Дифрактометрический анализ костной ткани, регенерата и кальцийфосфатных материалов

42. Кобылинская Н.Г., Зайцев В.Н. Изучение протолитических

свойств кремнеземов, модифицированных 8-аминометилхинолином // Труды Одесского политехнического университета. - 2006. - Вып. 1(25). - С. 231 - 236.

43. Polythermal study of kinetics and equilibrium for hydrogen ion

sorption on aminosilica / A. A. Samoteikin [et all.] // Functional materials. - 2000. - V. 7. - № 1. - P. 67 - 74.

44. Кубасов А.А. и др. Изменение природы адсорбционных

комплексов на поверхности цеолита Y под воздействием малых количеств воды и аммиака // Вестник Московского университета. Серия. Химия. 2005. - № 4.

- С. 236-242.

45. Холин Ю.В., Христенко И.В. Кремнезем, химически

модифицированный бензоилфенилгидроксиламином, в сорбции и твердофазном спектрофотометрическом определении Fe(III) // Журн. прикл. химии. - 1997. - Т. 70.

- № 6. - С. 939 - 942.

46. Pasavento M, Biesus R. Simultaneous determination of total

and free metal ion concentration in solution by sorption on iminodiacetate resin // Anal. Chem. - 1995. - V. 67. - № 19. -P. 3358 - 3563.

47. Шаров А.В., Филистеев О.В. Тест-система для опреде-

ления суммарного содержания ионов кальция и магния в водных растворах (тезисы) // Молодые исследователи - регионам: материалы всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. В 2 т. - Вологда: ВоГТУ, 2008. - Т.1.

УДК 612.812

А.Н. Накоскин, И.А.Талашова

ФГБУ «РНЦ «ВТО» имени академика

Г.А. Илизарова» Минздравсоцразвития России

ДИФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОСТНОЙ ТКАНИ, РЕГЕНЕРАТА И КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация

Исследованы образцы кальцийфосфатных соединений, нативной кости, костного регенерата рентгеновским дифрактометрическим методом. Выяснено, что на состав кристаллической фазы кальцийфосфатных соединений влияет технология их получения. Минеральная фаза костного регенерата является более аморфизированной по сравнению со зрелой костной тканью. Кальцийфосфатные материалы по фазовому составу соответствуют зрелой костной ткани.

Ключевые слова: кальцийфосфатные материалы, кость, регенерат, рентгеновская дифрактометрия.

A.N. Nakoskin, I.A. Talashova

Russian science centre of "Reconstructive

traumatology and orthopaedics by G.A. Ilizarov"

DIFFRACTOMETRIC ANALYSIS OF BONE AND CALCIUM PHOSPHATERE CLAIMED MATERIALS

Annotations

Samples of calcium phosphate compounds, native bone, bone regenerate an X-ray diffractometric methods. It was found that the composition of the crystalline phase of calcium-phosphate materials technology affects their production. The mineral phase of bone regenerate is more amorphous than mature bone. Calcium phosphate materials in phase composition correspond to the mature bone.

Key words: calcium phosphate materials, bones, regenerate, X-ray diffractometry

Введение. Актуальной задачей в травматологии и ортопедии является замещение дефектов костной ткани. В настоящее время ведется активный поиск эффективных материалов, пригодных для имплантации. Для решения этой задачи применяют различные материалы, получаемые искусственным путем или выделенные из зрелой костной ткани. Искусственно полученные гироксиапатиты находят широкое применение в практике имплантации, однако по некоторым параметрам эти материалы не всегда являются эффективными. На наш взгляд, минеральные компоненты имплантационных материалов, полученные из зрелой костной ткани, в частности гидроксиапатит и другие кальцийфосфатные соединения, могут быть более эффективными в практике имплантации, т.к. микроэлементный и структурный состав этих соединений наиболее близок к костной ткани. В то же время методика выделения препаратов гидроксиапатита из кости влияет на его строение, биоиндуктивные и биокондуктив-ные свойства.

В связи с этим целью настоящего исследования является изучение состава и структуры нативной кости, костного регенерата, кальцийфосфатных соединений, полученных по различным методикам, а также определение их биологических свойств при имплантации в дефекты костной ткани.

Материалы. В качестве материалов для имплантации тестировали кальцийфосфатные соединения (КФС), выделенные из диафизов трубчатых костей половозрелых особей крупного рогатого скота (КРС) по трём различным технологиям [2]:

1. КФС I - с использованием для деминерализации костной ткани 0,5 n раствора HCl, а для осаждения КФС - 52,2 %-го раствора NaOH в воде;

2. КФС II - с использованием для деминерализации костной ткани 0,5 n раствора HCl, для осаждения КФС - 52,2 %-го раствора NaOH в воде; дополнительно полученное КФС было обработано 8 М раствором карбамида;

3. КФС III - с использованием для деминерализации костной ткани 6 n раствора HCl, а для осаждения КФС - 0,12 %-го раствора СаО в воде («известковой воды»).

Пробы образцов костной ткани контрлатеральной конечности и костного регенерата голени собак, полученных в экспериментальных условиях при удлинении конечности методом Илизарова с темпом дист-ракции 1 мм в сутки за 4 приема, крепились к кювете с помощью пластилина, поверхности, подвергающиеся рентгенофазовому анализу выравнивались с помощью

наждачной бумаги, протирались спиртом и высушивались ткани сельскохозяйственных животных различными способами, приготовлены с использованием спирта. Экспериментальные исследования проводили в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных» (приложение к приказу Министерства здравоохранения СССР от 12.08.1977 г. № 755), с соблюдением этических норм и гуманного отношения к объектам изучения.

Методы

Порошковые рентгеновские данные минерального состава проб образцов получены с помощью рент-генофазового анализа, проводимого при температуре 298 К на дифрактометре «ДРОН-7» с использованием СиК излучения, ^-фильтра, при длине волны

X = 1,54056 Е в интервале 10 < 2 е < 900, с шагом 0,020 и экспозицией 15с. Для анализа полученных дифрак-тограмм применялся программный комплекс PDWin 4.0. Идентификация соединений осуществлялась путем сопоставления экспериментальных значений межплоскостных расстояний и относительных интенсив-ностей дифракционных максимумов с набором табличных значений для соответствующих кристаллических структур с применением «Порошкового дифракционного файла JCPDS ICDD PDF 2». Результаты исследования Дифрактометрическая картина образца «КФС-1» представлена на рис.1.

Для анализа дифрактограммы использовалась элементная подбаза «P,Ca,Na,Mg,C,O,F,Cl,H».

1 ................ г"\............... 1 [

1 :.......... ..'[................ л ...............Si1-'; ____,

Рис. 1. Дифрактограмма образца «КФС-1» По данным анализа получен качественный и количественный состав кристаллической фазы пробы образ-

ца «КФС-I»:

1.Са5(Р04)з(0Н) (карточка 9-432 Hydroxyapatite Hydroxyapatite) ~ 16.8%;

2.Са5(Р04)з(0Н, Cl, F) (карточка 25-166 Hydroxyapatite, сЫопап Hydroxyapatite,

chlorian Hydroxyapatite, chlorian) ~ 14.6%,

З^^О^ карточка 15-867 Fluorapatite Fluorapatite) ~ 14.1%,

4.Са1о(Р^4)6(ОН)2 (карточка 1-1008 Hydroxyapatite) ~ 13.7%,

^(PO^F (карточка 12-261 Fluorapatite) ~ 12.8%,

б.Са^РО^а (карточка 24-14 СЫогараМе) ~ 12%;

7.Са1о(РО<)з(СОз)з(ОН)2 (карточка 19-272 Carbonatehydroxyapatite

Carbonatehydroxyapatite) ~11.1%;

8.СаМд(С03)2 (карточка 11-78 CarbonateHydroxyapatit) ~4.8%.

Частично пики разных соединений накладываются.

I, имп/с

Рис. 2. Дифрактограмма образца «КФС-II»

Предварительный

1.Са5(Р04)зС1

2.Са5

3.Са5

4.Ca10(PO4)6(OH)2

5.Ca5(PO4)3F

6.NaMgPO4

7.CaNaPO„

8.CaJPOJ5CO3(OH)F

фазовый состав пробы образца «КФС-II»

карточка 1-1008 Hydroxyapatite)

~ 23%, ~ 14%,

~ 13%, ~ 12%, ~ 12%, ~ 11%, ~ 9%, ~ 6%.

Рис. 3. Дифрактограмма образца «КФС-Ш»

Фазовый состав пробы образца «КФС-Ш» (рис. 3):

1Ca4P2O9

2.Ca5

~ 24.3%,

(карточка 24-33 Hydroxyapatite Hydroxyapatite) (карточка 21-145 CarbonateHydroxyapatit) (карточка 3-747 Hydroxyapatite) (карточка 31 -267Carbonate fluorapatite) (карточка 19-272 Carbonatehydroxyapatite Carbonatehyd roxya patite) (карточка 19-247) (карточка 34-11 Fluorapatite) (карточка 27-74 Chlorapatite) На рис. 4 и 5 представлены дифрактограммы зрелой костной ткани и костного регенерата, полученного при экспериментальном переломе голени у собак, а также приведен качественный и количественный состав кристаллических фаз.

3.Ca5

5.Ca1o(0H)2(P0<)6

6^^04)5^(0^05^5

7^^04)^03)3(0^2

8.Ca2PO4Cl

^(PQ^F

10.Ca5(P04)3Cl

~ 14.4%, ~ 10.8%, ~ 10.2%, ~ 7.9%, ~ 9.6%,

~ 10.7%, ~ 5.2%, ~ 4.4%, ~ 2.4%

""'я' »'

Рис. 4. Пример дифрактограммы образца нативной костной ткани контрлатеральной конечности

Состав кристаллической фазы кости интерпретирован следующим образом (рис. 4):

1 .Ca5(PO4)3OH (карточка 9-432 Hydroxyapatite) ~ 30.5%

2.Ca10(OH)2(PO4)6 (карточка 1-1008 Hydroxyapatite) ~ 26.3%

3.Ca5(PO4)3(OH, Cl, F) (карточка 25-166 Hydroxyapatite, chlorian) ~ 18.3%

4.Ca10(PO4}3(CO3)3(OH)2 (карточка 19-272 Carbonatehydroxyapatite) ~ 16.6%

5.Ca5(PO4)3Cl (карточка 2-851 Chlorapatite) ~ 8.3%,

Рис. 5. Пример дифрактограммы образца костной ткани костного регенерата

Фазовый состав проб образца:

1.Ca10(OH)2(PO4)6

2.Ca5(PO4)3F

3.Са5(Р04)зС1

4.Ca1o

5.CaJPO4,OH,COWOH)2

(карточка 1-1008 Hydroxyapatite) (карточка 3-736 Fluorapatite) (карточка 2-851 Chlorapatite) (карточка 21 -145 CarbonateHydroxyapatit) (карточка 4-697 Carbonate-apatite) ~ 6.1%.

30.6%; 27.9%, 17.1%, 18.3%.

Обсуждение

Анализ дифрактограмм сложных аморфизирован-ных систем является сложной задачей. Приведенные данные состава кристаллических фаз кальций-фосфатных соединений и нативной кости, регенерата базируются на полученных ранее данных элементного состава и ИК-спектрометрических исследованиях [3]. В связи с этим анализу подвергалась только неорганическая составляющая костной ткани, без учета аморфной компоненты, хотя информация о соотношении аморфной и кристаллической фазы имеет важное значение в биологическом аспекте. Поведение аморфных и кристаллических соединений фосфата кальция при имплантации различаются. Аморфный фосфат кальция обладает более высокой растворимостью и, как следствие, быстрее резорбируется в зоне дефекта или перелома по сравнению с кристаллическим. В связи с этим информация о соотношении аморфной и кристаллических фаз необходима для конструирования имплантационных материалов на основе кальция фосфата и гидроксиапатита.

Анализ показал, что профили дифрактограмм проб образцов «КФС-1» и «КФС-П» качественно подобны (рис. 1, 2), а также наблюдается их сходство с образцами костной ткани и регенератами. В образцах «КФС-I» и «КФС-И» отмечено увеличение интенсивности пиков, улучшение их разрешения, уменьшение их ширины по сравнению с образцами костной ткани и регенератов, что говорит о более высокой степени кристалличности по сравнению с нативной костью и регенератом. Отмечено, что практически отсутствуют ди-меры гидроксиапатита и очень малое количество соединений, содержащих карбонат-ионы, по сравнению с образцами костной ткани и регенератов, что вполне объясняется тем, что в процессе получения КФС использовалась хлороводородная кислота.

Профиль рентгенограммы образца «КФС-Ш» качественно подобен пробам образцов «КФС-1» и «КФС-II», но есть и дополнительные рефлексы.

В состав костной ткани входят карбонат ионы, С1-, F" и другие неорганические ионы, замещающие различные позиции в кристаллической решетке гидроксиапатита (ГА). Частично пики разных соединений

перекрываются.

Пробы образцов костной ткани регенератов и контрлатеральной конечности голени собак качественно подобны. Уширение пиков свидетельствует об аморфизации материала. Однако гало здесь не наблюдается. В современной литературе уширение пиков также связывают с образованием наноразмерных частиц. Если их размер меньше 1 -10 мкм, то на рентгенограммах наблюдаются широкие пики - подобно аморфной фазе, а на самом деле просто частицы малы [1].

Визуальный осмотр рентгенограмм позволил отметить снижение интенсивности основных пиков в костном регенерате по сравнению с контрлатеральной конечностью, что можно интерпретировать как уменьшение степени кристалличности материала.

Заключение. Таким образом, анализ рентгеновских дифрактограмм показал, что основной кристаллической фазой исследуемых образцов является гид-роксиапатит с характерными дифракционными рефлексами. При этом кристалличность ярче выражена в зрелой костной ткани по сравнению с костным регенератом, что свидетельствует о том, что со старением костной ткани увеличивается кристалличность минеральных компонентов кости. Состав полученных различными способами образцов костного минерала отличается, что свидетельствует о важности процедуры их выделения из костной ткани. Общей характерной чертой состава костного минерала является практически полное отсутствие карбонат-содержащих форм гидроксиапатита, что вполне объясняется тем, что в процессе получения этих веществ из костной ткани происходит обработка раствором хлороводородной кислоты. В результате этого карбонат-ион выделяется в виде углекислого газа. На кристалличность костного минерала оказывает влияние объем раствора, из которого происходит осаждение. Общая тенденция такова - чем больше объем раствора и соответственно ниже концентрация костного минерала, тем выше кристалличность получаемого продукта.

Список литературы

1. Кузнецов С.В., Осико В.В., Ткаченко Е.А. и др. Неорганические нанофториды и нанокомпозиты на их основе//

Успехи химии. - 75(12). - 2006. - С. 1193-1211.

2.Талашова И.А., Силантьева Т.А. Лабораторное выделение кальцийфосфатных соединений из костной ткани крупного рогатого скота и определение их состава методом электронно-зондового микроанализа// Гений ортопедии. - 2007. - № 4. - С. 71-75.

3. Талашова И.А., Кононович Н.А., Силантьева Т.А. Возмеще-

ние дефектов губчатой кости животных// Ветеринария. - 2009. - №8. - С. 51-54.

УДК 544.18

Ю.В. Баитов, Б.С. Воронцов

Курганский государственный университет

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ GAMESS В КАЧЕСТВЕ МОДУЛЯ КВАНТОВОХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ДЛЯ HYPERCHEM

Аннотация

В работе рассматриваются технические аспекты применения программного пакета GAMESS в качестве модуля для проведения квантовохимических расчетов к программе Hypercube HyperChem, а также специально разработанное вспомогательное программное обеспечение, реализующее данное взаимодействие на практике.

Ключевые слова: GAMESS, HyperChem, компьютерные программы для квантовохимических расчетов, квантовохимические вычисления.

Y.V. Baitov, B.S. Vorontsov Kurgan State University

GAMESS USAGE AS A QUANTUM-CHEMICAL CALCULATION PLUG-IN FOR HYPERCHEM

Annotation

The article considers technical practicalities of GAMESS software usage as HyperChem plug-in for quantum-chemical calculations as well as specially developed subsidiary application that implements the interaction in practice.

Keywords: GAMESS, HyperChem, computer applications for quantum-chemical calculations, quantum-chemical computations.

Введение

Программный комплекс HyperChem, обладая набором неоспоримых достоинств, получил широкое распространение в образовательной среде и пользуется популярностью у начинающих исследователей. Среди особенностей этой программы стоит отметить интуитивно-понятный и дружелюбный пользовательский графический интерфейс, обширный каталог молекулярных фрагментов, облегчающий задание исходной геометрии, модуль трехмерной визуализации структуры соединений, возможность выполнения кван-114

товохимических вычислений [1]. Однако целый ряд недостатков не позволяет использовать HyperChem в качестве основного инструмента для ведения профессиональных исследований, а именно: ограниченный выбор базисных наборов и методов учета электронной корреляции, неэффективные с точки зрения точности результатов и расходования ресурсов компьютера встроенные процедуры квантовохимических вычислений.

Программный пакет GAMESS, напротив, заслужил популярность благодаря хорошему набору расчетных методов, высокой скорости вычислений и бесплатной лицензии, однако отсутствие графического интерфейса значительно усложняет процесс работы с программой. Так, исходные данные и результаты расчетов GAMESS представляются исключительно в текстовой форме.

В данной ситуации интерес представляет совместное применение двух программ: задание исходной геометрии и наглядное представление (интерпретация) результатов вычислений графически в HyperChem, проведение непосредственно квантовохимических расчетов при помощи GAMESS. Реализация такого взаимодействия и стала целью работы, описываемой в настоящей статье.

1. Описание принципа совместной работы

Программные комплексы HyperChem и GAMESS

развивались независимо друг от друга и не содержат встроенного функционала для какого-либо взаимодействия. По этой причине было необходимо разработать промежуточное программное обеспечение (далее -ПО), выполняющее роль связующего элемента для обеспечения обмена данными между двумя программами, в задачи которого входило: предоставление пользователю графического интерфейса для задания параметров квантовохимических расчетов, получение из HyperChem необходимых для выбранного типа вычислений данных и подготовка на их основе расчетного задания GAMESS, запуск GAMESS с указанием сгенерированного расчетного задания для выполнения вычислений, ожидание завершения вычислений и контроль отсутствия зафиксированных ошибок в работе GAMESS, в случае успешного завершения расчетов разбор выходного файла GAMESS и передача результатов вычислений HyperChem. Ниже кратко рассмотрены способы доступа к данным HyperChem.

2. Программные интерфейсы HyperChem

С выходом пятой версии в HyperChem появился инструментарий разработчика, позволяющий автоматизировать выполнение некоторых операций и получить доступ в том числе сторонним приложениям, к исходной информации о структуре и характеристиках молекул, а также манипулировать этими данными [2]. Благодаря нововведению стало возможным расширить область применения программы, в частности использовать сторонние пакеты для осуществления квантовохимических расчетов с последующей передачей результатов в HyperChem.

Для взаимодействия с HyperChem разработчикам предлагается использовать:

• набор переменных состояния (HSV -