат и витлокит. Показано, что увеличение концентрации катионов натрия приводит к образованию фаз преимущественно состоящих из витлокита. Получены кинетические закономерности растворения образцов в ацетатном буферном растворе в зависимости от содержания ионов натрия в модельном растворе.
Ключевые слова: фосфаты кальция, биологические жидкости, резорбция, растворение, кинетика.
Введение
В настоящее время неотъемлемой частью передовых исследований в области материаловедения, биологии и медицины является разработка биоматериалов на основе фосфатов кальция (ФК) [1-4]. В идеальном случае такой имплантат должен постепенно растворяться в среде организма, выполняя при этом свои опорные функции, а на его месте формироваться новая костная ткань. В этой связи ключевой характеристикой материала является его способность резорбироваться, то есть растворяться в среде организма. Традиционно применяемый гидроксиапатит (ГА) - Саю(РО4)б(ОН)2, обладает наименьшей среди фосфатов кальция растворимостью [4].
Существуют два подхода, позволяющие улучшить резорбцию кальций-фосфатных материалов: (а) переход к фосфатам кальция с меньшим чем у ГА отношением Са/Р<1,67 (синтез одно-, двух- и полифазных фосфатов кальция приводит к увеличению растворимости почти на порядок); (б) модификация химического состава, связанная с заменой катионов и анионов ГА другими ионами, например катиона Ca2+ на однозарядные катионы щелочного металла, например Na+ и K+. Применение второго подхода при высокотемпературном твердофазном синтезе позволяет получить резорбиру-емую in vivo керамику за счет присутствия фазы СаК(или Na) PO4 (ренанит). Проблема влияния ионов щелочных металлов на состав и свойства фосфатов кальция, получаемых методом осаждения из растворов, в литературе отражена не достаточно полно.
Цель работы: синтез фосфатов кальция из прототипов синовиальной жидкости (синовии) человека при варьировании содержания ионов натрия в модельном растворе, изучение фазового состава и резорбции полученных твердых фаз.
Объекты и методы исследования
Синтез ФК осуществлялся из прототипа синовиального раствора, соответствующего по ионно-электролитному составу, рН (7,40±0,05) и ионной силе синовиальной жидкости человека при пятидесяти кратном пересыщение по ионам Са2+ и НРО42- [5]. В ходе эксперимента в модельном растворе варьировали концентрации ионов натрия и кальция по следующей схеме: одновременно увеличивали исходную концентрацию ионов натрия и
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантами РФФИ (проект № 16-33-00535, № 1529-04839) и Президента РФ (проект № СП-933.2015.4).
© Герк С.А., Шевченко А.Е., Замула С.В., Голованова О.А., 2016
уменьшали исходную концентрацию ионов кальция на 20-60 масс. % (соотношение Собщ(№а+//Со6щ(Са2+/ возрастало в 1,5; 2,5 и 4 раза). Скорость проливания раствора, содержащего анионы к раствору с катионами кальция и магния составляла 5 мл/мин. Корректировку кислотности среды проводили 10 масс. % раствором HCl после полного смешения компонентов. Кристаллизация твердой фазы осуществлялась при 20-23 °С в течение 7 суток. По истечению указанного времени, осадки отделяли от раствора фильтрованием, сушили при 80 °С, взвешивали и далее исследовали с помощью группы физико-химических методов.
Рентгенофазовый анализ полученных порошков проводили на дифрактометре ДРОН-3. Идентификация пиков на дифрактограммах осуществлялась с помощью картотеки JCPDS, программных пакетов Crystallogra-phica Search-Match и DifWin4.0. Содержание присутствующих фаз в образцах определяли по методу корундовых чисел (метод Чанга, программа Crystallographica Search-Match). ИК-спектры осадков регистрировали на спектрофотометре «ФТ-02». Пробы готовили прессованием в таблетки с KBr. Морфологию образцов изучали с помощью оптических микроскопов: стереоскопического - МС-2 ZOOM и бинокулярного - XSP-104.
Для моделирования активной фазы резорбции порошков остеокластами проводи-
лось динамическое растворение образцов (масса навески 0,2000 г) при постоянном перемешивании в ацетатном буфере (pH = 5,5) при комнатной температуре (20-22 °С). Через каждую минуту в определенном интервале времени (т = 0-50 мин.) с помощью прямой потенциометрии фиксировали значение рН и рСа в растворе (иономер И-160МИ). Полученные зависимости обрабатывали в программе SygmaPlot 12.5 по методике, предложенной в работах [6; 7].
Результаты и их обсуждение
С помощью РФА установлено, что с ростом массовой доли №+ в исходном модельном растворе образуются твердые фазы, содержащие более растворимые ФК чем ГА (табл. 1). Так, при 20 %-ом повышении концентрации данных катионов образуется двухфазный осадок (рис. 1), представленный октакальций фосфатом (Са8(HPO4)2(PO4)4 ■ 5H2O, № 79-423) и примесью ГА (Са10(ГО4уОН)б, № 73-293). Дальнейшее увеличение содержания №+ в исходном растворе способствуют образованию магнийсодержа-щего трикальций фосфата (ТКФ) - витлокита (Саl8Mg2H2(PO4)l4, 70-2064), который близок по характеристикам и свойствам р-трикаль-ций фосфату [4]. Образец, синтезированный
при максимальной концентрации стоит только из витлокита.
Na+
со-
Рис. 1. Дифрактограммы образцов, синтезированных из исходного модельного раствора (1) и при увеличении содержания ионов натрия на 20 (2); 40 (3) и 60 (4) масс. %
Характеристика синтетических образцов
Таблица 1
Модельный раствор № образца С (Na+), масс. % Фазовый состав Содержание фаз, масс. % Произведение растворимости (рПР при 37 °С) [8; 9]
Исходный 1 100 ГА 100 117,2
Избыточное 2 +20 ОКФ ГА 98 2 95,9 117,2
содержание катионов Na+ 3 +40 Витлокит ГА 59 41 29,5 117,2
4 +60 Витлокит 100 29,5
Полученные результаты свидетельствуют об ингибирующем действии ионов натрия на кристаллизацию ГА. Возможно, это связано с тем, что эффективный ионный радиус кальция (0,99 А) близок к радиусу натрия (0,98 А), и поэтому ионы натрия легко встраиваются в структуру ГА, нарушая стабильность кристаллической решетки, и как следствие происходит снижение кристалличности данной фазы. В результате наблюдается осаждение метастабильных по отношению к ГА твердых фаз - ОКФ и витлокита.
На ИК-спектрах образцов (рис. 2) отмечены полосы поглощения колебаний связей группировок атомов, присутствующих в структуре идентифицированных твердых фаз. Пикам, характерным для карбонатсо-держащего ГА и витлокита соответствуют валентные колебания V Н2О - 3440-3400 см-1; деформационные колебания Н-О-Н в Н2О -1680-1610 см-1; асимметричные валентные колебания из Р-О в РО43- - 1090-1030 см-1; деформационное колебание и4 О-Р-О в РО43- -605-564 см-1. Наличие дублета асимметричных валентных колебаний связи С-О в СО32-^3СО32-) - 1480-1410 см-1 и деформационного колебания О-С-О в СО32- СО32-) - 875879 см-1 указывает на механизм замещения фосфатных тетраэдров карбонат-ионами в структуре ГА по В-типу [4]. Данный тип замещения характерен для биогенного ГА, в том числе апатита костной ткани человека. Увеличение интенсивности дублета карбонатных групп твердых фаз, полученных из модельных растворов, косвенно свидетельствует об увеличении их содержания в структуре ГА, что согласуется с данными РФА о
снижении кристалличности полученных образцов.
Присутствие ОКФ в образце (рис. 2, ИК-спектр 2), полученном из модельного раствора при массовой доли ионов натрия 20%, подтверждают максимумы поглощений при 1033 и 560 см-1 (валентные колебания связей Р-О в группах НРО42- и РО43- ОКФ).
Данные РФА и ИК-спектроскопии согласуются с морфологическими особенностями синтезированных образцов. Частицы порошка, состоящего только из ГА (рис. 3а), представляют собой округлые агрегаты, построенные из кристаллитов основного фосфата кальция.
С увеличением содержания ионов натрия в модельном растворе наблюдается закономерное увеличение размеров агрегатов, вероятно за счет наличия в составе осадков октакальция фосфата (рис. 3.2, 4.1) и витлокита (рис. 3.3-3.4, 4.2). Известно, что кристаллы данных фаз близки по морфологии к ГА, при этом октакальций фосфат кристаллизуется в виде шарообразных агрегатов, состоящих из тонких пластинок [7] (рис. 4.1), а ТКФ имеет вид овалов (сфер) или кругов [7-10] (рис. 4.2).
Наличие в составе осадков более растворимых фаз, чем ГА подтверждают результаты, полученные при изучении их биоактивности. При растворении в ацетатном буферном растворе образцов, синтезированных при избыточном содержании катионов натрия, наблюдается рост концентрации ионов кальция с увеличением концентрации добавки (рис. 5).
4Ш> 4300 5000 5500
Частота колебаний, см 1 Рис. 2. ИК-спектры образцов, синтезированных из исходного модельного раствора (1) и при увеличении содержания ионов натрия на 20 (2); 40 (3) и 60 (4) масс. %
(3) (4)
Рис. 3. Морфология частиц образцов, синтезированных из исходного модельного раствора (1) и при увеличении содержания ионов натрия на 20 (2); 40 (3) и 60 (4) масс. % (160 кратное увеличение, микроскоп МС-2 ZOOM)
(1) (2) Рис. 4. Морфология частиц образцов, синтезированных при увеличении содержания ионов натрия в модельном растворе на 20 (1) и 60 (2) масс. % (200 кратное увеличение, микроскоп XSP-104)
Для определения скорости растворения осадков все кинетические кривые проанализированы с помощью регрессионного анализа (программный пакет Sygma Plot 12.5). Установлено, что процесс растворения порошков - стадийный процесс. На начальном участке кривых (до 540 с) зависимость концентрации ионов кальция в растворе от времени C(t) = —lgCc 2+ описывается линейной функцией (участок кривой I). Истинная скорость для линейной зависимости определяется как тангенс угла наклона прямой (табл. 2). Из данных табл. 2 следует, что при увеличении массовой доли ионов натрия в модельном растворе образуются наиболее растворимые образцы. Максимальная скорость растворения характерна для образца, синтезированного при наибольшем содержании ионов натрия, фазовый состав которого
я 4,7 U " в.
4,6 4,5 4,4 4,3 4,2
1 I
• 1 ■ 2
* 3 X 4
I—-...
I ХХ*хххххххххххххххххххх
500
1000
1500
2000 2500 Время, с
Рис. 5. Зависимости рСа от времени растворения образцов, синтезированных из исходного модельного раствора (1) и при увеличении содержания ионов натрия на 20 (2); 40 (3) и 60 (4) масс. % (римскими цифрами обозначены этапы растворения образцов)
представлен наиболее растворимой фазой - № 4 содержит 41 масс. % в своем составе витлокитом (образец № 4; табл. 1 и 2). Поро- трудно резорбируемую фазу ГА (табл. 1 и 2). шок № 3 растворяется с минимальной скоростью, так как в отличие от образцов № 2 и
Таблица 2
Характеристики растворения образцов в ацетатном буфере на линейном участке прямой (I, рис. 5) в зависимости от содержания ионов натрия в модельном растворе
№ C(Na+), масс. % R2 Уравнение прямой Оист, С
1 100 0,9955 C(Ca2+) = 0,5556 • 10-5 ± 1,3202 • 10-7 + (9,8666 • 10-9 ± 3,2441 • 10"10)- t 9,8666 • 10-9 ±3,2441 • 10-10
2 +20 0,9649 C(Ca2+) = 2,6510 • 10-5 ± 4,8371 • 10-7 + (1,9871 • 10-8 ± 1,4326 • 10-9) •t 1,9871 • 10-8 ± 1,4326 • 10-9
3 +40 0,9768 C(Ca2+) = 4,4451 • 10-5 ± 2,3961 • 10-7 + (1,2194 • 10-8 ± 7,096510-10) • t 1,2194 • 10-8 ± 7,096510-10
4 +60 0,9649 C(Ca2+) = 3,8480 • 10-5 ± 6,0354 • 10-7 + (2,6378 • 10-8 ± 1,7875 • 10-10) t 2,6378 • 10-8 ± 1,7875 • 10-10
Следующая стадия процесса растворения порошков в ацетатном буфере характеризуется экспоненциальной зависимостью (рис. 5):
Щ = Со + Ст • exp (М), где Со - условная начальная концентрация, Ст - концентрация насыщения, Ь - коэффициент, t - время.
Данная зависимость соответствует кинетике первого порядка, поскольку скорость изменения количества «активных центров растворения» в растворяемом образце пропорциональна их числу в данный момент [6; 7]. Количественной мерой скорости изменения концентрации ионов кальция со временем на экспоненциальном участке кривой можно рассматривать как начальную скорость растворения. Из данных табл. 3 видно, что условная начальная концентрация ионов кальция при растворении образцов возрастает (значение рСа уменьшается) с увеличением содержания ионов натрия в модельном растворе, в данных случаях образуются двухфазные образцы ОКФ:ГА (98 и 2 масс. %), витлокит:ГА (59 и 41 масс. %) и однофазный порошок витлокит (100 масс. %).
Таблица 3
Характеристики растворения образцов в ацетатном буфере на участке (II, рис. 5) в зависимости от содержания ионов натрия в модельном растворе
C(Na+), масс. % R2 Уравнение
100 0,9096 рСа = 4,4982 + 4,5001 e-5 '10"6(
+20 0,8638 рСа = 4,4391 + 4,4318 e-5 10"6(
+40 0,8847 рСа = 4,2934 + 4,2908 e-5 10"6(
+60 0,8714 рСа = 4,2862 + 4,2807 e-5 10"6(
Заключение
В ходе эксперимента установлено, что при варьировании концентрации ионов натрия и кальция в модельном растворе синовиальной жидкости человека образуются двухфазные порошки, состав которых представлен ОКФ или/и витлокитом и ГА. Показано, с увеличением концентрации ионов натрия в составе синтезированных образцов возрастает содержание витлокита. Изучены
кинетические закономерности растворения порошков в ацетатном буфере. По степени резорбируемости (растворения) при рН = 5,5 синтезированные порошки фосфатов кальция можно ранжировать следующим образом: ГА (100 масс. %); ОКФ:ГА (98 и 2 масс. %); витлокит:ГА (59 и 41 масс. %) и витлокит (100 масс. %).
Полученные результаты могут быть использованы при разработке и изучении биосовместимых материалов, востребованных в разных областях медицины (травматологии, ортопедии, хирургии и т. д.).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Аль-Зубайди Асаад Абдулхуссейн Мозан / Исследование физико-химических свойств ме-талл-замещенного нанокристаллического кальций-дефицитного гидроксиапатита : дис. ... канд. физ.-мат. наук. Воронеж, 2014. 110 с.
[2] Климашина Е. С. Синтез, структура и свойства карбонатзамещенных ГА для создания резор-бируемых биоматериалов : автореф. дис. ... канд. хим. наук. М., 2011. 23 с.
[3] Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М. : Наука, 2005. 204 c.
[4] Евдокимов П. В., Путляев В. И., Иванов В.К., Гаршев А. В., Шаталова Т. Б., Орлов Н. К., Климашина Е. С., Сафронова Т. В. Фазовые равновесия в системах трикальциевый фосфат - смешанный фосфат кальция и натрия (калия) // Журнал неорганической химии. 2014. Т. 59. № 11. С. 1462-1471.
[5] Голованова О. А., Лемешева (Герк) С. А., Измайлов Р. Р. Патент №2496150(379), опубл. 20.10.2013.
[6] Измайлов Р. Р., Голованова О. А. Биорезорби-руемость гранулированного композита на основе карбонатгидроксилапатита и желатина в средах с различными значениями рН // Вест. Ом. ун-та. 2015. № 2. С. 61-65.
[7] Баринов С. М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины // Успехи химии. 2010. № 1. С. 15-32.
[8] Dorozhkin S. V. Calcium orthophosphates // J. Mater. Science. 2007. Vol. 42. № 4. Р. 1061-1095.
[9] Вересов А. Г., Путляев В. И., Третьяков Ю. Д. Химия биоматериалов на основе фосфатов кальция // Рос. хим. журнал. 2004. Т. 48. № 4. С. 52-54.
[10] Вересов А. Г. Направленный синтез высокодисперсных материалов на основе гидроксилапа-тита: дис. ... канд. хим. наук. М., 2003. 148 с.
