Синтез модифицированных наногидроксиапатитов методом осаждения из растворов и исследование их биорезорбируемости

ХИМИЯ

УДК 681.2

СИНТЕЗ МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОГИДРОКСИАПАТИТОВ МЕТОДОМ ОСАЖДЕНИЯ ИЗ РАСТВОРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ БИОРЕЗОРБИРУЕМОСТИ 1

В работе проведены синтез и исследование морфологических характеристик биорезорбируемых материалов на основе наногидрок-сиапатитов, модифицированных карбонат- и силикат-ионами. Методом осаждения из растворов синтезированы модифицированные гидроксиапатиты (МГАП) с размером кристаллов 11-27 нм, что в 3-6 раз меньше немодифицированного гидроксиапатита. Изучено влияние варьирования коэффициентов замещения силикат- и карбонат-ионов на функциональные характеристики и биорезорбируемость МГАП. Установлено, что полученные МГАП явяются перспективным биоматериалом для ортопедического и дентального протезирования.

Ключевые слова: гидроксиапатит, модифицированный нано-гидроксиапатит, кремнийсодержащий наногидроксиапатит, карбонатсодержащий наногидроксиапатит, биорезобируемость.____

Введение

В настоящее время перспективным направлением исследования является разработка биоматериалов на основе фосфата кальция для замены и восстановления поврежденных костных тканей. В ряду биоматериалов, используемых в костной хирургии и стоматологии гидроксиапатит (ГАП, Саю(РО4)б(ОН)2) занимает особое место, так как он является синтетическим аналогом минеральной составляющей костной ткани и биологически совместим с организмом человека [1]. Однако применение немодифи-цированного гидроксиапатита имеет существенный недостаток, вследствие низкой скоростью резорбции при контакте в организме с межтканевыми жидкостями. Увеличение резорбируемости материалов на основе гидроксиапатита может быть достигнуто путем увеличения удельной поверхности порошков фосфатов кальция при уменьшении размеров кристаллитов, изменения параметров кристаллохимической решетки и степени упорядоченности структуры, а также химического модифицирования фосфатов кальция биосовместными ионами [2]. Было установлено, что апатитные материалы, в частности, гидроксиапатиты, модифицированные ионами кремния и карбоната, способствуют улучшенной пролиферации остеобластов и росту внеклеточного матрикса, а также ускоренной минерализации костной ткани [3]. В данной работе для регулирования скорости резорбции биоматериалов на основе гидроксиапатита выбрали метод химического модифицирования как наиболее перспективный подход.

1 Работа выполнена в рамках договора об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения № 13.G25.31.0006 от 07.09.2010г. «Биосовместимые композиционные и кальцийсодержащие остеопластические и лечебно-профилактические материалы для медицины ».

М.А. Трубицын Н.Г. Габрук И.И. Олейникова Ле Ван Тхуан Доан Ван Дат

Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

Россия, 308015, г. Белгород,

ул. Победы, 85

E-mail: gabruk@bsu.edu.ru

Целью нашей работы являлся синтез и исследование морфологических характеристик кремнийсодержащего (Si-ГАП) и карбонатсодержащего (КГАП) наногидрок-сиапатитов с заданным составом, а также их биорезорбируемости.

Материал и методы исследования

Образцы модифицированных ГАП были синтезированы методом осаждения из водного раствора по следующим схемам реакции:

10Са(СН)2 + (6-х) H3PO4 + x(NН4)2COз = Саю(РО4)6-х,(С03)х(РН)агХ1 + 2XNH3 + 18Н2О

где коэффициент замещения х = 0,25; 0,5; 0,75; 1.

10Са(СН)2 + (6-х) H3PC4 + xCHO^Si = Са10№)6-х,^Ю4МОН)2-х| + 4XC2H5OH + +(18-3х)Н2О; где x = 0.5;1.0;1.5;2.0.

К насыщенному раствору Са(СН)2 добавляли определенное количество реагента, учитывая что силикат- и карбонат-ионы замещают в кристаллической решетке ГАП либо ОН"-группы, либо РО43--группы до 7.4% [4], а соотношение Ca/(P+Si) = =Ca/(P+ СС32-) равно 1,67 и остается постоянным. Затем добавляли рассчитанное количество фосфорной кислоты при интенсивном перемешивании. Осадок отстаивали при комнатной температуре в течение 24 час. и отделяли от маточного раствора фильтрованием, сушили до постоянной массы. Для достижения наибольшей степени кристалличности и более полного удаления побочных продуктов реакции образцы МГАП прокаливали в течение 2 час. В качестве объекта сравнения выбран, синтезированный ранее немодифицированный ГАП.

Структуру поверхности и физико-химические характеристики полученных образцов исследовали методами ИК-спектроскопии, рентгенофазового анализа (РФА), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и методом БЭТ (измерение удельной поверхности и пористости). Для оценки биорезорбируемости образцов МГАП изучали динамику их растворения в растворе хлороводородной кислоты с С(1/1Н01) = 10-3 М с помощью рН-метра Metter Toledo.

Результаты исследования и обсуждение

Для исследования формы частиц, кристаллической структуры продуктов и их химического состава проводили анализ с помощью просвечивающей электронной микроскопии со встроенным детектором энергодисперсионного анализа на приборе Tecnai G2 20F S-TWIN. Установлено, что немодифицированный гидроксиапатит в водной суспензии существует в виде кристаллов длиной 100-200 нм и шириной 15-20 нм, у частиц Si-ГАП длина кристаллов составляет 60-95 нм и ширина 4-8 нм, у КГАП 75-115 нм и 10-15 нм, соответственно (рис. 1). Предполагалось, что подобная структура и размер кристаллов модифицированных ГАП могут обеспечить повышение резорбируемости, а, следовательно, и биоактивность материала по сравнению с обычным ГАП.

a b c

Рис. 1. ПЭМ-микрофотография наночастиц ГАП

С целью определения фазовой чистоты, параметров элементарной ячейки, степени кристалличности и размера кристалла, а также пространственной группы полученных порошков проводили РФА на рентгеновском дифрактометре ARL X’TRA. Полученные результаты приведены в таблице 1 и на рисунке 2.

Таблица 1

Рентгенокачественные характеристики полученных образцов

Число фаз Постоянная решетки, A0 Кристалличность, % Размер кристаллов, нм

a=b c

ГАП 1 9.414 6.865 91.00 65.51

Si-ГАП x=0.50 1 9.440 6.916 92.49 19.29

x=1.00 1 9.423 6.902 90.25 12.78

x=1.50 1 9.424 6.904 85.39 11.37

x=2.00 1 9.420 6.908 88.43 11.68

КГАП x=0.25 1 9.442 6.904 90.49 26.49

x=0.50 1 9.436 6.906 89.86 24.66

x=0.75 1 9.424 6.910 90.23 20.84

x=1.00 1 9.380 6.881 92.00 17.71

По данным РФА установлено, что полученные образцы принадлежат к пространственной группе Рб3/т гексагональной системы и являются однофазными. По смещению пиков у образцов Si-ГАП и КГАП относительно ГАП (рис. 2) можно сделать вывод об изменении объёма элементарной ячейки за счет встраивания в решетку силикат- и карбонат-ионов. При этом наблюдается уменьшение размера кристаллов МГАП по сравнению с немодифицированным ГАП.

1 и GAP.raw немодиф. ГАП 5mm1/2_DTex 04-06-11 1 0 GAP.raw немодиф. ГАП 5mmV2_DTex 04 06-11

2 и 0.5_Si_GAP.raw Sl-ГАП при x=0,5 5mm 1/2_DTex 05-12-11 2 И 0 25_C03_GAP.raw КГАП при X - 0.25 5mm1/2_DTex 05-12-11

3 El Si_GAP.taw Si-ГАП при x—I 5mm 1/2_DTex 04-06-11 1 El 0 5_C03_GAP raw КГАПприх- 0,5 5mml/2_DTex 05-12-11

4 El 1.5_Si_GAP.raw SI-ГАП при *=1,5 5mm1/2_DTex 05-12-11 4 El 0.75_C03_GAP.raw КГАП при X - 0,75 5mm1/2_DTex 05-12-11

5 El 2_Si_GAP.raw SU'AII при x=2 5mm1/2_DTex 05-12-11 _5___El 1_C03_GAP.taw____КГАП При X - 1____ 5mm 1/2_DTex_ 05-1211_I

a b

Рис. 2. Дифрактограммы РФА образцов Si-ГАП

Помимо этого, из данных, представленных в таблице 1 видно, что при увеличении коэффициента замещения, увеличивается концентрация модифицирующего агента, а размер кристаллов у МГАП уменьшается. Кристалличность немодифициро-ванного и модифицированных ГАП составляет 85-92%. Среди синтезированных образцов Si-ГАП, наибольшая кристалличность у ^о^-ГАП, а наименьшая у З^-ГАП.

В табл. 2. представлены результаты определения удельной поверхности, объема и среднего размера пор, которое проводилось методом низкотемпературной адсорбции и термодесорбции азота (метод БЭТ) на газо-адсорбционном анализаторе TriStar II 3020. Видно, что внедрение силикат- и карбонат-ионов в кристаллическую решетку ГАП приводит к увеличению удельной поверхности, объема и среднего размера пор почти в 2-4 раза по сравнению с обычным наногидроксиапатитом, что может положительно отразиться на сорбционных свойствах ГАП. При этом удельная поверхность образцов МГАП увеличивается с повышением коэффициента замещения (рис. 3).

Таблица 2

Физико-химические характеристики образцов ГАП и МГАП

Удельная поверхность, м2/г Объем пор, см3/г Средний размер пор, А0

ГАП 27.703 0.118 171.76

Si-ГАП Х=0.50 59-065 0.275 278.11

Х=1.00 65.990 0.523 316.94

Х=1.50 108.969 0.582 212.17

X=2.00 122.216 0.735 240.43

КГАП X=0.25 43.459 0.394 362.92

X=0.50 60.536 0.421 264.79

X=0.75 75.542 0.481 254.56

X=1.00 91.004 0.496 218.05

Si-ГАП

0 0,50 1,00 1,50 2,00

кэфф. замещения

а Ь

Рис. 3. Зависимость удельной поверхности образцов 5г-ГАП (а) и КГАП (Ь) от коэффициента

замещения

Качественный анализ на наличие силикатов и карбонат-ионов в тех или иных позициях кристаллической структуры был проведен методом ИК-спектроскопии на ИК-Фурье спектрометре №со^ 6700 (рис. 4).

Спектры продуктов синтеза имеют полосы поглощения, характерные для немо-дифицированного гидроксилапатита кальция. В спектрах МГАП наблюдаются слабые сигналы при 870 и 497 см-1, указывающие на присутствие силикат-ионов в структуре гидроксиапатита и карбонат-ионов при 1479 и 875 см-1. Интенсивность этих полос увеличивается при повышении коэффициента замещения. Для ГАП полосы валентных колебаний ионов ОИ~ при 3571 см-1 и гидроксильное вибрационное колебание при 620 см-1 аналогичны образцам МГАП. Однако их интенсивность не так велика, а с повышением содержания кремния и карбоната эти пики пропадают в связи с уменьшением количества ионов ОИ~ в соединении. Различие ИК-спектров кристаллического ГАП и МГАП наблюдается в интервале частот, отвечающих за деформационные колебания групп PО. Если в ИК-спектре ГАП имеется характерный триплет с частотами при 653, 620 и 589 см-1, то в спектрах МГАП в этой области присутствуют только две полосы при 651 и 589 см-1, соответствующие деформационным колебаниям групп РО43-. Обнаруживаются фосфатные колебания при 962-960 см-1, и при 1085-1007 см-1, интенсивность которых уменьшается при увеличении коэффициента замещения. Таким образом, данные ИК-спектроскопии свидетельствует о формировании &'-ГАП и КГАП смешанного типа, то есть замещение на или СО32- группы происходит парал-

лельно ОН и РО43- группами.

На рисунке 5 представлены результаты исследования биорезорбируемости образцов МГАП. Установлено, что внедрение биосовместимых ионов в кристаллическую решетку ГАП приводит не только к оптимизации физико-химических характеристик, но и к повышению биорезорбируемости. С повышением содержанием доли силикат- и карбонат-анионов в структуре МГАП наблюдается заметное увеличение биорезорби-

руемости МГАП. При этом, скорость растворения З^-ГАП примерно в 1.2 раз больше, чем у 51о,5-ГАП. КГАП и &'-ГАП обладают сравнимой скоростью растворения.

Рис. 4. ИК-спектры образцов 5г-ГАП и КГАП

Рис. 5. Динамика растворения МГАП в НС1

Si-ГАП

10.00

9.00

8.00

7.00

6.00

5.00

4.00

3.00

2.00 1.00 0.00

время, мин

Окончание рис. 5. Динамика растворения МГАП в HCl Выводы

Таким образом, данным методом осаждения получены модифицированые на-норазмерные образцы на основе гидроксиапатита. Продукты синтеза являются однофазными. С помощью комплекса инструментальных методов анализа исследована их морфология. Установлено, что биорезорбируемость МГАП увеличивается с повышением коэффициента замещения модифицирующего агента. Полученные результаты дают основание полагать, что гидроксиапатит, модифицированный силикат- и карбонат-ионами может стать перспективныым биоматериалом для ортопедического и дентального протезирования.

Список литературы

1. Климашина Е.С. Синтез, структура и свойства карбонатзамещённых гидроксиапатитов для создания резорбируемых биоматериалов: ): Автореф. дисс. ... к. хим. н. - М., 2011. - 23 с.

2. Трубицын М.А., Нгуен Х.Н.Ч. Синтез и кристаллохимическое модифицирование на-норазмерного гидроксилапатита // Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов: Сб. докл. III Всероссийской научн.-практ. конф. Томск, 19-21 мая 2010 г. -Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - С. 319-3243. Соин А.В., Евдокимов П.В., Путляев В.И., Вересов А.Г. Синтез и исследование анионмо-

дифицированных апатитов // Международный научн. журн. - 2007. - Т. 45. - № 1. - С. 130-132.

4. Лазебная М.А., Нгуен Х. Н. Ч., Трубицын М.А. Синтез и исследование свойств крем-ний-замещенного наноразмерного гидроксиапатита // Сборник тезисов III Всероссийской. шк.-семинара для студентов, аспирантов и молодых ученых (Белгород, 6-9 октября 2010 г.) / Под ред. д-ра хим.наук, проф. О.Е. Лебедевой. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2010. - С. 75-77-

SYNTHESIS OF MODIFIED NANO HYDROXYAPATITE IS A METHOD OF DEPOSITION BY PRECIPITATION FROM AQUEOUS SOLUTIONS AND STUDY OF THEIR RESORBABLE

In this paper the synthesis and study of the morphological characteristics of materials based on bioresorbable nano hydroxyapatite modified by carbonate and silicate ions are conducted. By precipitation from aqueous solutions, modified hydroxyapatite powders (MHAP) with a crystal size of 11 to 27 nm, which is 3-6 times less compared to the unmodified hydroxyapatite, were synthesized. The effect of varying the replacement rates of silicate and carbonate ions on the functional characteristics and bioresorbable MHAP was studied. It is established that the obtained MHAP are promising biomaterial for orthopedic and dental prostheses.

Key words: hydroxyapatite, modified nano hydroxyapatite, silicate hydroxyapatite, carbonate hydroxyapatite, resorbable.

M.A Troubitsin N.G Gabruk I.I Oleynikova Le Van Thuan Doan Van Dat

Belgorod StateNational Research University

Pobedy St., 85, Belgorod, 308015, Russia

E-mail: gabruk@bsu.edu.ru

0 20 40 60 80