Синтез силикатзамещенных гидроксилапатитов различного стехиометрического состава

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2013. № 4. С. 146-151.

УДК 546.05; 544.02

А.П. Солоненко, О.А. Голованова

СИНТЕЗ СИЛИКАТЗАМЕЩЕННЫХ ГИДРОКСИЛАПАТИТОВ РАЗЛИЧНОГО СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА

Методом осаждения из водных щелочных растворов, содержащих нитрат кальция, гидрофосфат аммония и различные количества силиката натрия, получены образцы силикатзамещенных гидроксилапатитов. Соотношения Са/Р и СаДР+Si) в них варьируют в диапазонах 1.48 ^ 1.95 и 1.35 ^ 1.70 соответственно. Массовые доли силикат-ионов в осадках составляют от 0.026 до 7.36 %.

Ключевые слова: гидроксилапатит, силикат-ионы, фосфаты кальция, биоматериалы, совместное осаждение.

Введение. Усиление регенеративного подхода в медицине обусловливает необходимость создания искусственных материалов, с помощью которых возможно было бы полное (механическое и функциональное) восстановление поврежденных или утраченных участков твердых тканей. С этой целью ведутся разработки в направлении синтеза фосфатов кальция (ФК), которые бы содержали в своем составе группировки, способствующие резорбции имплантанта и формированию на его месте живой кости. В ряде работ отмечается активная роль кремния в процессах репаративного восстановления костной системы, а также формирования органической матрицы кости на начальных этапах ее кальцификации [1; 2]. В связи с этим представляется перспективным допирование силикат-ионами синтетических ФК. Из них в качестве компонентов биоматериалов наиболее широко используются а-/в-трикальция фосфат (а-/в-Са3(РО4)2, а-/в-ТКФ) и гидроксилапатит (Са10(РО4)б(ОН)2, ГА) [3]. Причем последний, ввиду кристаллохимического сходства с минеральной составляющей костной ткани, вызывает особый интерес с точки зрения расширения возможностей его использования в медицинской практике за счет корректировки состава и свойств.

Цель работы - получение гидроксилапатита, содержащего в своем составе различные количества силикат-ионов.

Объекты и методы исследования. Твердые фазы получали методом осаждения из водных растворов нитрата кальция и гидрофосфата аммония, взятых из расчета, что ССа /(CР + CSi) = 1.70 (ССа = 0.034

моль/л). Добавку силикат-ионов вводили в виде Na2SiO3-5H2O в раствор (NH4)2HPO4. Выполняли девять серий экспериментов, в которых варьировали долю силикат-ионов в общем количестве осадкообразующих анионов: XSi = CSl /(CР + CSl) = 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 5.0, 10, 15, 30 %. Синтез

проводили при комнатной температуре (t = 20-25 °С). При этом к кальциевому раствору приливали силикатно-фосфатный раствор со скоростью 4.5-5.0 мл/мин., осуществляя постоянное перемешивание реакционной смеси. Корректировку кислотности среды до 9.00, 12.00 (± 0.05) осуществляли при помощи HNO3 (1:1) или NH4OH (конц.) после полного прибавления компонентов системы. По истечении 48 часов осадки отфильтровывали под вакуумом, сушили при 80 °С, подвергали помолу в фарфоровой ступке, взвешивали и исследовали с применением группы физико-химических методов.

Рентгенофазовый анализ (РФА) порошковых образцов проводили на дифрактометре «D8 Advance» (Bruker) с расшифровкой дифрактограмм в программном комплексе «EVA» (Bruker). Расчет параметров решетки для образцов выполняли в программе «TOPAS 3.0» (Bruker) по методу ЛеБэйля

© А.П. Солоненко, О.А. Голованова, 2013

(метод наименьших квадратов). ИК-спектры поглощения осадков регистрировали на ИК-Фурье-спектрометре «ФТ-801» (СИМЕКС),

пробы готовили прессованием в таблетки с КВг. Количественное определение содержания элементов Са, Р и в синтетических твердых фазах проводили методом атомноэмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) на спектрометре «710-ЕЗ» (Уапап).

Результаты и их обсуждение. Согласно результатам РФА все порошковые материалы, полученные при варьировании концентрации силикат-ионов и рН реакционной среды, однофазные и сложены ГА. Слабое разрешение рефлексов основного ФК на дифрактограммах указывает на малую кристалличность вещества и/или его высокодисперсное состояние [4] (рис. 1). Для осадков, формирование которых протекало в среде, содержащей кремниевую соль, пики [211], [300] и [202] разрешены хуже по сравнению с таковыми у образцов из систем без добавки.

Для двух серий осадков, полученных в условиях щелочной (рН = 9.00) и сильно щелочной среды, рассчитаны параметры и объем элементарной ячейки ГА. По данным,

представленным в табл. 1, прослеживается рост параметра с при увеличении доли силикат-ионов в растворе. Синтетические твердые фазы, осажденные при рН = 9.00, характеризуются меньшими величинами с по сравнению с таковыми для ГА (согласно РЭР № 9-432), тогда как значения данного параметра образцов из систем с рН = 12.00 близки к эталонной величине либо превышают ее. В зависимости от кислотности реакционной среды прослеживается различный характер изменения параметра а при повышении X 31. Сжатие элементарной

ячейки вдоль оси а фиксируется при нарастании содержания кремния в исходном растворе с рН = 9.00. В условиях синтеза при рН = 12.00 значение а изменяется немонотонно: уменьшается до X я = 2.5 % и затем

возрастает. Аналогичные тенденции варьирования прослеживаются для объема элементарной ячейки осажденных фаз (табл. 1). Описанные закономерности могут быть связаны с включением в структуру ГА в процессе кристаллизации изоморфных примесей в виде силикат-, карбонат-, гидрофосфат-ионов, молекул воды и/ или появлением Са-вакансий [5-7].

2Т\\е1а 2Т1кйа

Рис. 1. Дифрактограммы осадков из растворов с различным содержанием силикат-ионов и рН

Таблица 1

Характеристики синтетических образцов

pH хл.,% Фаза а, А с, А V, А3

0 9.442 ± 0.003 6.868 ± 0.003 530.3

9.00 0.5 ГА 100 % 9.437 ± 0.003 6.870 ± 0.003 529.9

2.5 9.428 ± 0.003 6.874 ± 0.003 528.9

15 9.422 ± 0.004 6.877 ± 0.004 528.7

30 9.415 ±0.004 6.883 ± 0.004 528.4

Саіо(РО4)б(ОН)2 (РОГ № 9-432) 9.418 6.884 528.8

0 9.406 ± 0.003 6.884 ± 0.002 527.5

12.00 0.5 ГА 100 % 9.402 ± 0.004 6.877 ± 0.004 526.2

2.5 9.397 ± 0.004 6.882 ± 0.003 526.3

15 9.411 ±0.003 6.890 ± 0.003 528.5

30 9.419 ±0.006 6.894 ± 0.005 529.7

Примечание. V - объем элементарной ячейки, рассчитанный как V = (л/3 / 2)а2 С .

470 570 670 770 870 970 1070 1170 1370 1570 1770 3200 3300 3400 3500 3600 3700

Частота, см 1

Рис. 2. ИК-спектры осадков, полученных из кремнийсодержащих систем с различной кислотностью

Данные ИК-Фурье-спектроскопии, как и результаты РФА, указывают на образование ГА при кристаллизации в системах Са2+ -Р043- - 8Ю44- / Н20 в условиях варьирования концентрации силикат-ионов и рН среды. На спектрах образцов (рис. 2) присутствуют полосы поглощения связей Р-О в составе РО43--тетраэдров основного ФК (565, 603, 962, 1040 и 1090 см-1) и колебания О-Н групп в молекулах адсорбированной и структурносвязанной воды (1650 и 2700-3700 см-1). Интенсивности мод колебаний ОН- ионов ГА (630 и 3570 см-1) падают при возрастании концентрации силикатов в реакционной среде. Также снижается разрешенность полос поглощения фосфатов (565 и 603, 1040 и 1090 см-1) подобно рефлексам в области 3033° по 20 на дифрактограммах порошков.

На ИК-спектрах твердых фаз в виде плеча проявляются полосы в области 525 и ~1225 см-1, которые, согласно [8; 9], соответствуют модам деформационных колебаний НО-РО3 в составе ионов НРО42-. Описанные изменения указывают на формирование в условиях эксперимента нестехиометрического гидроксилапатита (нГА), включающего гидрофосфат-ионы.

Согласно данным ИК-Фурье-спектроско-пии, в составе образцов, помимо фосфатных группировок и гидроксид-ионов, присутствуют примесные анионы - карбонаты и силикаты. Положение полос поглощения СО32-, а следовательно, и локализация их в структуре ГА, определяется величиной рН. Так, для осадков, полученных при рН = 9.00, группировкам СО32- соответствуют линии при 877, 1420, 1460 и 1550 см-1, что, как известно [10; 11], указывает на А-тип включения ионов: 2 ОН- ^ СО32-. При возрастании значения рН среды до 12 происходит смена механизма замещения: по полосам при 872, 1430 и 1460 см-1 фиксируется присутствие карбонатов в фосфатных позициях (Б-тип: % Са2+ + РО43-^ % Пса + СО32-).

Вывод о включении в состав осадков группировок 8Ю44- можно сделать по пикам малой интенсивности с максимумами при 504 см-1 и 800 см-1, которые соответствуют модам деформационных колебаний связей 81-0 и симметричных валентных колебаний мостиковых связей 81-0-81 в 8Ю4-тетра-эдрах [4; 12]. Прослеживается слабый рост их интенсивности при увеличении содержания кремния в исходных реакционных средах. Происходящее одновременно с этим угасание мод колебаний ОН- ионов ГА (630 и 3570 см-1) указывает на реализацию замещения фосфатов силикатами, в котором задействованы также гидроксильные группировки: РО43- + ОН- ^ 8Ю44- + ПОН, что хорошо согласуется с данными [4; 6; 7; 12].

Оценка содержания кремния, кальция и фосфора в полученных образцах проведена с применением метода АЭА-ИСП. Установ-

лено, что осажденные твердые фазы содержат в своем составе 0.008 ^ 2.24 масс. % кремния (в пересчете на силикат-ионы -0.026 ^ 7.36 масс. %). По данным, приведенным в табл. 2, видно, что количество 81 (81044-) в осадках монотонно возрастает в каждой из серий рН при повышении исходной концентрации Ма28Ю3 в реакционной среде. Большие значения массовой доли кремния достигаются в сильно щелочных системах (рН = 12.00). Вероятной причиной этого является изменение положения ионного равновесия в растворе, содержащем силикат-ионы (рис. 3). Так, при рН = 9.00 в водной среде сосуществуют Н48104 (86 %) и Н38Ю4- (14 %); в случае рН = 12.00 кремний находится в трех формах: Н38Ю4- (20 %), Н281042- (40 %), Н81043- (40 %). Снижение степени протонированности 8104-тетраэдра, по-видимому, облегчает его включение в состав формирующейся кальциево-фосфатной фазы, в результате чего формируются составы с более высокой степенью замещения фосфатов силикатами.

а, %

Рис. 3. Ионная диаграмма кремниевой кислоты

По мере роста количества силикатов в исходной реакционной среде монотонно снижаются доли кальция и фосфора в осадках (рис. 4). Содержания элементов в твердых фазах, кристаллизовавшихся в системах Са2+ - Р043- - 8Ю44- / Н20 при рН = 9.00 и 12.00, не превышают количеств Са и Р в контрольных образцах. Наименьшими значениями массовых долей кальция характеризуются материалы, формирование которых происходило при рН = 9.00. Однако содержание фосфора в них превышает таковое в порошках из растворов с рН = 12.00.

Количества Са и Р в осадках снижаются согласованно, обеспечивая постоянство

Са/Р-коэффициента (табл. 2). Различия величин молярных соотношений для материалов, осажденных при варьировании концентрации Ма28Ю3 в реакционной среде с рН = 9.00, достоверно не установлено. Среднее значение Са/Р (1.50) подтверждает сделанное ранее предположение об образовании в условиях эксперимента нГА, а именно АНК II. В этих же образцах суммар-

ное содержание фосфора и кремния варьи- кальция вызывает падение показателя

рует в пределах погрешности определения Са/(Р+Э1).

(табл. 2), что на фоне растущего недостатка

Таблица 2

Химический состав осажденных порошковых материалов

Параметр Х8„%

0 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 10 15 30

WSІ,% - 0.0079 0.012 0.015 0.043 0.088 0.43 1.03 1.70

О СП - 0.026 0.039 0.049 0.14 0.29 1.41 3.38 5.58

X р Са/Р 1.51 ±0.02 1.49 ±0.05 1.50 ±0.06 1.51 ±0.05 1.48 ±0.04 1.50 ±0.02 1.48 ±0.02 1.50 ±0.05 1.51 ±0.03

Са/(Р+Э1) 1.51 ±0.02 1.49 ±0.05 1.50 ±0.02 1.51 ±0.05 1.47 ±0.05 1.49 ±0.04 1.44 ±0.02 1.40 ±0.02 1.35 ±0.04

о о Wsi,% - 0.052 0.11 0.16 0.27 0.49 1.04 1.45 2.24

^о4,% - 0.17 0.37 0.52 0.88 1.62 3.43 4.75 7.36

X р Са/Р 1.67 ±0.01 1.67 ±0.02 1.66 ±0.02 1.72 ±0.02 1.69 ±0.02 1.75 ±0.03 1.80 ±0.04 1.83 ±0.03 1.95 ±0.06

Са/(Р+Э1) 1.67 ±0.01 1.67 ±0.02 1.65 ±0.03 1.70 ±0.02 1.66 ±0.04 1.69 ±0.02 1.69 ±0.05 1.62 ±0.04 1.64 ±0.04

19

18

17

16

15

14

13

12

11

’О-

Х,;,%

10

15

20

25

30

Рис. 4. Зависимости содержания кальция (а) и фосфора (б) в осадках от доли силикат-ионов в исходной реакционной среде

В осадках из более щелочных сред (рН = 12.00) по мере роста концентрации силикат-ионов в исходном растворе количество фосфора уменьшается быстрее, чем меняется доля кальция. Это приводит к последовательному повышению Са/Р-коэффициента образцов. Расчетные величины молярного соотношения указывают на образование в условиях эксперимента нГА, а именно апатита с недостатком фосфора (АНФ), дефицит фосфора (фосфатов) в которых усили-

вается одновременно с увеличением содержания в них силикатов. Соотношения Са/(Р+Э1) сохраняют значения, близкие к 1.67, несколько уменьшаясь при X> 15 %. Это свидетельствует о пропорциональном изменении количеств кальция и суммарного содержания фосфора и кремния в осадках, полученных при рН = 12.00, и варьировании концентрации Ка2ЭЮ3 в растворе в диапазоне от 0 до 10 % включительно. Отклонение от линейного тренда при больших концентрациях силикатов в реакционной среде может быть связано с тем, что некоторое (избыточное) количество ЭЮ44- не встраивается в позиции РО4-тетраэдров, а полимери-зуется на поверхности частиц ГА [6].

Заключение. Таким образом, в ходе проведенных исследований получены и охарактеризованы силикатзамещенные нестехиометрические гидроксилапатиты. Установлено, что при X51 = 0 ^ 30 % и рН = 9.00, 12.00 осаждаются твердые фазы, содержание примесного аниона в которых варьирует в пределах от 0.026 до 7.36 масс. % и растет по мере повышения щелочности реакционного раствора и увеличения доли ЭЮ44- в исходной среде. Наряду с кремниевыми замещениями в условиях синтеза реализуются механизмы встраивания карбонатов (в позиции ОН-ионов при рН = 9.00 и в положения РО4-тетраэдров при рН = 12.00), гидрофосфатов и молекул воды в структуру ГА. Все это должно приводить к повышению биоактивности синтетического основного ФК.

Авторы выражают благодарность сотрудникам кафедры органической химии ОмГУ им. Ф.М. Достоевского А. С. Фисюку и Ю.П. Бог-зе за предоставленную возм.ожность выполнения исследований на приборе «ФТ-801», а также сотрудникам ИППУ СО РАН В.А. Дроздову, Н.Н. Леонтьевой, А. В. Шиловой за пом,ощь в выполнении физико-химических исследований.

а

ЛИТЕРАТУРА

[1] Гроссер А.В., Матело С.К., Купец Т.В. Микроэлементы и микроэлементозы: кремний, фтор, йод (часть 1) // Профилактика сегодня. 2009. № 10. С. 6-14.

[2] Бельмер С. В., Гасилина Т. В. Микроэлементы и микроэлементозы и их значение в детском возрасте // Вопросы современной педиатрии. 2008. Т. 7. № 6. С. 91-96.

[3] Dorozhkin S.V. Medical Application of Calcium Orthophosphate Bioceramics // BIO. 2011. № 1. Р. 1-51.

[4] Marchat D., Zymelka M., Coelho C., Gremillard L., Joly-pottuz L., Babonneau F., Esnouf C, Chevalier J., Bernache-Assollant D. Accurate characterization of pure silicon-substituted hydroxyapatite powders synthesized by a new precipitation route // Acta biomineralia. 2013. № 9. Р. 6992-7004.

[5] Frank-Kamenetskaya O., Kol’tsov A., Kuz’mina M., Zorina M., Poritskaya L. Ion substitution and non-stoichiometry of carbonated apatite-(CaOH) synthesized by precipitation and hydrothermal methods // J. of molecular structure. 2011. № 992. Р. 9-18.

[6] Mostafa N.Y., Hassan H.M., Abd Elkader O.H. Preparation and characterization of Na+, SiO44", and CO32- co-substituted hydroxyapatite // J. of

the American Ceramic Society. 2011. V. 94. № 5. Р. 1584-1590.

[7] Gomes S., Nedelec J.-M., Jallot E., Sheptya-kov D., Renaudin G. Silicon location in silicate-substituted calcium phosphate ceramics determined by neutron diffraction // Crystal growth & design. 2011. № 11. Р. 4017-4026.

[8] Mandel S., Tas A.C. Brushite (CaHPO4-2H2O) to octacalcium phosphate (Ca8(HPO4^(PO4)4-5H2O) transformation in DMEM solutions at 36.5 °C // Materials science and engineering. C. 2010. № 30. Р. 245-254.

[9] Фадеева И. В., Баринов С. М., Федотов А. Ю., Комлев В. С. О взаимодействии фосфатов кальция с хитозаном // Доклады академии наук. 2011. Т. 441. № 5. С. 639-642.

[10] Вересов А.Г., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д. Химия неорганических биоматериалов на основе фосфата кальция // Российский химический журнал. 2004. Т. 48. № 4. С. 52-64.

[11] Климашина Е. С. Синтез, структура и свойства карбонатзамещенных гидроксилапатитов для создания резербируемых биоматериалов: ав-тореф. дис. ... канд. хим. наук. М., 2011. 23 с.

[12] Bianko A, Cacciotti I., Lombardi M., Montanaro L. Si-substituted nanopowders: synthesis, thermal stability and sinterability // Materials research bulletin. 2009. № 44. Р. 345-354.