Синтез и исследование обычного и карбонатзамещенного гидроксилапатита

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Туманов С.Г Новые пути синтеза и классификации керамических пигментов // Стекло и керамика. - 1967. - № 6. -С. 33-35.

2. Пищ И.В., Масленникова Г.Н. Керамические пигменты. -Минск: Вышэйшая школа, 1987. - 131 с.

3. Pogrebenkov V.M., Sedel’nikova M.B., Vereshchagin V.I. Ceramic pigment based on calcium-magnesium silicates // J. Glass and Ceramics. - 1996. - № 53. - Р. 30-32.

4. Белов Н.В. Очерки по структурной минералогии. - М.: Недра, 1976. - 344 с.

5. Погребенков В.М., Седельникова М.Б., Верещагин В.И. Керамические пигменты на основе талька // Стекло и керамика. -1997. - № 11. - С. 17-20.

6. Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия. - М.: Изд-во КДУ, 2005. - 592 с.

7. Ковба Л.М., Трунов В.К. Рентгенофазовый анализ. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1976. - 185 с.

8. Плюснина И. И. Инфракрасные спектры минералов. - М.: Изд-во МГУ, 1977. - 176 с.

9. Мананков А.В., Горюхин Е.Я., Локтюшин А.А. Волластонито-вые, пироксеновые и другие минералы из промышленных отходов и недефицитного природного сырья. - Томск: Изд-во ТГУ, 2002. - 168 с.

Поступила 28.05.2010г.

УДК 546.05/06+546.417185

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЫЧНОГО И КАРБОНАТЗАМЕЩЕННОГО ГИДРОКСИЛАПАТИТА

Т.С. Петровская, Л.А. Рассказова*, К.С. Куляшова**, Н.М. Коротченко*, Ю.П. Шаркеев**, В.В. Козик*

Томский политехнический университет *Томский государственный университет E-mail: korotch@mail.ru **Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск

Проведен жидкофазный синтез образцов гидроксилапатита, в том числе модифицированных карбонат-ионом. Определены элементный и фазовый состав продуктов синтеза, их растворимость в воде при 20 °С в сравнении с аллогенным (биологическим) гидроксилапатитом. Установлено, что в продукте синтеза с длительным выдерживанием в маточном растворе соотношение Са/Р наиболее близко к требуемому. Карбонатмодифицированные образцы по фазовому составу наиболее близки к аллогенному ги-дроксилапатиту.

Ключевые слова:

Гидроксилапатит, карбонатзамещенный гидроксилапатит, синтез, элементный и фазовый состав, растворимость.

Key words:

Hydroxylapatite, carbonat-replaced hydroxylapatite, synthesis, element and phase structure, solubility.

В последнее время в мире возрос интерес к получению материалов, способных заменить или восстановить костную ткань человека. В их числе материалы на основе различных фосфатов кальция. Наиболее распространенным является гидроксилапатит (ГА) Са10(РО4)6(ОН)2, представляющий собой основной неорганический компонент костной и зубной тканей. Гидроксилапатит проявляет свойства биологической совместимости, активно стимулирует рост новых клеток и тем самым восстанавливает костную ткань [1].

В медицинской практике часто применяют алло-генный (биологический) ГА, который получают из натуральных костей животных. Однако применение такого гидроксилапатита имеет ряд недостатков, основными из которых являются иммуногенность чужеродного материала, а также содержание тяжёлых металлов, которым свойственно накапливание в костях в течение жизни [1]. В связи с этим, существует необходимость замены аллогенного ГА на синтетический, который не только не уступает в своих свойствах аллогенному, но и имеет ряд преимуществ, в том числе в этических и медицинских аспектах.

Наиболее известными методами синтеза ГА являются золь-гель метод, механохимический и ряд химических методов [1-3]. Последние являются наиболее приемлемыми из-за невысокой стоимости процесса и возможности получения чистого ГА. Химические методы получения ГА можно разделить на три типа:

• «сухие» - основываются на применении твердофазных реакций в результате прокаливания при температурах 1000...1300 °С различных смесей соединений, содержащих ионы Са2+ и РО43-в определенных соотношениях. Синтез проводится в атмосфере паров воды, которая служит источником ОН-групп. Этот тип методов получения ГА даёт оптимальное соотношение атомов Са/Р, но требует много времени и энергоемок.

• гидротермальные - включают реакции, проходящие при высокой температуре и давлении. Синтез дает необходимую стехиометрию ГА, но проводится в золотых капсулах, в результате чего такой способ получения является сложным и дорогостоящим.

• «мокрые» (жидкофазные) - основаны на образовании осадка гидроксилапатита в реакциях осаждения при смешивании водных растворов соединений, содержащих ионы Ca2+ и PO43-; рН растворов выдерживается выше 7.

Аллогенный ГА, входящий в состав минеральной компоненты костной ткани, является каль-цийдефицитным, что связано с катионными и анионными замещениями в кристаллической решетке на биоактивные элементы и группы атомов (магний, калий, натрий, сульфат-, хлор-, фтор-ионы и др.) [4]. Карбонат-ион является одним из анионов, входящих в состав естественной костной ткани. Незамещенный гидроксилапатит, применяющийся в качестве биологически активного материала, имеет ряд значительных недостатков, выражающихся в низкой скорости биорезорбции (растворения), относительно слабой остеоиндукции (стимулирования образования новой кости), низкой трещиностойкости и малой усталостной прочности при физиологических нагрузках в организме [5]. Поэтому для улучшения вышеперечисленных свойств в состав гидроксилапатита дополнительно вводят карбонат-ионы.

В связи с этим целью данной работы является получение и исследование свойств гидроксилапа-тита, включая модифицированный карбонат-ионами (карбонатгидроксилапатит, далее по тексту -

КГА), и сравнение их со стехиометрическим и ал-логенным гидроксилапатитами.

В работе получены образцы гидроксилапатита (далее продукты синтеза 1, 2) с различным временем выдерживания осадка в маточном растворе [б], жидкофазный синтез которых основан на протекающей в растворе реакции (1):

10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH= ^„(PO^OH^ÜNH^O^HA а также образцы гидроксилапатита, модифицированного карбонат-ионами, с длительным выдерживанием (~б3 ч) в маточном растворе. Синтез КГА с различным массовым содержанием карбонат-иона (продукты синтеза 3, 4) осуществлен по методике [2], основанной на реакции:

(10-x)Ca(NO3)2+(6-x)(NH4)2HPO4+ +xNaHCO3+(8-x)NH4OH= =Calo-xNax(PO4)б-x(COз)x(OH)2+ +(20-3x)NH4NO3+xNaNO3+(6-x)H2O, где x - мольное содержание СО32-ионов (х=0,75; х=1).

Для приготовления исходных растворов использовались реактивы марки «х.ч.»: кальций азотнокислый четырехводный, аммоний фосфорнокислый двузамещенный, гидрокарбонат натрия десятиводный, а также водный раствор аммиака (плотность р=0,907 г/мл) и дистиллированная вода.

Рис. 1. РЭМ-изображения продуктов синтеза 1, 2, полученных: а) осаждением без старения осадка (продукт синтеза 1); б) осаждением с выдерживанием осадка (63 ч) в маточном растворе (продукт синтеза 2); в) аллогенный гидроксилапатит

Для идентификации полученных образцов проведены исследования их элементного состава (рен-генофлуоресцентный последовательный спектрометр Shimadzu XRF-1800), фазового состава (рен-геновский дифрактометр Shimadzu XRD 6000 с использованием С%а-излучения и стандартных карточек ASTM), а также дисперсности (растровый электронный микроскоп Philips SEM 515) в сравнении с аллогенным ГА.

Для продуктов синтеза 1, 2 изучено влияние времени выдерживания осадка в маточном растворе на стехиометрию полученных образцов. На рис. 1 представлены электронно-микроскопические изображения продуктов синтеза 1, 2 (рис. 1, а, б, соответственно) и аллогенного ГА (рис. 1, в). Видно, что частицы синтезированного и аллогенного ГА имеют кристаллическую огранку. Наблюдаются как крупные частицы размером до 500 мкм, так и мелкие.

На рис. 2 представлены гистограммы распределения частиц продуктов синтеза 1, 2.

Размеры частиц измеряли стандартным методом «секущей» по РЭМ-изображениям. Во всех случаях распределение частиц является одномодальным. Для продукта, полученного в синтезе 1, пик локализован в диапазоне 0...50 мкм. Продукт 2 имеет максимум распределения частиц в интервале 100...200 мкм. В обоих распределениях наблюдаются вытянутые «хвосты» в сторону больших значений до 500 мкм и более. Для сравнения приведена гистограмма аллогенного ГА, иллюстрирующая гранулометрический состав использованного для

получения покрытий материала [7]. Как видно, распределение в этом случае локализовано в узком интервале 0...200 мкм.

Одним из основных требований к синтетическому гидроксилапатиту является достижение необходимой стехиометрии соединения, при которой соотношение п(Са)/п(Р) должно составлять 1,67. По результатам элементного анализа продуктов синтеза 1-4 и аллогенного гидроксилапатита, табл. 1, найдено количественное отношение п(Са)/п(Р) в полученных веществах и в образце аллогенного гидроксилапатита. Значения п(Са)/п(Р) позволяют судить о степени стехиометричности полученных веществ.

Таблица 1. Результаты элементного анализа продуктов синтеза —4 и аллогенного ГА

Продукт синтеза О Р Са С Отноше- ние п

мас. % ат. % мас. % ат. % мас. % ат. % мас. % ат. %

1 47,39 67,05 19,52 14,26 33,09 18,69 - - 1,31

2 44,87 65,08 17,65 13,22 37,48 21,70 - - 1,64

3 37,00 50,30 18,94 13,29 34,25 18,63 9,81 17,78 1,40

4 37,17 47,69 16,02 10,61 32,04 16,44 14,77 25,26 1,55

Алло- генный ГА 44,07 64,27 18,53 13,96 37,4 21,77 - - 1,56

*Элементный анализ не учитывает наличия атомов водорода в структуре гидроксилапатита. Это связано с незначительным вкладом атомной массы водорода в общую массу молекулы, что позволяет пренебречь ею в ходе анализа.

Рис. 2. Гистограммыы распределения частиц продуктов синтеза 1, 2 и аллогенного гидроксилапатита по размерам: а) осаждение без старения осадка (1); б) осаждение с 63-часовым выдерживанием осадка в маточном растворе (2); в) аллогенный ГА

Наиболее близкое к стехиометрическому соотношение п(Са)/п(Р), равное 1,64, имеет продукт синтеза 2; в продукте синтеза 1 оно значительно ниже: 1,31. Продукт синтеза 4 близок по значению п(Са)/п(Р) к аллогенному ГА.

Увеличение содержания карбонат-иона от х=0,75 до х=1,00 приводит к изменению элементного состава продуктов синтеза 3, 4: наблюдается понижение массовой доли кальция и фосфора с одновременным увеличением массовых долей углерода и кислорода (табл. 1).

Методом адсорбции азота с последующей дегазацией при давлении ~0,1 Па при 200 °С в течение одного часа были определены значения удельной поверхности порошков продуктов синтеза 1-4 (табл. 2). Относительная погрешность измерения удельной поверхности составляет Д±=10 %.

Таблица 2. Оценка удельной поверхности продуктов синтеза 1-4

Образец Продукты синтеза

1* 2* 3 4

Масса, г 0,5060 0,3685 0,4292 0,48876

VET), мУг 83,2 69,7 68,5 183

*На стенках реактора образовался белый налет.

Из табл. 2 видно, что величины удельной поверхности для всех синтезированных образцов в значительной степени отличаются от ее значений для биологического ГА (^,д=0,5 м2/г), а продукт синтеза 4 имеет наибольшее значение: ^,¿=183 м2/г. Совместное рассмотрение значений удельной поверхности и гранулометрического состава полученных образцов позволяет прогнозировать получение более плотного материала, чем из аллогенного ГА, что в свою очередь требует применения специальных мер для формирования биоактивных покрытий, необходимой характеристикой которых является пористость.

Определение растворимости образцов 1-4 и ал-логенного ГА в воде (рН 7) и в 0,1 М растворах (Н,№)С1 (рН 2,0...5,0) при 20 °С проводили химическим методом по данным трилонометрического титрования иона кальция. Согласно уравнению: Са10(Р04)6(0Н)2=10Са2++6Р043-+20Н-выражение для значения произведения растворимости ПР принимает вид:

ПРСа10(Ро4)6(он)2=[Са2+]10 -[РОЗ-]6 -[ОН-]2=

=1,87-1015 - [Ca2+]18.

Таким образом, определив концентрацию ионов кальция в насыщенном растворе, можно рассчитать соответствующие значения произведения растворимости ПР, а также показателя произведения растворимости рПР (табл. 3).

На рис. 3 приведена зависимость показателя произведения растворимости от рН среды. Как видно, с увеличением кислотности среды растворимость всех образцов возрастает (кривые а-г), однако растворимость аллогенного ГА (кривая д) менее зависима от pH среды.

Таблица 3. Характеристика растворимости продуктов синтеза 1-4 и аллогенного ГА при температуре 20 °С

Продукты синтеза ПР рПР

1 4,17410-21 20,38

2 9,075 10-41 40,04

3 4,19510-40 39,38

4 3,19510-38 37,49

Аллогенный ГА 2,870 10-36 35,54

По результатам рентгенофазового анализа определен состав кристаллических фаз продуктов синтеза 1-4 в сравнении с аллогенным ГА. В продукте синтеза 2, дополнительно выдержанном в маточном растворе, кристаллическая фаза на 95,27 % состоит из чистого ГА и на 4,73 % - из 3-Са3(Р04)2, а в продукте синтеза 1 на 47,37 % из ГА и 52,63 % из 3-Са3(Р04)2. В продуктах синтеза 3, 4, как и в аллогенном материале преобладает ГА. Во всех продуктах синтеза присутствует, по-видимому, некоторое количество аморфной фазы (табл. 4). В продуктах 3 и 4 определяется структура нестехиометрического состава [Са10(Р04)4(0Н)], которая образуется в результате анионного замещения в гидроксилапатите и, по-видимому, является промежуточной при образовании карбонат-заме-щенного гидроксилапатита.

В табл. 5 приведены параметры элементарных ячеек выделенных фаз, рассчитанные методом наименьших квадратов [8].

Совокупность полученных данных показывает, что продукты синтеза представлены разными типами кристаллических структур, формирование которых зависит не только от состава реагентов, но и времени проведения реакции. Последнее влияет и на гранулометрический состав получаемых продуктов: с увеличением времени выдержки в растворе увеличивается размер частиц. 0чевидно, что па-

Таблица 4. Фазовый состав (мас. °%) порошков продуктов синтеза —4 по результатам рентгенофазового анализа

Фазы продуктов синтеза Са5(РО4)3(ОН) Са3(РО4)2 (2^3) Саю(РО4)6(ОН)2 Саю(РО4)4(ОН)*

1 40,85 52,63 6,52 -

2 95,27 4,73 - -

3 87,81 - - 12,19

4 83,00 - - 17,00

Аллогенный ГА 86,98 - 13,02 -

*Фаза нестехиометрического состава.

Таблица 5. Параметры элементарной решетки кристаллических фаз продуктов синтеза 2-4 по результатам рентгеноструктурного анализа

Фаза Продукты синтеза

г 3 4 Аллогенный гидроксилапатит

Са^О^ЮН) a=b=94,218 нм с=68,813 нм

Саз(PО4)2 Uß) a=b=1Q4,35г нм с=374^9 нм (тетрагон.) a=b=104,401 нм с=373,158 нм (тетрагон.) - -

Саю^^ОНЬ - a=94,9G5 нм b=187,48G нм с=69^83 нм

раметры элементарных ячеек продуктов синтеза 3, 4 в большей степени совпадают с параметрами ал-логенного ГА. Анализ результатов, приведенных в табл. 4 и 5, позволяет сделать вывод о том, что по фазовому составу продукты синтеза 3 и 4 более близки к биологическому ГА. В области значений pH 7 наибольшую растворимость демонстрирует продукт синтеза 1, что обусловлено, его фазовым составом. Другие продукты, в составе которых преобладает гидроксилапатит, в том числе карбонат-модифицированный, близки по растворимости к аллогенному ГА.

рПР

pH

Рис. 3. Зависимость показателя произведения растворимости рПР от pH среды для продуктов синтеза: а) 1; б) 2; в) 3; г) 4 и д) аллогенного ГА

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Чайкина М.В. Механохимия природных и синтетических апатитов. - Новосибирск: Изд-во С0 РАН филиал «Гео», 2002. -223 с.

3. Чайкина М.В. Механохимический метод переработки некондиционных фосфатных руд // Труды ГИГХС. Специальные методы обогащения руд горнохимического сырья. - М.: Изд-во ГИГХС, 1985. - Вып. 68. - С. 121-136.

4. Данильченко С.Н. Структура и свойства фосфатов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения // Вю-ник СумДУ. Серiя Фiзика. Математика. Механка. - 2007. -№ 2. - С. 33-59.

5. Ковалева Е.С., Шабанов М.Б. Биорезорбируемые порошковые материалы на основе Саю-^а^РОД-^СО^^ОИ^ // Актуаль-

Введение в гидроксилапатит карбонат-ионов позволяет увеличить его растворимость при обычных условиях, причём с увеличением содержания С032-иона (х от 0,75 до 1) растворимость вещества увеличивается, что может быть связано с возникновением микронапряжений и микродеформаций в кристаллической решетке гидроксилапатита при вхождении в нее карбонат-иона.

Выводы

1. Проведен синтез образцов гидроксилапатита с различным временем выдерживания осадка в маточном растворе и образцов карбонатзаме-щенного гидроксилапатита с исходным содержанием карбонат-иона в стехиометрической формуле 0,75 и 1,0.

2. 0пределены элементный и фазовый состав продуктов синтеза, их дисперсность, пористость и зависимость их растворимости от рН растворов при 20 °С. С увеличением кислотности среды растворимость полученных образцов увеличивается. Введение карбонат-иона позволяет увеличить растворимость образцов и приблизить ее к растворимости природного гидроксилапатита.

3. Карбонатмодифицированные образцы по фазовому составу наиболее близки к природному ги-дроксилапатиту и включают как кристаллическую, так и аморфную фазы, что подтверждено результатами рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа.

ные проблемы современной неорганической химии и материаловедения: Матер. VII конф. молодых ученых. - 23-25 нояб. 2007. - Звенигород, 2007. - С. 19-20.

6. Рассказова Л.А., Куляшова К.С., Коротченко Н.М. Синтез и методы исследования гидроксилапатита, имеющего важное значение для медицины. // Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии: Матер. IV Всерос. конф. молодых ученых. - 19-21 окт. 2009. - Томск, 2009. - С. 256-259.

7. Петровская ТС. Силикофосфатные стекла как компонент биоактивных материалов // Стекло и керамика. - 2002. - № 12. -С. 34-37.

8. Савицкая Л.К. Методы рентгеноструктурных исследований. -Томск: Томский гос. ун-т, 2003. - 258 с.

Поступила 17.09.2010 г.