СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ MG-ЗАМЕЩЕННОГО β-ТКФ

УДК 546.02

DOI 10.25513/1812-3996.2018.23(1).43-48

СИНТЕЗ И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ Mg-ЗАМЕЩЕННОГО ß-ТКФ

А. А. Бугаева, О. А. Голованова

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, г. Омск, Россия

Информация о статье

Дата поступления

07.12.2017

Дата принятия в печать

09.01.2018

Аннотация. В работе представлены результаты исследований кристаллизации Mg-замещенного Р-трикальцийфосфата (ТКФ). В работе изучены условия образования Р-ТКФ в присутствии ионов магния. Показано, что в присутствии ионов магния размер кристаллитов Mg-замещенного Р-ТКФ уменьшается. Изучена биоактивность синтетических образцов, и установлены кинетические характеристики.

Дата онлайн-размещения 28.03.2018

Ключевые слова

Фосфаты кальция, Р-ТКФ, кристаллизация, ионы магния, кинетика растворения, биорезорбируемость

SYNTHESIS AND STUDY OF THE PROPERTIES OF Mg-SUBSTITUTED ß-TCP

A. A. Bugaeva, O. A. Golovanova

Dostoevsky Omsk State University, Omsk, Russia

Article info

Received

07.12.2017

Accepted

09.01.2018

Abstract. The paper presents the results of studies on the crystallization of Mg-substituted P-TCP. The conditions for the formation of P-TCP in the presence of magnesium ions were studied. It was shown that in the presence of magnesium ions, the size of the crystallites of Mg-substituted P-TCP decreases. The bioactivity of synthetic samples was studied, and kinetic characteristics were established.

Available online 28.03.2018

Keywords

Calcium Phosphates, ß-TCF, crystallization, magnesium ions, kinetics of dissolution, bioresorption

1. Введение

Восстановление костной ткани является актуальной медицинской проблемой, ее значимость обусловлена распространенностью патологических состояний костной ткани, возникающих, как правило, в результате травм, опухолевого поражения, возрастного остеопороза, остеоартроза и других заболеваний опорно-двигательной системы [1].

На современном этапе развития медицины в области хирургии для лечения подобных заболеваний и восстановления костной ткани человека широко используются материалы на основе фосфатов кальция (ФК) [2]. Такие материалы способны высвобождать лекарства с воспроизводимой и предсказуемой скоростью, тем самым контролируя желаемый уровень концентрации лекарственного препарата, не достигая токсического уровня или снижая его до

минимально эффективного. Кроме того, данные вещества являются биологически активными и имеют ряд преимуществ [3]: большая удельная площадь поверхности - до 100 м2/г; кальций-фосфатные цементы (КФЦ) делают возможным синтез гранул и блоков при комнатной температуре; текучесть способствует введению цемента при помощи малоинвазив-ных хирургических техник, менее агрессивных, чем традиционные оперативные методы; идеальное прилегание к поверхности нанесения дает хороший контакт между костью и цементом даже в геометрически сложных местах повреждений; затвердевание КФЦ при комнатной температуре позволяет добавлять в смесь различные лекарственные вещества - от антибиотиков и противовоспалительных средств до факторов роста (костных морфогенетических белков); это свойство наделяет КФЦ большим потенциалом в области контролируемой доставки лекарственных веществ к месту дефекта костной ткани.

Одним из таких материалов является Р-ТКФ. Он стабилен при комнатной температуре; попадая в организм, взаимодействует с жидкостями, образуя гидроксилапатит [4]. Однако существует необходимость в улучшении его физико-химических (механических, сорбционных) и биохимических свойств. Таких улучшений можно достичь, добавив в структуру Р-ТКФ сторонние элементы, такие как ионы натрия, магния, калия, железа, цинка, меди, бария, фтора, хлора, углерода, серы, которые являются биогенными элементами, а также входят в состав мышечной и костной ткани в качестве примесей. Их доля не превышает 3-5 %, но они способны влиять на биологические, механические свойства Р-ТКФ [5].

По нашему мнению, добавление в структуру Р-ТКФ ионов магния может улучшить биологическую активность, а также и другие характеристики, если использовать данный ФК как носитель лекарственных препаратов. Также ионы магния являются биогенным элементом, который входит в состав мышечной и костной ткани. Несмотря на это, в литературе недостаточно данных о предельном замещении кальция на магний в структуре Р-ТКФ.

Согласно [6; 7] М§-замещенный Р-ТКФ может быть получен спеканием порошков гидроксилапа-тита (ГА) и MgO при Т = 1000 °С или, согласно [8; 9], методом осаждения из водных растворов. Частичное замещение ионов кальция магнием приводит к стабилизации структуры Р-ТКФ, а также к уменьшению размера частиц, что, по мнению авторов [6-9], приводит к улучшению биорезорбируемости и механических свойств материала.

Цель работы - синтез ß-ТКФ в присутствии ионов магния при варьировании концентрации до-панта, исследование состава и свойств полученных образцов (биоактивность).

2. Экспериментальная часть Синтез Mg-замещенного ß-ТКФ проводили путем осаждения из водных растворов при T = 22-25 °С по следующей реакции (2):

2

Эксперимент осуществлялся по двум методикам. В первом эксперименте варьировали концентрацию ионов магния при постоянной концентрации кальция и фосфат ионов (C(Ca2+) = 1,20 моль/л; C(PÜ43-) = 0,80 моль/л). Во втором - изменяли концентрацию ионов магния и кальция, при этом концентрация фосфат ионов оставалась постоянной (C(PÜ43-) = 0,80 моль/л). Растворы были приготовлены исходя из данных табл. 1 и 2.

Таблица 1

Варьирование концентрации ионов магния C

C(Mg2+), % C(Mg2+), моль/л

1,0 0,008

2,5 0,02

5,0 0,04

7,5 0,06

10,0 0,08

12,5 0,10

15,0 0,12

Таблица 2 Варьирование концентраций ионов магния C

C(Mg2+), % C(Mg2+), моль/л С(Са2+), % С(Са2+), моль/л

1,0 0,008 99,0 1,19

2,5 0,02 97,5 1,17

5,0 0,04 95,0 1,14

7,5 0,06 92,5 1,11

10,0 0,08 90,0 1,08

12,5 0,10 87,5 1,05

15,0 0,12 85,0 1,02

Все образцы подверглись исследованию рядом методов, как то: ИК-Фурье спектроскопия, оптическая микроскопия, РФА, БЭТ, биорезорбируе-мость. Растворы надосадочной жидкости были исследованы на наличие ионов Са2+, М§2+, РО43-.

Фазовый состав полученных осадков исследован с помощью РФА (ДРОН-3), идентификация пиков

на дифрактограммах проводилась с помощью картотеки JCPDS и программных пакетов DifWin4.0 и Crystallographica Search-Match. С помощью ИК-спек-троскопии (Фурье-спектрофотометре, IRPrestige-21 "Shimadzu") определяли наличие функциональных групп твердой фазы. Изучение морфологии, определение формы частиц осадков проводилось методом оптической микроскопии c помощью микроскопа «МБР-1», ЛОМО.

Измерение удельной поверхности образцов по методу БЭТ ^БЭТ-№) осуществляли на анализаторе СОРБТОМЕТР «Катакон» (Россия) с применением методики одноточечной адсорбции стандартного газа при определенном равновесном давлении на адсорбционном приборе.

Изучение биоактивности (растворимости) полученных образцов проводилось путем их динамического растворения при постоянном перемешивании в ацетатном буфере (pH = 5,5) при T = 18-20 °С. Через определенные промежутки времени (т = 0-90 мин) с помощью прямой потенциометрии фиксировали значение показателя концентрации ионов кальция в растворе. На основании экспериментальных данных были получены кинетические кривые и проведена обработка по алгоритму, описанному в работе [10].

Содержание основных компонентов в фильтрате определяли с помощью химических методов анализа: ионы кальция и магния при их совместном присутствии - методом комплексонометрического титрования с отделением фосфатов (РД 52.24.4032007); концентрацию фосфатов - фотометрически по молибденовой сини (Лэфф = 690 нм, кюветы с толщиной слоя 2 см, ГОСТ 18309-72).

Статистическую обработку полученных данных проводили методом Стьюдента для доверительной вероятности Р = 0,95, исходя из предположения об их распределении по нормальному закону (программный пакет Statistic Soft 2006).

3. Результаты экспериментов и их обсуждение

Рентгенофазовый анализ синтезированной твердой фазы (рис. 1) показал, что осадки Mg-заме-щенного Р-ТКФ, полученные по двум разным методикам, представлены фазами: Р-ТКФ, витлокита и кальций-магний фосфата (Ca7Mg2P6O24).

Анализ ИК-спектров (рис. 2) показал, что в составе осадка были идентифицированы полосы поглощения с максимумами при 3493, 2366, 1047, 611

и 578 см-1, соответствующие анионам РО43-, ОН- и молекулам Н2О в структуре КФ; пики с V = 568 см-1 и V = 611 см-1 вызваны трижды вырожденными валентными колебаниями О-Р-О. Также был зафиксирован пик с максимумом поглощения при 1047 см-1, вызванный валентными колебаниями связей Р-О в РО43-. Пики в области 2300-3700 см-1 и пики при 2376 см-1 и 3569 см-1 могут быть отнесены к модам валентных колебаний Н-О-Н и ОН- соответственно.

Изучение морфологии твердой фазы показало, что частицы полученных образцов Mg-замещенного Р-ТКФ представляют собой пористые агрегаты (рис. 3).

а

О - (3-ткф

О - С а" Ма Рб О ;4  Саз<Р04)2

10 20 30 40 60 60

20

б

Рис. 1. Дифрактограммы Mg-замещенного в-ТКФ с содержанием магния, %: а - 0; б - 7,5

Wavenumber а

Wavenumber I б

Рис. 2. ИК-спектры М§-замещенного в-ТКФ с содержанием магния, %:

а - 0; б - 7,5

г д

Рис. 3. Микрофотографии

Из микрофотографий видно, что при увеличении добавки ионов магния размер частиц уменьшается. По нашему мнению, присутствие допанта ингибирует процесс роста кристаллитов фосфатов кальция.

Важной характеристикой фосфата кальция является стехиометрия его состава, которую принято выражать Са/Р-соотношением. По результатам синтеза установлено, что при увеличении концентрации ионов магния Са/Р-соотношение в осадке уменьшается (табл. 3).

Таблица 3

Изменение Ca/P, (Са+Mg^P в зависимости от добавки магния

Образец Ca/P (Са+Mg^P

в-ТКФ 1,50 -

метод 1

7,5 % 1,47 1,48

15 % 1,47 1,51

метод 2

7,5 % 1,44 1,46

15 % 1,34 1,37

Мы считаем, что такая зависимость характеризует изоморфное замещение ионов кальция на магний. Такое замещение возможно в соответствии с правилом Гольдшмидта, которое гласит, что изоморфные смеси образуются, если ионные радиусы взаимозамещающихся структурных единиц различаются не более чем на 15 % от меньшего значения при тождестве знака заряда [11]. Так, сравнив радиусы ионов кальция и магния (r(Ca2+) = 0,100 нм и r(Mg2+) = 0,072 нм), можно сделать вывод о возможности непрерывного изоморфизма [11; 12].

Исследование полученных образцов методом БЭТ показало, что чистый ß-ТКФ имеет площадь удельной поверхности 17 м2/г, а Mg-ß-ТКФ с добавкой магния 7,5 и 15 % (методика 1) - 21 и 50 м2/г соответственно. Такие изменения еще раз подтверждают, что ионы магния ингибируют рост кристаллов фосфата кальция, в результате чего получаются более мелкие агрегаты с большей удельной поверхностью.

Одним из требований, предъявляемым к образцам на основе фосфатов кальция, является их биоактивность, которая характеризует скорость растворения синтетических материалов в слабокислой среде, создаваемой определенными группами клеток [10].

Растворение образцов проводилось в ацетатном буфере с рН = 5,5. В результате эксперимента была получена зависимость концентрации ионов кальция от времени растворения (рис. 4).

2,2 2

О 5 10 15 20 25

Время, мин

Рис. 4. Зависимость рСа от времени растворения Mg-замещенного ß-ТКФ в ацетатном буфере 1 - ß-ТКФ; добавка ионов магния: 2 - 7,5 %; 3 - 15 %

Анализ полученных кривых показал, что процесс растворения порошков является двухстадий-ным. По мере взаимодействия ионов среды с веществом, происходит выделение ионов кальция и накопление их в жидкой фазе. Наиболее быстро концентрация ионов кальция в растворе нарастает

на начальном этапе резорбции (т < 5 мин). В дальнейшем для всех образцов интенсивность выделения ионов металла в жидкую фазу постепенно снижается.

На основании полученных экспериментальных зависимостей рСа = ^т) рассчитаны начальные значения скоростей выделения ионов кальция в растворе, как тангенс угла наклона линейного участка прямой.

С течением времени растворение образцов замедляется, и кинетика подчиняется экспоненциальной зависимости: С(^ = С0 + Ст • ехр (Ь^, где С0 -условная начальная концентрация, Ст - концентрация насыщения, Ь - коэффициент, t - время. Значения скоростей выделения ионов кальция в растворе рассчитаны как С 0.

Таблица 4 Значения начальных скоростей растворения Mg-замещенного ß-ТКФ

C (Мд2+)в ß-ТКФ, % Кинетические уравнение Скорость, мин-1

0 C(Ca2+) = 0,0005t + 0,0017 C(Ca2+) = 0,0029e°'°°25t 4,718 • 10-4

7,5 C(Ca2+) = 0,0006t + 0,0014 C(Ca2+) = 0,0019e0'0224t 6,113 • 10-4

15 C(Ca2+) = 0,0007t + 0,004 C(Ca2+) = 0,0046e0'0028t 6,893 • 10-4

Выявлено, что при увеличении добавки ионов магния растворимость увеличивается. Это объясняется различием в величинах произведений растворимости (ПР) фосфатов кальция и магния (ПР (Ca3(PO4)2 = 2,0 • 10-29 и nP(Mg3(PO4)2 = 1,0 • 10-13) [13].

4. Выводы

1. Осуществлен синтез Mg-замещенного ß-ТКФ с различным содержанием магния. Исследованы морфология, структура и состав полученных образцов. Методом РФА и ИК-Фурье спектроскопии установлено, что осадки Mg-замещенного КФ представлены в основном фазой ß-ТКФ.

2. С помощью метода БЭТ выявлено, что с ростом содержания магния в ß-ТКФ площадь удельной поверхности увеличивается.

3. Установлено, что при добавлении магния Са/Р коэффициент снижается, что говорит обизо-морфном замещении ионов кальция на магний.

4. При исследовании биоактивности Mg-заме-щенного ß-ТКФ было выявлено, что при увеличении добавки магния растворимость увеличивается.

На основании полученных данных можно сказать, что при введении в структуру Р-ТКФ ионов магния размер частиц образца уменьшается, это ведет к увеличению биорезорбируемости, что способствует увеличению костной минерализации. Дан-

ный факт дает основание полагать, что ß-ТКФ, модифицированный ионами магния, может стать перспективным биоматериалом, применяющимся для профилактики и лечения костных заболеваний в травматологии и ортопедии.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Chow L. C., TakagiS. A natural bone cement - A laboratory novelty led to the development of revolutionary new biomaterials // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 2001. Vol. 106. P. 1029-1033.

2. Hench L. L., Polak J. M. Third-generation biomedical materials // Science. 2002. Vol. 295. P. 1014-1017.

3. Ginebra M. P, Traykova T., Planell J. Calcium phosphate cements as bone drug delivery systems: a review. J. Control. Release. 2006. Vol. 113, iss. 2. P. 102-110.

4. Ghosh R., Sarkar R. Synthesis and characterization of sintered beta-tricalcium phosphate: A comparative study on the effect of preparation route // Materials Science and Engineering: C. 2016. Vol. 67. P. 345-352.

5. Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М. : Наука, 2005. 204 с.

6. Yunhai Ma, Zhihui Gao, Wenbo Shang, Hubiao Wang, Xueying Fan. Microstructure and Performance of Mg-substituted P-TCP Porous Ceramics // Asia-Pacific Energy Equipment Engineering Research Conference (AP3ER 2015): Advanced in Engineering Research. Vol. 9. Zhuhai, China (13- 14 June 2015). N. Y., 2015. P. 156-165.

7. Tardei C., Grigore F., Pasuk I., Stoleriu S. The study of Mg2+ /Ca2+ substitution of p-tricalcium phosphate // J. Optoelectron. Adv. Mat. 2006. Vol. 8, No. 2. P. 568-571.

8. Cacciotti I., Bianco A. High thermally stable Mg-substituted tricalcium phosphate via precipitation // Ceram. Int. 2011. Vol. 37, iss. 1. P. 127-137.

9. Matsumoto N., Yoshida K., Hashimotow K., Toda Yo. Preparation of Beta-Tricalcium Phosphate Powder Substituted with Na/Mg Ions by Polymerized Complex Method // J. Am. Ceram. Soc. 2010. Vol. 93, iss. 11. P. 3663-3670.

10. Измайлов Р. Р., Голованова О. А. Биорезорбируемость гранулированного композита на основе карбо-натгидроксилапатита и желатина в средах с различными значениями рН // Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 2. С. 61-65.

11. Гольдшмидт В. М. Кристаллохимия. Л. : Химтеорет, 1937. 62 с.

12. Неорганическая химия : в 3 т. / под ред. Ю. Д. Третьякова. М. : Академия, 2004. Т. 2. 368 с.

13. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М. : Химия, 1971. 456 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Бугаева Анастасия Алексеевна - студентка химического факультета, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: bygaeva.na@mail.ru.

Голованова Ольга Александровна - доктор геолого-минеральных наук, профессор, профессор кафедры неорганической химии, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: golovanova2000@mail.ru.

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ

Бугаева А. А., Голованова О. А. Синтез и изучение свойств MG-замещенного Р-ТКФ // Вестн. Ом. ун-та. 2018. Т. 23, № 1. С. 43-48. DOI : 10.25513/1812-3996. 2018.23(1).43-48.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Bugaeva Anastasiya Alekseevna - Student of the Faculty of Chemistry, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: by-gaeva.na@mail.ru.

Golovanova Olga Aleksandrovna - Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, Professor of the Department of Inorganic Chemistry, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: golovanova2000@mail.ru.

FOR CITATIONS

Bugaeva A.A., Golovanova O.A. Synthesis and study of the properties of Mg-substituted ß-TCP. Vestnik Omskogo universiteta = Herald of Omsk University, 2018, vol. 23, no. 1, pp. 43-48. DOI: 10.25513/1812-3996.2018.23(1).43-48. (in Russ.).