Синтез наночастиц Ag-замещенного гидроксиапатитадля применения в покрытиях стоматологических имплантатов

УДК 615.281, 620.3

Е. В. Мищенко, Е. Ю. Каракатенко, М. Ю. Королева, Е. С. Бабусенко, Е. В. Юртов

СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ Ag-ЗАМЕЩЕННОГО ГИДРОКСИАПАТИТА

ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПОКРЫТИЯХ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ ИМПЛАНТАТОВ

Аннотация

Изучено влияния концентрации цитрата натрия на размер, морфологию и антибактериальные свойства при получении наночастиц Ag-гидроксиапатита, которые могут быть использованы в качестве антибактериального компонента покрытий стоматологических имплантатов.

Ключевые слова:

гидроксиапатит, серебро, наночастицы, стоматологические имплантаты.

E. V. Mischenko, E. Yu. Karakatenko, M. Yu. Korolyova, E. S. Babusenko, E. V. Yurtov

SYNTHESIS OF Ag-SUBSTITUTED HYDROXYAPATITE NANOPARTICLES FOR APPLICATION IN COATINGS OF STOMATOLOGICAL IMPLANTS

Abstract

The influence of the sodium citrate concentration on the size, morphology and antibacterial properties of the preparation of Ag-hydroxyapatite nanoparticles has been studied. These nanoparticles can be used as an antibacterial component of dental implant coatings.

Keywords:

hydroxyapatite, silver, nanoparticles, dental implants.

Традиционно используемые в медицине металлические и полимерные костные имплантаты вызывают до 10 % осложнений в стоматологии, а риск развития воспаления окружающих тканей в ортопедии превышает 20 %. Для снижения нежелательных последствий на практике наиболее часто применяются биокерамические покрытия на основе гидроксиапатита (ГАП). ГАП (Ca10(OH)2(PO4)6) сходен по химическому составу с костным матриксом и, благодаря этому, способен улучшать взаимодействие поверхности имплантатов с костной тканью, а также стимулировать остеогенез, особенно в послеоперационный период. Соединения серебра в малых дозах используются в качестве биосовместимого и нетоксичного антибактериального компонента [1]. Литературные данные свидетельствуют о сохранении, бактериостатических свойств Ag-ГАП после 2-х лет хранения при комнатной температуре, что делает актуальным производство наночастиц Ag-замещенного гидроксиапатита для применения в покрытиях стоматологических имплантатов [2]. На сегодняшний день существует большое количество способов получения наночастиц ГАП. Одним из наиболее эффективных является метод контролируемого осаждения в водной фазе благодаря его экономичности, простоте аппаратурного оформления и возможности получения наночастиц с заранее заданными свойствами. Для предотвращения агрегации наночастиц и контролирования их размеров и морфологии применяются различные модификаторы (ПАВ, стабилизаторы, полимеры и т.д.) [3,4]. Цитрат натрия является одним из основных регуляторов роста кристаллов ГАП в костной ткани человека. Поэтому в настоящей работе цитрат натрия был использован в качестве стабилизатора в ходе синтеза наночастиц Ag-ГАП.

Целью настоящей работы являлось изучение влияния концентрации цитрата натрия на размер, морфологию и антибактериальные свойства получаемых наночастиц Ag-ГАП. В качестве прекурсоров были использованы Ag(NO3), Ca(NO3)2 и NaH2PÜ4. Молярное соотношение Ag/(Ag+Ca) в растворе варьировалось в диапазоне 0,05-0,15. Реакционную смесь перемешивали на магнитной мешалке со скоростью 500 об/мин в течение 10 минут. Затем добавляли водный раствор цитрата натрия с концентрацией от 0,05 до 0,3 М. Значение рН поддерживали на уровне 10 добавлением водного раствора NH4OH. Температуру смеси поддерживали равной 40 °С.

Микрофотографии образцов были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6700. Измерение Z-потенциала производили на приборе Zetasizer Nano (Malvern). ИК-спектры регистрировали на инфракрасном Фурье-спектрометре «Nicolet 380», снабженном приставкой однократного нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) «Smart Perfomer». Элементный состав продукта был определен с помощью приставки к растровому электронному микроскопу SDX-MAX. Антибактериальные свойства изучали в отношении грамположительных бактерий B. Subtilis и грамотрицательных E. Coli: 1 г порошка смешивали с 1 мл питательной среды, содержащей 109 бактерий. Оценка результатов производилась через 24 ч после инкубации исследуемых фрагментов в чашках Петри при 37°С. Результаты оценивали по количеству колоний микроорганизмов.

При высокой концентрации стабилизатора (0,25-0,30 М) водные дисперсии Ag-ГАП были устойчивы к седиментации в течение длительного времени. На рисунке 1 (А) в качестве примера представлена микрофотография наночастиц Ag-ГАП, полученных методом контролируемого осаждения в присутствии 0,10 М цитрата натрия. Данные рентгеноспектрального микроанализа образца, полученного в присутствии 0,10 М цитрата натрия, представлены на рисунке 1 (Б). Было установлено, что концентрация цитрата натрия влияет на степень замещения ионов кальция ионами серебра. С повышением концентрации стабилизатора степень замещения ионами серебра снижается, что может быть связано с образованием наночастиц серебра и их стабилизацией в растворе.

Рис. 1 Микрофотография наночастиц Ag-ГАП (А) и энергодисперсионный спектр (Б) образца, полученного в присутствии 0,10 М цитрата натрия

На рисунке 2 представлены результаты роста колоний В. БиЪИ^ на чашках Петри, содержащих исследуемые порошки по сравнению с контрольным образцом не замещенного ГАП через 24 часа с 109 клеток В. БиЬИ^.

Ag-HAP 0,2 М нитрита impiDi

Рис. 2 Оценка результатов через 24 ч после инкубации исследуемых фрагментов в чашках Петри при 37°С: 1- контрольный образец; 2- концентрация цитрата натрия - 0,05 М (сверху) и 0,2 М (снизу), с 109 (I) и 108 (II) клеток B. Subtilis

При высевании 108 бактерий происходит полное ингибирование клеток B. Subtilis (Б). При высевании 1011 грамотрицательных E. Coli, образуются 102 степени колоний. Полное ингибирование E. Coli происходит при посеве 108 клеток бактерий (Таблица 1). При посеве 109 бактерий, образуются лишь 20 колоний. Было установлено, что количество добавленного цитрата практически не влияет на антибактериальные свойства порошков Ag-HAP.

Таблица 1. Результаты испытания антибактериальных свойств наночастиц Ag-HAP, синтезированных при различных концентрациях цитрата натрия, в отношении грамположительных бактерий B. Subtilis и грамотрицательных бактерий E. Coli_

Исследуемый образец Культуры микроорганизмов

E. coli B. subtilis

Количество колоний, шт.

Контрольный образец 10 109

Питательный бульонМ^-ГАП (конц. цитрата натрия 0,05М; 24ч) 120 14

Питательный бульонМ^-ГАП (конц. цитрата натрия 0Д5М; 24ч) 124 13

Можно заключить, что цитрат натрия оказывает существенное влияние на размер, морфологию и степень замещения ионов кальция ионами серебра. Синтезированные наночастицы Ag-HAP могут быть использованы в качестве антибактериального компонента покрытий стоматологических имплантатов.

Исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования РХТУ имени Д. И. Менделеева.

Литература

1. Franci G, Falanga A, Galdiero S, Palomba L, Rai M, Morelli G, Galdiero M. Silver nanoparticles as potential antibacterial agents // Molecules. - 2015. - Т. 20. - №. 5. - С. 8856-8874.

2. N. Rameshbabu, T.S. Sampath Kumar, T.G. Prabhakar, V.S. Sastry, K.V.G.K. Murty, K. Prasad Rao Antibacterial nanosized silver substituted hydroxyapatite: synthesis and characterization //Journal of Biomedical Materials Research Part A. - 2007. - Т. 80. - №. 3. - С. 581-591.

3. Королева М.Ю., Гуляева Е.В., Юртов Е.В. Синтез в водной среде наночастиц CdS, ZnS и Ag2S, стабилизированных бис(2-этилгексил)сульфосукцинатом натрия и моноолеатом полиоксиэтиленсорбитана// Журнал неорганической химии. 2013. т. 58. № 9. с. 1159

4. Королева М.Ю., Фадеева ЕЮ., Шкинев В.М., Катасонова ОН., Юртов Е.В. Синтез наночастиц гидроксиапатита методом контролируемого осаждения в водной фазе // Журнал неорганической химии. - 2016. - Т. 61. - № 6. - С. 710-716

Сведения об авторах: Мищенко Елена Викторовна,

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева. Россия, 125047 г. Москва, Миусская пл., д.9. Эл. почта: lena-mischenko@list.ru

Каракатенко Елена Юрьевна,

Аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева. Россия, 125047 г. Москва, Миусская пл., д.9.

Королёва Марина Юрьевна,

д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева. Россия, 125047 г. Москва, Миусская пл., д.9. m.yu.kor@gmail.com

Бабусенко Елена Сергеевна,

к.б.н., доцент кафедры биотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева. Россия, 125047 г. Москва, Миусская пл., д.9.

Юртов Евгений Васильевич,

член-корр. РАН, д.х.н., профессор заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева Россия, 125047 г. Москва, Миусская пл., д.9. Эл. почта: rector@muctr.ru