Растворимость гидроксилапатита и карбонатгидроксилапатита, полученных из модельного раствора синовиальной жидкости человека

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2Q12. № 4. С. 1Q9-113.

УДК 546.Q4, 544.422

P.P. Измайлов, О.А. Голованова

РАСТВОРИМОСТЬ ГИДРОКСИЛАПАТИТА И КАРБОНАТГИДРОКСИЛАПАТИТА,

ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ МОДЕЛЬНОГО РАСТВОРА СИНОВИАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ЧЕЛОВЕКА*

В работе изучена растворимость фосфатов кальция, полученных из модельного раствора синовиальной жидкости человека. Определены кинетические характеристики растворения. Установлено, что карбонатгидроксилапатит характеризуется большей растворимостью по сравнению с гидроксилапатитом.

Ключевые слова: фосфаты кальция, биоминералы, растворимость, энергия активации, синовиальная жидкость.

Введение

Как показывает анализ данных литературы, в настоящее время большое внимание уделяется изучению и улучшению биоактивных свойств материалов, полученных на основе фосфатов кальция.

Интерес к данным соединениям обусловлен тем, что костная ткань человека представляет собой биокомпозит на основе гидроксилапатита (ГА) с примесью аморфных фосфатов кальция, брушита, октакальция фосфата [1; 2] и высокомолекулярного белка коллагена. Поэтому материалы на основе фосфатов кальция находят широкое применение в медицине для замещения костных дефектов [3].

Наряду с этим использование данных соединений сопряжено с некоторыми проблемами, ограничивающими их применение. Наиболее значимая из них - низкая скорость растворения (то есть биорезорбции) материалов на основе фосфатов кальция.

Один из возможных путей решения данной проблемы - химическое преобразование фосфатов кальция, так как известно, что изоморфные примеси, вводимые в состав фосфатов кальция, могут повышать как его биоактивные свойства, так и растворимость.

В данной работе был проведен синтез фосфатов кальция из модельного раствора синовиальной жидкости человека при вариации её состава, затем для каждого из синтезированных образцов были изучены закономерности их растворения.

Экспериментальная часть

Синтез ГА проводили из раствора, который соответствовал по ионноэлектролитному составу, pH и ионной силе суставной синовиальной жидкости человека [3; 4]. Для получения карбонатгидроксилапатита (КГА) в исходный модельный раствор добавляли избыток карбонат-ионов (32 ммоль/л).

После вызревания осадка под маточным раствором в течение 30 суток 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 затем изучали фазовый состав методами РФА («Дрон-3М»), ИК-Фурье-спектроскопии («ФТ-801», таблетки КБг) [5].

* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 11-05-90425-Укр_ф_а) и в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (ГК № 16.740.11.0602).

© Р.Р. Измайлов, О.А. Голованова, 2012

Растворение полученных образцов осуществляли в трис-буфере при физиологическом значении рН синовиальной жидкости человека, равном 7,4 при непрерывном перемешивании. При этом проводили несколько опытов при разных начальных массах образцов фосфата кальция (0,100 г и 0,200 г) и двух температурах (40 °С и 80 °С).

В ходе эксперимента измеряли значения рСа с помощью прямой потенциомет-рии в различные промежутки времени. На основе полученных экспериментальных данных строились графические зависимости в координатах рСа = /(т) , по которым судили о растворимости синтезированных образцов. Далее полученные кривые растворимости были математически обработаны по следующему алгоритму [6]:

1. Рассчитывали степень растворения синтезированного фосфата кальция по формуле

о = 1 -а,

где а - отношение концентрации ионов кальция в начальный момент времени (С1) и в момент времени т (С2).

2. Затем по полученным данным о растворимости фосфата кальция при одинаковой степени растворения вещества рассчитывали энергию активации (Еа) по формуле

2,3К 1*

Е. =-

_1 -1. Т Т

‘1 2

Данное соотношение может быть получено путем логарифмирования выражения

Еа_ (± _ ±) к (т2 т. I

т2 = т1е 4 2 11.

Необходимо отметить, что т1 и т2 - время, необходимое для достижения одинаковой степени растворения вещества о в первом и втором опытах (Т1 = 80 °С и Т2 = 40 °С).

3. Для определения порядка реакции растворения по экспериментальным данным

строили зависимость т2 от т1 (т1 и т2 отвечают равным значениям о1 и о2), которая позволяет графически продифференцировать и получить числитель формулы (4). Из уравнений для скорости растворения при равных значениях о следует соотношение:

а = -

1* I т

^ ат1

С~

1*С2 С

Результаты и обсуждение

В результате синтеза из модельного раствора синовиальной жидкости был получен ГА, что подтверждается данными РФА (рис. 1).

На ИК-спектрах синтезированных твердых фаз (рис. 2) также присутствуют колебания, характерные для ГА. Диапазон частот 3440-3400 см-1 соответствует валентным колебаниям уН2О; интервал 16801610 см-1 принадлежит деформационным колебаниям Н-О-Н в Н2О; 1090-1030 см-1 -асимметричным валентным колебаниям и3 Р-О в РО43-; 968-958 см-1 - полносимметричное валентное колебание и1 и и3 Р-О в РО43-; 893-894 см-1 - колебания НРО42-; 634632 см-1 - либрационные полосы поглощения ОН-; 605-564 см-1 - деформационное колебание и4 О-Р-О в РО43-.

При добавлении к модельному раствору карбонат-ионов в ИК-спектрах (рис. 2б) полученных образцов появляются колебания: 1480-1410 см-1 - соответствуют асимметричным валентным колебаниям С-О в СО32- В-типа (у3СО32-); 875-879 см-1 - деформационное колебание О-С-О в СО32- А- и В-типа (у2 СО32-). При этом необходимо заметить, что интенсивность колебаний, характерных для гидроксильных групп, становится меньше, что свидетельствует о вхождении карбонат-ионов в структуру ГА в позиции ОН-групп, то есть происходит замещение А-типа [7].

2в

Рис. 1. Дифрактограмма синтезированного фосфата кальция

*— Волновое число 2500

*— Волновое число 2500

б

Рис. 2. ИК- спектр образцов, синтезированных без добавления (а) и с добавлением (б) карбонат-ионов

Таким образом, при варьировании концентрации карбонат-ионов был получен карбонатгидроксилапатит.

Известно, что одним из важных свойств синтетических фосфатов кальция является их долговременная устойчивость к резобции

[8]. В данной работе была изучена растворимость синтезированных ГА и КГА в трис-буфере при физиологическом значении рН синовиальной жидкости человека.

По данным изменения концентрации ионов кальция во времени, получены графические зависимости (рис. 3), позволяющие оценить степень растворения синтетических фосфатов кальция. При использовании рис. 4 и формулы 4 были определены порядки растворения ГА и КГА (табл.).

Кинетические параметры растворения ГА И КГА

Фаза ГА КГА

Порядок реакции растворения,п 1 2

Энергия активации, кДж/моль 13,12 9,92

Время, а

б

Рис. 3. Кинетические кривые растворения ГА (а) и КГА (б) при разных массах исходных образцов

а

б

Рис. 4. Временная зависимость растворения ГА

л

О

а

Время, мин

Время, с б

Рис. 5. Растворимость ГА (а) и КГА (б) при разных температурах

Время, мин Рис. 6. Сравнение растворимости ГА и КГА

Далее растворимость ГА и КГА изучали при разных температурах для расчета энергии активации данного процесса. Полученные кинетические кривые приведены на рисунке 5; используя их и формулу (3), определили значения энергий активации.

Из данных таблицы видно, что процесс растворения КГА характеризуется меньшим значением энергии активации по сравнению с ГА.

При сравнении растворимости ГА и КГА (рис. 6) установлено, что карбонатгидрокси-лапатит является более растворимым, чем гидроксилапатит. По нашему мнению, это может быть связано с разным механизмом растворения, на что указывает изменение порядка реакции с п = 1 на п = 2 в случае КГА. Ряд авторов указывает, что это может быть связано с преобладанием внутренне-

диффузионных процессов над внешнедиффузионными [7; 9-11].

Таким образом, в ходе работы установлено, что КГА характеризуется большей растворимостью в трис-буфере при физиологическом значении рН синовиальной жидкости человека, чем ГА, поэтому КГА является более перспективным материалом для ортопедии и трансплантологии.

Авторы выражают благодарность доценту кафедры аналитической химии ОмГУ им. Ф.М Достоевского Т. А. Калининой за ценные высказывания по данной статье.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Кораго Л. А. Введение в биоминералогию.

СПб. : Недра, 1992. 280 с.

а

а

[2] Корж А. А, Белоус А. М., Панов Е. Я. Репара-тивная регенерация кости. М., 1972. 215 с.

[3] Луне С. Н. Биохимические изменения в тканях суставов при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и способы биологической коррекции : дис. ... д-ра биол. наук. Курган, 2003. 297 с.

[4] Кирсанов А. И. Концентрация химических элементов в разных биологических средах человека // Клиническая лабораторная диагностика. 2001. № 3. С. 16-20.

[5] Голованова О. А. Патогенные минералы в организме человека : монография. Омск, 2007, 395 с.

[6] Аксельруд Г. А., Молчанов А. Д. Растворение твердых веществ. М. : Химия, 1977. 262 с.

[7] Frank-Kamenetskaya O., Kol’tsov A. Ion substitutions and non-stoichiometry of carbonated apa-tite-(CaOH)synthesised by precipitation and hydrothermal methods // J. of Molecular Structure. 2011. Vol. 9. P. 9-18.

[8] Фомин А. С., Комлев B. C., Баринов С. М., Фадеева И. В., Ренгини К. Синтез нанопорошков гидроксиапатита для медицинских применений // Перспективные материалы. 2006. № 2. С. 51-54.

[9] Краснов К. С. Физическая химия : в 2 кн. М. : Высшая школа, 2001. Т. 1. 512 с.

[10] Кубасов А. А. Химическая кинетика и катализ. М. : Изд-во МГУ, 2004. Ч. 1. 46 с.

[11] Панченков Г. М., Лебедев В. П. Химическая кинетика и катализ. М. : Химия, 1985. 276 с.