Биорезорбируемость гранулированного композита на основе карбонатгидроксилапатита и желатина в средах с различными значениями pH

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 2. С. 61-65.

УДК 544.7; 544.421

Р.Р. Измайлов, О.А. Голованова

БИОРЕЗОРБИРУЕМОСТЬ ГРАНУЛИРОВАННОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ

КАРБОНАТГИДРОКСИЛАПАТИТА И ЖЕЛАТИНА В СРЕДАХ С РАЗЛИЧНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ PH*

Изучено растворение гранул карбонатгидроксилапатита - желатин в растворе соляной кислоты, ацетатном буфере и в трис-буфере при варьировании концентрации органического матрикса (желатина) в исходном композите. Получены кинетические закономерности растворения. Установлен разный характер кинетических кривых в средах различной кислотности. Выявлено влияние органического матрикса на скорость растворения образцов.

Ключевые слова: карбонатгидроксилапатит, желатин, гранулы, растворение, рН, кинетика. * 1

Введение

Материалы на основе ортофосфатов кальция в последние годы все чаще находят применение в медицине для регенерации поврежденных костных тканей посредством постепенного замещения материала новообразующейся костной тканью. Применяемые в настоящее время для этой цели композиционные синтетические материалы содержат элементы как органических, так и неорганических составляющих костной ткани. К ним относится чистый гидроксилапатит (ГА) или композиция, включающая в себя ГА и трикальцийфосфат, а также материалы, содержащие вышеперечисленные компоненты и органическое связующее, к примеру, желатин, коллаген [1-8].

Однако используемый в качестве имплантов материал на основе ГА имеет низкую скорость биологической резорбции, что является его существенным недостатком. Процесс резорбции может быть усилен посредством анионных замещений фосфат- и гидроксид-анионов в структуре апатита на карбонат-группы [9]. Карбонатзамещенные гидроксилапатиты (КГА) имеют сходство по составу и структуре с минеральными компонентами естественной костной ткани. Одной из наиболее часто используемых форм фосфатно-кальциевой керамики на основе КГА являются гранулы, в которых в качестве матриксов-носителей применяются коллаген, желатин, хитозан. Цель данного исследования - синтез гранул КГА - желатин при варьировании концентрации органического матрикса и оценка динамики растворимости образцов в средах с различным значениям pH.

Экспериментальная часть

Синтез КГА проводили из модельного раствора синовиальной жидкости человека, воспроизводя условия эксперимента, указанные в работе

[10]. Для изготовления гранул КГА полученный порошок КГА массой 0,2-

1 г смешивали с 1,5-7,5 мл 5, 10, 15 масс. % водного раствора желатина и перемешивали до однородной массы. Приготовленную смесь прикапывали через капилляр диаметром 1-2 мм в растительное масло, охлажденное до -1-0 °С с помощью эвтектической смеси мелкодисперсного льда, смешанного с CaCl2. Полученные гранулы промывали поочередно этиловым спиртом и ацетоном и сушили при температуре 25-27 °С на воздухе в течение 6-7 ч.

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-03-31506 мол_а.

© Р.Р. Измайлов, О.А. Голованова, 2015

62

Р.Р. Измайлов, О.А. Голованова

Для исследования устойчивости образцов их растворение проводили в кислых и слабощелочных растворах при постоянном перемешивании, определяя значение рН системы и концентрации ионов кальция при комнатной температуре. Изучение растворимости образцов гранулированного карбонатгидроксилапатита проводили в 0,01 М растворе соляной кислоты, ацетатном буфере с pH = 4,5 и в трис-буфере, значения pH для которого составляет 7,40 ± 0,05 [11].

Навеску гранул КГА - желатин массой 0,2000 г помещали в химический стакан объемом 150-200 мл и изучали процесс растворения гранулированного карбонатгидроксилапатита при постоянном перемешивании раствора. Через определенные промежутки времени отмечали величину кислотности среды, значение показателя концентрации ионов кальция с помощью прямой потенциометрии.

Для изучения морфологии образцов использовали сканирующую электронную микроскопию (JSM-6610LV фирмы JEOL).

Результаты и их обсуждение

При растворении образцов гранулированного КГА - желатин в соляной кислоте

установлено, что происходит изменение рН системы (рис. 1).

Для определения скорости растворения образцов каждая из кинетических кривых была проанализирована с использованием регрессионного анализа (рис. 1). Получено, что зависимость рН в растворе HCl от времени на начальном участке можно аппроксимировать линейной функцией.

Известно, что истинная скорость процесса может быть определена как тангенс угла наклона прямой:

V =±— = ±tga.

ист 7,о \ /

dt

Результаты количественных оценок кинетических параметров процесса представлены в табл. 1. Выяснено, что максимальная скорость растворения наблюдается у образца с содержанием желатина 10 %, статистически значимых различий между скоростями растворения гранул с концентрацией 5 и 15 % не выявлено.

При растворении образцов гранулированного КГА - желатин в трис-буфере зафиксировано значительное изменение рСа системы в первые 24 часа.

х

Q.

2.6 2.5 -2.4 -2.3 -2.2 2.1 2.0 1.9 1.8

0

1000

2000

3000

• 10%

о 15%

5%

4000

Время,с

Рис. 1. Зависимости pH от времени растворения в растворе 0,01 М HCl гранул КГА - желатин при варьировании массовой доли желатина

Таблица 1

Параметры растворения гранул на линейном участке в зависимости от концентрации желатина

в 0,01 М растворе соляной кислоты

Сжел, % R2 Уравнение Уист, С

5 0,9777 pH = 1,9954 ± 0,0010 + (4,7  10-5 ± 9,02  10-7)t 4,7  10-5 ± 9,02  10-7

10 0,9968 pH = 1,9293 ± 0,0013 + (10-4 ± 1,15  10-6)t 1  10-4 ± 1,15  10-6

15 0,9764 pH = 1,8921 ± 0,0010 + (3,14  10-5 ± 8,81  10-7)t 3,14  10-5 ± 8,81  10-7

Биорезорбируемость гранулированного композита...

63

4.8 •

4.3 -4.2 -4.1 -4.0

0

2000

4000

6000

8000

4.7 1 • 5%

1 о 10%

4.6 - 1 Y 15%

4.5 - о* ; • • • •

ГО О 4.4 - Cl о о  о о о О

10000

Время, мин

Рис. 2. Зависимости концентрации ионов Ca2+ от времени растворения в трис-буфере (pH = 7,4) гранул КГА -желатин при варьировании массовой доли желатина

Дальнейшее изучение растворимости образцов в течение последующих суток показало, что значение рСа практически не изменялось. Анализ кинетических кривых выявил, что растворение гранул - многостадийный процесс, на начальной стадии (до 10001200 мин) зависимость концентрации ионов кальция в растворе от времени C(t) = -lgCca2+ можно аппроксимировать линейной функцией (рис. 2). C течением времени растворение замедляется, и кинетика подчиняется экспоненциальной зависимости:

C

где С0 - условная начальная концентрация, Ст - концентрация насыщения, b - коэффициент, t - время.

Экспоненциальная зависимость соответствует кинетике реакции первого порядка, когда скорость изменения количества ионов кальция пропорциональна количеству «активных участков» в растворяемом материале в данный момент [12].

Представляет интерес количественная оценка скорости изменения концентрации ионов кальция в растворе в зависимости от концентрации желатина в гранулах. На «экспоненциальной» стадии растворения скорость изменения концентрации со временем уменьшается, поэтому в качестве количественной меры можно рассматривать начальную скорость растворения.

Из данных табл. 2 видно, что происходит закономерное уменьшение начальной скорости растворения образцов при увеличении содержания желатина в гранулах. Вероятно, это обусловлено затруднением диффузии растворителя в область внутреннего пористого пространства гранул, что хорошо согласуется с данными сканирующей электронной микроскопии (рис. 3).

Анализ микрофотографий образцов показал, что при увеличении концентрации желатина в исходной суспензии образцов наблюдается уменьшение доли открытых пор за счет образования тонкой желатиновой пленки на поверхности минеральной составляющей гранул.

При исследовании устойчивости образцов гранулированного КГА - желатин в ацетатном буфере аналогично растворению в трис-буфере наблюдается увеличение концентрации ионов кальция (рис. 4).

Кинетические закономерности растворения можно объяснить исходя из полиам-фолитных свойств желатина: минимум

набухания желатина проявляется при значении рН, приблизительно равном 4,7, а максимум набухания - при значении рН, приблизительно равном 3,2. В кислой среде, при pH < 4,8, подавлена диссоциация групп -COOH, а группы -NH2 протонируются в -NH3+. Молекулы желатина приобретают положительный заряд. В щелочной среде происходит диссоциация групп -COOH с образованием -COO-. Молекулы желатина приобретают суммарный отрицательный заряд. Изменение заряда макромолекул приводит к изменению их конформаций и тем самым -к изменению вязкости растворов. Это объясняется тем, что группы -COOH имеют большую склонность к диссоциации, чем группы -NH2 к протонированию, т. е. белки - более сильные кислоты, чем основания. А это означает, что для достижения изоэлектрической точки в растворе желатина требуется избыток кислоты (pH < 7) для подавления ионизации карбоксильных групп. Поэтому ацетатный буфер является наиболее благоприятной средой для быстрого растворения КГА.

64

Р.Р. Измайлов, О.А. Голованова

Таблица 2

Параметры растворения гранул в зависимости от концентрации желатина в растворе трис-буфера

Сжел, % R2 Уравнение

5 0,8976 pCa = 4,4982 + 0,1903e-°,°8a

10 0,9719 pCa = 4,3563 + 0,2917e~°,°°25i

15 0,9937 pCa = 4,3061 + 0,3800e41’0017'

а

б

в

Рис. 3. Морфология поверхности композита КГА - желатин: а — Шжелатина = 5 МаСС. %, б — Шжелатина = 10 МаСС. %, в — Шжелатина = 15 МаСС. %

Время, мин

Рис. 4. Зависимости рСа от времени растворения в ацетатном буфере (pH = 4,5) образцов гранулированного КГА при варьировании маооовой доли желатина

Биорезорбируемость гранулированного композита...

65

Заключение

Изучены кинетические закономерности растворения образцов гранулированного КГА в 0,01 М растворе соляной кислоты; в ацетатном буфере с pH = 4,5 и в трис-буфере, значение pH для которого составляет 7,40 ± 0,05. Установлен разный характер кинетических кривых в средах различной кислотности. Выяснено влияние органического матрикса на скорость растворения образцов.

Результаты данной работы могут быть использованы для изучения биосовместимости и кинетики растворения керамических материалов в медицине, а именно: в травматологии, реконструктивно-восстановительной хирургии, стоматологии, и при разработке систем доставки лекарственных препаратов.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Путляев В. И. Современные биокерамические материалы // Соросовский образовательный журнал. 2004. Т. 8. № 1. С. 44-50.

[2] Фомин А. С., Баринов С. М., Иевлев В. М., Фадеева И. В., Комлев В. С., Белоногов Е. К., Ту-раева Т. Л. Наноразмерный гидроксиапатит, синтезированный осаждением в растворе желатина // Докл. АН. 2006. Т. 411. № 3. С. 348351.

[3] 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.

[4] Баринов C. M., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М. : Наука, 2005. 204 с.

[5] Сафронова Т. В., Шехирев М. А., Путляев В. И., Третьяков Ю. Д. Керамические материалы на основе гидроксиапатита, полученные из растворов различной концентрации // Неорганические материалы. 2007. Т. 43. № 8. С. 1005-1014.

[6] Orlovskii V. P., Barinov S. M. Н and hydroxyapatite ydroxyapatite-matrix ceramics: a survey // Rus. J. Inor. Chem. 2001. Vol. 46. № 2. P. 129149.

[7] Liu С., Huang Y., Shen W., Cui О. Kinetics of hydroxyapatite precipitation at pH 10 to 11 // Biomaterials. 2001. Vol. 22. P. 301-306.

[8] Rodrrigues-Lorenzo L. M., Vallet-Regi M. Controlled crystallization of phosphate apatites // Chem. Mater. 2000. Vol. 12. P. 2460-2465.

[9] Климашина Е. С. Синтез, структура и свойства карбонатзамещённых гидроксиапатитов для создания резорбируемых биоматериалов : ав-тореф. дис. ... канд. хим. наук. М., 2011. 23 с.

[10] Izmailov R. R., Golovanova O. A. Adhesive and Morphological Characteristics of Carbonate Hydroxyapatite Prepared from a Model Human Synovial Fluid on Titanium Alloys // Inorganic Materials. 2014. Vol. 50. №. 6. Р. 592-598.

[11] Измайлов Р. Р., Голованова О. А. Растворимость гидроксилапатита и карбонатгидроксилапатита, полученных из модельного раствора синовиальной жидкости человека // Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 4. С. 109-113.

[12] Баринов С. М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины // Успехи химии. 2010. № 1. С. 15-32.