СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБОНАТГИДРОКСИЛАПАТИТА ИЗ МОДЕЛЬНОГО РАСТВОРА СИНОВИАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ЧЕЛОВЕКА
METHOD OF OBTAINING CARBONATEHYDROXYLAPATITE FROM MODEL SOLUTION OF HUMAN SYNOVIAL FLUID

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, которые могут быть использованы при создании биоактивных покрытий карбонатгидроксилапатита на имплантах, при создании бифазных композитов на основе карбонатгидроксилапатита и полимерной органической матрицы.
Известен способ приготовления шихты для керамического материала на основе карбонатгидроксиапатита (патент RU 2391317), заключающийся во взаимодействии водных растворов ацетата кальция с концентрацией 0,25-1,00 М и гидрофосфата калия с концентрацией 0,15-0,60 М в щелочной среде, обеспечиваемой KОН, взятым в 1,2-кратном избытке относительно количества, рассчитанного по реакции. Приготовленная таким образом шихта содержит 65-92% карбонатгидроксиапатита и 8-35% ацетата калия.
3
3
-
-
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения биосовместимых материалов для замещения костной ткани в среде синтетической жидкости (SBF), моделирующей состав плазмы крови человека (Jalota S., Bhaduri S.B., Tas А.С.Using a synthetic body fluid (SBF) solution of 27 mM НСО  to make bone substitutes more osteointegrative. // Materials Science and Engineering, V. 28, 2008, р. 129-140). По данному способу синтез биоматериалов осуществлялся путем выдерживания коллагеновых губок (коллаген I типа) в растворе близком по составу и содержанию неорганических ионов к плазме крови человека при физиологических значениях температуры 37°С и рН=7,4 в течение 7 дней. При этом стабилизация рН модельного SBF раствора проводилась при помощи буферной смеси трис-гидрокиметил-аминометана и соляной кислоты (Трис-HCl), что также позволило провести эксперимент при постоянной концентрации одного из важных ионов плазмы крови НСО  (27 ммоль/л). Способ позволяет получить композиты коллаген-апатит-фосфат кальция (коллаген-Ар-Сар) с наноразмерами частиц и высокой площадью поверхности, что способствует улучшению остеогенеза при замещении костных дефектов в живом организме. К недостаткам его следует отнести отсутствие возможности получения карбонатгидроксилапатита, основного компонента костной ткани человека.
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа получения карбонатидроксилапатита из модельного раствора синовиальной жидкости человека.
2
2
4
2
2
2
2
4
Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения карбонатгидроксилапатита, приближенного к неорганическому матриксу костной ткани из модельного раствора синовиальной жидкости человека, в котором готовят модельную среду указанного состава: СаСl - 1.3431 г/л, NaHPO∙12НО - 7.4822 г/л, NaCl - 2,8798 г/л, MgCl∙6НO - 0.4764 г/л, NaSO - 1.6188 г/л, KС1 - 0.3427 г/л, осаждение проводят при концентрации карбонат-ионов 24 ммоль/л, температуре 22-25°С, значении рН 7.4±0,05 в течение 30 дней.
3
2-
Синтез карбонатгидроксилапатита осуществлялся из модельной среды, приближенной по ионно-электролитному составу, рН, ионной силы к синовиальной жидкости человека. Осаждение из растворов проводилось при значении рН 7.4±0,05, которое соответсвует физиологическому значению кислотности синовии в норме (Лунева С.Н. Биохимические изменения в тканях суставов при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и способы биологической коррекции: Дис… д-ра биол. наук. Курган. 2003. 297 с). При этом корректировка рН до требуемых физиологических значений осуществлялась путем добавления 20%-ого раствора NaOH или концентрированной НСl. Синтез проводили при температуре 22-25°С. Для получения карбонатсодержащих материалов на основе апатита в модельных опытах проводилось варьирование физиологической концентрации карбонат-ионов (СО ) в интервале от 0 до 32 ммоль/л. Данные концентрационные диапазоны соответствуют содержанию ионов в синовиальной жидкости человека (Кирсанов А.И. Концентрация химических элементов в разных биологических средах человека. Клиническая лабораторная диагностика. 2001. №3. С.16-20). При этом содержание остальных минеральных составляющих соответствовало таковым для синовиальной жидкости человека (табл.1).
Таблица 1
Средние концентрации неорганических ионов синовиальной жидкости человека при разных значениях рН, ммоль/л
Компонент-ион (ммоль/л)
рН
7.40±0.05
Кальций
12.1
Фосфаты
20.9
Натрий
140.0
Магний
1.10
Калий
4.60
Хлорид
103.0
Карбонат
0÷32.00
Сульфат
11.40
2
2
4
2
2
2
3
2
4
Для приготовления модельных растворов использовались соли (СаСl, NaHPO∙12НO, MgCl∙6НO, NaHCO, NaSO, KСl, NaCl) марки ч.д.а, х.ч. и дистиллированная вода. Соли и их количество подбирались таким образом, чтобы концентрации их ионов в растворе и ионная сила были максимально приближены к данным параметрам моделируемой системы, а именно синовиальной жидкости. При этом полученная ионная сила отличалась от исходного значения не более чем на 0,03. Для получения достаточного количество твердой фазы использовали модельный раствор, пересыщенный относительно ионов кальция в 50 раз. Кристаллизация твердой фазы осуществлялась в течение 30 суток.
После вызревания осадка под маточным раствором в течение выбранного промежутка времени раствор фильтровали под вакуумом. Осадок высушивали при температуре ~100°С до постоянной массы для полного удаления химически не связанной воды. Взвешивали полученную твердую фазу и изучали методами РФА (Дрон-3М), ИК-Фурье-спектроскопии (ФТ-801, таблетки КВr) и дисперсионного анализа синтезированного карбонатгидроксилапатита на лазерном дифракционном анализаторе размеров частиц Shimadzu SALD-2101 (Laser Diffraction Particle Size Analyzer).
-1
4
В жидких фазах фиксировали конечное значение рН и определяли химическими методами остаточные концентрации ионов кальция и магния (РД 52.24.403-94) и фосфат-ионов (ГОСТ 18309-72). В работе использовалась математическая обработка спектров с помощью программного пакета PeakFit_v 4.11. (Shi J., Klocke A., Zhang M., Bismayer U. Thermally-induced structural modification of dental enamel apatite: Decomposition and transformation of carbonate groups. European Journal of Mineralogy. 2005. Vol.17. P.769-775), заключающаяся в разложении спектральной области 400-650 см на три элементарных полосы поглощения (распределение по Лоренцу, Р=0.99). По результатам разложения рассчитан параметр инфракрасного расщепления антисимметричного деформационного колебания ν связи О-Р-О, полученный как отношение интенсивностей двух пиков к интенсивности «впадины» между ними:
-1
-1
-1
IRSF=I(564 см)+I(604 см)/I(584 см).
По его величине оценивалась степень кристалличности исследуемого минерала. По данным РФА во всем диапазоне варьирования концентраций карбонатов-ионов получены гидроксилапатит низкой кристалличности, для которого оценены параметры кристаллической решетки (табл.2)
Таблица 2
Кристаллографические параметры решетки апатитов
С<sub>СО3</sub> <sup>2-</sup>. ммоль/л
0
8
16
24
32
Костная ткань
ГА
α
9,68
9,75
9,74
9,76
9,72
9,41
9,43
с
6,49
6,37
6,39
6,64
6,38
6,89
6,89
с/α
0,67
0,64
0,65
0,68
0,66
0,73
0,73
Известно, что величины параметров α и с элементарной ячейки синтезированных образцов отличаются от таковой для костной ткани и стехиометричного гидроксилапатита (Улумбекова Э.Г., Челышева Ю.А. Гистология (введение в патологию). - М.: ГЭОТАР, 1997. - 960 с.) Параметр α образцов по сравнению с апатитом кости больше, а с напротив уменьшается. Такие характеристики кристаллической решетки характерны для нестехиометрических кальцийдефицитных гидроксилапатитов, в том числе карбонатсодержащих [Улумбекова Э.Г., Челышева Ю.А. Гистология (введение в патологию). - М.: ГЭОТАР, 1997. - 960 с.].
СО3
СО3
СО3
СО3
2
2
3
3
3
3
4
1
3
4
4
3
2
3
4
4
2-
2-
2-
2-
-1
-1
-1
2-
2-
1-
3-
-1
3-
-1
2-
-1
2-
2-
-1
-
-1
3-
На фиг.1 представлены ИК-спектры образцов, синтезированного при: С =0 ммоль/л (1), С =8 ммоль/л (2), С =24 ммоль/л (3), С =32 ммоль/л (4)), полученные во всем диапазоне варьирования карбонат-ионов. Диапазон частот 3440-3400 см соответствует валентным колебаниям νНO; интервал 1680-1610 см принадлежит деформационным колебаниям Н-О-Н в НО; 1480-1410 см -асимметричным валентным колебаниям С-O в СО  В-типа (νCO ); 1090-1030 см- асимметричным валентным колебаниям υ Р-O в РО ; 968-958 см - полносимметричное валентное колебание υи υ P-O в РО ; 893-894   см - колебания НРО ; 875-879 см - деформационное колебание О-С-О в СО  А и В-типа (ν СO ); 634-632 см - либрационные полосы поглощения ОН; 605-564 см - деформационное колебание υ О-Р-О в РO .
Для каждого образца по ИК-спектрам были рассчитаны индексы кристалличности (табл.3), максимальная кристалличность (IRSF) отмечена у образца, синтезированного в отсутствии карбонатов (фиг.1). Необходимо отметить, что при концентрации карбонатов, равной 24 ммоль/л, наблюдается индекс кристалличности (IRSF) наиболее близкий к здоровой костной ткани человека (Лемешева С.А. Химический состав, свойства костного апатита и его аналогов: Дис.к.х.н., Омск 2009. 177 с). Следовательно, концентрация карбонатов-ионов (24 ммоль/л) обеспечивает получение карбонатгидроксилапатита, приближенного к неорганическому матриксу костной ткани человека.
Таблица 3
Данные химического анализа модельного раствора
С<sub>СО3</sub> <sup>2-</sup><sub>ммоль/л</sub>
0
8
16
24
32
Са/Р
0,42
0,33
0,25
0,20
0,06
m<sub>осадка</sub>,Г
2,86
4,25
4,73
5,27
4,59
IRSF
7,18
6,68
6,05
5,23
6,77
Распределение частиц по размерам представлено на фиг.2. Распределение частиц синтетических фосфатов кальция по размерам является важным параметром при характеристике физико-химических свойств дисперсных систем. Согласно данным анализа дисперсного состава синтетических порошков для образцов карбонатгидроксилапатита характерно мономодальное распределение частиц по размерам, при этом значение их среднего диаметра для КГА (42,38 мкм).
Таким образом, заявляемый способ позволяет в условиях, моделирующих синовиальную жидкость (основного компонента сустава), получить карбонатгидроксилапатит, приближенный к неорганическому матриксу костной ткани человека.