Полная исследовательская публикация



Скачать 139.9 Kb.
Дата22.06.2019
Размер139.9 Kb.
ТипИсследование


Полная исследовательская публикация Тематический раздел: Биохимические исследования.

Регистрационный код публикации: 14-37-1-48 Подраздел: Неорганическая химия.

Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно

действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http://butlerov.com/readings/

УДК 546.02; 546.05. Поступила в редакцию 20 января 2014 г.
Синтез и исследование биорезорбируемости

кремний-замещенного гидроксилапатита
© Бердинская Мария Владимировна, Зайц Альберт Викторович

и Голованова*+ Ольга Александровна



Кафедра неорганической химии. Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского. Проспект Мира, 55-А. г. Омск, 644077. Россия. Тел.: (3812) 268-199. E-mail: golovanoa2000@mail.ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку


Ключевые слова: гидроксилапатит, силикат-ионы, кремнийсодержащий гидроксилапатит, внеклеточная жидкость, структура, растворение, биорезорбируемость.
Аннотация

Методом осаждения из модельного раствора внеклеточной жидкости синтезированы образцы гидроксилапатита и кремний-замещенного гироксилапатита. С РФА и ИК-Фурье-спектроскопии про-веден анализ структуры и фазового состава полученных соединений. Установлено, что в процессе осаждения твердой фазы происходит частичное замещение фосфат-ионов в структуре гидроксил-апатита силикат-ионами. Исследована биорезорбируемость модифицированных фосфатов кальция в различных средах: соляная кислота, изотонический раствор. Установлено, что с повышением доли силикат-ионов в структуре кремнийсодержащего апатита биорезорбируемость увеличивается.


Введение

Керамические материалы на основе гидроксилапатита (ГА) Са10(РО4)6(ОН)2 – синтети-ческого аналога минеральной составляющей костной ткани характеризуется биологической совместимостью с организмом человека, остеоиндуктивным поведением и рассматриваются как наиболее перспективные для восстановления костных дефектов в хирургии [1-5]. Однако немодифицированный ГА проявляет низкую скорость биорезорбции (растворение в жидкос-тях организма с образованием новой костной ткани), относительно слабую остеоиндукцию (стимулирование образования новой кости) [6]. Установлено, что анионные и катионные замещения в структуре ГА оказывают значительное влияние на его биологическое поведение и являются одним из известных способов повышения биорезорбируемости материалов на его основе [7-10].

Известно, что биоактивность – комплексная характеристика материалов, учитывающая, помимо биологических процессов роста и дифференциации клеток, также: скорость раст-ворения материала в слабокислой среде, создаваемой определенными группами клеток; ско-рость осаждения гидроксилапатита из межтканевой жидкости организма на поверхности материала. Поскольку речь идет о материалах медицинского назначения, то выбор моди-фицирующих добавок существенно ограничен. В настоящее время большой интерес пред-ставляет синтез термически стабильных керамических материалов на основе кремнийсо-держащего гидроксиапатита: показано, что присутствие силанольных (Si-OH) групп на поверхности материала способствует сращиванию имплантата с костью [7-13].

Исследования показали, что гидроксилапатит, модифицированный силикат-ионами (Si-ГА), обладает более высокой электроотрицательной поверхностью, содержащую гидрофиль-ные Si-OH группировки, с которыми легко вступают во взаимодействия полярные группы органических соединений, облегчая прикрепление клеток и способствуя формированию боль-шего количества связей имплантат – кость [8].

В данной работе с целью изучения биорезорбируемости модифицированного силикат-ионами гидроксилапатита синтез образцов проводили в условиях, приближенных к физиоло-гическим – из модельного раствора внеклеточной жидкости человека «Simulated Body Fluid» (SBF) [9]. Такое преобразование позволит повысить не только биоактивность, но и биосовмес-тимость материалов на основе кремнийсодержащего ГА.

Так же нужно отметить, что свойства Si-ГАП синтезированного из растворов SBF прак-тически не изучены, и мы предполагаем, что именно этот материал будет обладать наиболее лучшими характеристиками биоактивности и резорбции в живых организмах. Подтверждение этих предположений позволит решить ряд проблем, перед которыми сейчас стоит современ-ная медицина в области протезирования и ортопедии.

Таким образом, цель работы синтез и изучение растворимости кремний-замещенного гидроксилапатита, полученного из прототипа внеклеточной жидкости, при варьировании условий эксперимента.
Экспериментальная часть



Табл. 1. Состав модельного раствора

внеклеточной жидкости

«Simulated Body Fluid»



Компонент

C, ммоль/л

Ca2+

2.5

Na+

142

K+

5

Mg2+

1.5

Cl-

105

HPO42-

1

HCO32-

27

SO42-

0.5


Исходными компонентами системы использовались растворы CaCl2, MgCl2, К2HPO4, NaHCO3, Na2SO4 , NaCl, пересыщение раствора (S) по концентрации ионов кальция составляло 100.. В качестве основных соединений – поставщиков силикатных групп были выбраны Na2SiO3 и тетраэтоксисилан (ТЭС), как наиболее часто используемые. Массовое содержание кремния в исходном растворе составляло 0.5, 2.5 и 5.0%. Выбранное соотношение Са/P = 1.67 соответствовало получению стехиометрического гидро-ксилапатита [14]. Значение рН = 7.40, характерное рН вне-клеточной жидкости, и оставалось постоянным. При при-готовлении реакционной смеси соблюдали последователь-ность сливания реагирующих растворов, при которой в пос-леднюю очередь вводили смешанный раствор, содержащий К2HPO4 и Na2SiO3/ТЭС.

Время синтеза составляло 48 часов. По окончании кристаллизации твердой фазы в надосадочных жидкостях потенциометрическим методом измеряли рН и концентрацию ионов Са2+. Фотометрически определяли остаточные кон-центрации в растворе фосфат-ионов [РД 52.24.382-2006], силикат-ионов [РД 52.24.433-2005] на приборе КФК-2.

Твердые фазы отфильтровывали, высушивали и анализировали методами ИК-Фурье-спектро-скопии и рентгенофазового анализа (РФА). ИК-спектры регистрировали на спектрометре ФТ-801 (образцы готовили в виде таблеток с KBr). РФА был выполнен на порошковом рентгеновском дифрактометре D8 Advance, Bruker (Германия) в монохроматизированном Сu-kα излучении.

Для оценки биорезорбируемости образцов модифицированного ГА (m навески = 0.2000 г) изучали динамику их растворения в различных средах: хлороводородной кислоте с СHCl = 10-2М, изото-ническом растворе (0.9% NaCl), трис-буфере при варьировании температуры Т = 20, 37, 50, 80 оС [15]. Потенциометрическим методом измеряли рН раствора и концентрацию ионов Са2+ в течение 40 минут.


Результаты и их обсуждение

Методом рентгенофазового анализа установлено, что все образцы, синтезируемые в среде модельного раствора внеклеточной жидкости при варьировании концентрации силикат-ионов, однофазны и представляют собой гидроксилапатит. На дифрактограммах присутст-вуют рефлексы ГА при 25.8°(002), 31.7° (211), 32.2° (112) и 32.9° (300) (рис. 1).

Следует отметить, что дифрактограммы, соответствующие твердым фазам с различными источниками силикатных групп Na2SiO3/ТЭС, имеют схожий вид. Таким образом, природа реагента, содержащего SiO44--ионы не влияет на структуру гидроксилапатита.

Размеры кристаллитов полученного немодифицированного ГА составили 6.3 нм, для Si–ГА – 6.0-7.1 нм, что указывает на образование соединений в нанокристаллическом состоянии.

Параметры кристаллической решетки образованных твердых фаз увеличены (табл. 2), по сравнению с немодифицированным гидроксилапатитом, что подтверждает возможное замещение различных по размеру ортофосфат-иона силикат-ионом (расстояния Si-O = 1.66 Å, Р-О = 1.55 Å [14]).

Увеличение параметра с свидетельствует о том, что силикат-ион занимает преимущест-венно позицию фосфат-иона в структуре ГА, а не гидроксил-иона [16]. Из данных табл. 2 сле-дует, что большая степень замещения соответствует образцам, полученным в присутствии ТЭС, для которых значения параметров кристаллической решетки искажаются сильнее, что, по нашему мнению может быть связано с влиянием геометрических параметров разветвлен-ной формулы тетраэтоксисилана.







Рис. 1. Дифрактограммы образцов гидроксилапатита, модифицированных Na2SiO3:

I – С Si исх. 0.5%; II – С Si исх. 2.5%.; ТЭС: III – С Si исх. 0.5%; IV – С Si исх. 2.5%


Табл. 2. Параметры кристаллической решетки


Образец

С исх. Si, %

Постоянные решетки, Å

а

с

ГА

-

9.414

6.865

Na2SiO3

0.5

9.466±0.007

6.885±0.007

Na2SiO3

2.5

9.413±0.005

6.877±0.005

ТЭС

0.5

9.490±0.001

7.320±0.001

ТЭС

2.5

9.546±0.007

6.975±0.008

В ИК-спектрах образцов, полученных в присутствии силикат-ионов, присутствуют поло-сы поглощения, характерные для гидроксилапатита (рис. 2).

Структуру ГА определяют следующие полосы: 1040-1080 (ν3), 960, 840 (ν2), 602, 574 (ν4) и 473 (ν2) см-1, соответствующие колебаниям фосфатных групп, широкая полоса при 3440-3570 см-1 соответствует деформационным колебаниям ОН‾-групп и валентным колебаниям адсорбированной воды. Высокая интенсивность этого пика у модифицированного ГА связана с тем, что SiO4-ионы имеют высокое сродство к молекулам воды, вследствие чего проис-ходит гидратация. В виду того, что ГА синтезирован в воздушной среде, в процессе его обра-зования из атмосферы воздуха сорбируется углекислый газ, и в решетке локализуются ионы карбоната в положении фосфатного иона, которым в ИК-спектрах соответствуют полосы поглощения деформационных колебаний С–О связей иона СО32– при 875 см–1 и валентных колебаний при 1422-1457 см-1 [17].

В ИК-спектрах присутствует полоса поглощения низкой интенсивности колебания связей силикатной группы при 511 см-1, обусловленная деформационными колебаниями свя-зей Si–O. Полоса поглощения колебания Si–O связи при 945 см-1 перекрывается с полосой поглощения, соответствующей колебаниям P–O связи при 960 см-1. Наличие данных сигналов на спектре свидетельствует о замещении PO43– на SiO44– в структуре ГА, что приводит к искажению PO43– тетраэдра, в результате чего происходит изменение параметров элементар-ной ячейки. Таким образом, данные ИК-Фурье–спектроскопии находятся в согласии с резуль-татами РФА.







Рис. 2. ИК-спектры образцов гидроксилапатита, модифицированных:

1 – Na2SiO3С Si исх. 0.5%; 2 и 3 – ТЭС С Si исх. 0.5 и 2.5%

По окончании времени синтеза методами химического анализа надосадочной жидкости установлено присутствие ионов кремния в полученных твердых фазах (табл. 3). Их содержа-ние значительно возрастает при увеличении исходной концентрации силикат-ионов в системе. Соотношение Са/Р в синтезируемых соединениях превышает заданное значение 1.67, харак-терное для стехиометрического гидроксилапатита, и соответствует фазе кальций-избыточного ГА. Это свидетельствуют об уменьшении количества фосфат-ионов в полученных твердых фазах, что по нашему мнению связано с замещением фосфатных групп на силикатные.


Табл. 3. Концентрация силикат-ионов в твердой фазе, состав твердых фаз

С Si исх., %



С Si в тв.фазе, %

Са/Р

Состав твердой фазы



Na2SiO3

ТЭС

Na2SiO3

ТЭС

0.5

0.0076

0.0024

2.48

2.34

Кальций-избыточный

гидроксилапатит



2.5

0.11

0.11

2.31

2.23

5.0

0.69

0.67

2.30

2.28

Биорезорбируемость полученных образцов кремнийзамещенного гидроксил-апатита определяли по содержанию переходящего в жидкую фазу иона кальция при контакте вещества с растворителем (hbc/заданное значение 1,67 [14.

При растворении образцов Si-ГА, синтезируемых в присутствии Na2SiO3 при варьиро-вании концентрации кремния 0.5; 2.5 и 5.0 % масс., в соляной кислоте при температуре 20 oС установлено значительное изменение рН системы (рис. 3). Вероятно, избыток кремния при растворении сегрегируется на поверхности частиц твердой фазы, и в виду своей большей растворимости обеспечивает резкий рост рН на начальных стадиях растворения.

Можно отметить, что с повышением исходного содержания силикат-ионов при кристал-лизации Si-ГА, скорость растворения возрастает. Таким образом, биорезорбируемость крем-нийзамещенного гидроксилапатита увеличивается с ростом доли силикат-ионов в твердой фазе.









Рис. 3. Зависимости pH от времени для образцов с разным содержанием силикат-ионов

На рис. 4 представлены кинетические кривые растворения для образцов Si-ГА с исходным содержанием силикат-ионов 0.5 и 5.0 % масс. при варьировании температуры в соляной кислоте. При повышении температуры растворения заметно увеличивается наклон зависимости рН = f(t) на начальном этапе растворения, что свидетельствует о росте скорости резорбции.

Наибольшая биорезорбируемость отмечается при растворении данных фосфатов каль-ция при температуре 37 °С, что в перспективе дает возможность их применения в качестве биосовместимых с организмом человека материалов.

Кроме того, для образца с исходным содержанием кремния 5.0% на 5 минуте раст-ворения при t = 80 °С наблюдается небольшое понижение рН. По нашему мнению, в виду значительного термического влияния происходит частичное растворение гидроксилапатита с образованием октакальцияфосфата по уравнению (1):


Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x + (n-1)H2O ↔ Ca8(HPO4)2(PO4)4 + Ca2+ + (2-x)OH- + xSiO44- (1)

При разных температурах (Т = 20 oС и Т = 50 oС) определены энергия активации и поря-док реакции для образца с C(Si) = 0.50% Еа = 435.81 Дж/моль, n = 2.36, а для образца с С(Si) = 5.00% Еа = 461.58 Дж/моль, n = 2.41. Видно, что с повышением степени замещения фосфатных групп на силикатные энергия активации процесса растворения образцов возрастает. Дробный порядок реакции указывает на одновременное протекание нескольких этапов реакции с соиз-меримой скоростью.

Аналогичные опыты были проведены в среде изотонического раствора (0.9% NaCl). При 20 °С (рис. 9) и 50 °С (рис. 10) наблюдается резкое увеличение рН, вероятно из-за образования силанольных группировок на поверхности, чему способствует состав раствора.






а)


б)

Рис. 4. кинетические кривые растворения для образцов Si-ГА с исходным содержанием

силикат-ионов 0.5 (а) и 5.0 (б) % масс. при варьировании температуры в соляной кислоте



При этом, скачок рН растет при повышении степени замещения в Si-ГА: для 0.5% – 8.8 и 8.1, для 5.0% – 9.9 и 9.1. После 1 минуты процесса изменения рН практически не проис-ходит, возможно, из-за протекания побочных реакций гидролиза (2):
Ca10 (PO4)6-х(SiO4)х(OH)2-х + (n-1)H2O ↔ 10Са2+ +

+ 6[х1PO43- + х2НPO42-+ х3Н2PO4- + х4Н3PO4] + nОН- + хSiO44- (2)


При повышении температуры до 80 °С (рис. 11) проследить скачок рН не представилось возможным. Кривые растворения ниспадающие, что свидетельствует об уменьшении коли-чества свободных силанольных группировок, за счет связывания с фосфатами по реакции нейтрализации при повышении температуры (3):
≡Si-OН + НРО42-(раств) = ≡Si-O-РО32- + Н2О
Нужно отметить, что изучение растворимости в изотоническом растворе ослож-нено протеканием побочных реакций и высокой скоростью резорбции.

Выводы

В процессе образования кремний-замещенного гидроксилапатита имеет место разрых-ление кристаллической решетки гидроксилапатита и повышение степени ее дефектности, что в свою очередь способствует лучшей резорбируемости, а, следовательно, и биоактивности гидроксилапатита, модифицированного в форму Si-ГА.


Благодарности

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундамен-тальных исследований (грант № 13-05-90432-Укр_ф_а а) и Министерства образования и науки РФ, в рамках государственного задания ВУЗам в части проведения научно-исследовательских работ на 2014-2016 гг. (проект № 2953).


Литература

  1. Сурменева М.А., Сурменев Р.А., Чайкина М.В., Качаев А.А., Пичугин В.Ф., Эппле М. Исследование фазового и элементного состава покрытий на основе кремнийсодержащего гидроксиапатита для медицинских имплантатов, полученных методом ВЧ-магнетронного распыления. Физика и химия обработки материалов. 2012. №3. C.51-60.

  2. Свентская Н.В. Силикофосфатные биокомпозиционные материалы с регулируемой поровой структурой для костно-пластической хирургии. Автореф. дис. … канд. тех. наук. Москва. 2011. 23с.

  3. Sandrine Gomes, Jean-Marie Nedelec, Edouard Jallot, Denis Sheptyakov, Guillaume Renaudin. Silicon location in silicate-substituted calcium phosphate ceramics determined by neutron diffraction. J. Crystal Growth Design. 2011. Vol.11. P.4017-4026.

  4. Дорожкин С.В., Симеон Агатопоулус. Биоматериалы: обзор рынка. Химия и жизнь. 2002. №2. C.8-10.

  5. Carlisle E.M. Silicon: a possible in bone calcification. J. Science. 1970. Vol.167. P.279-280.

  6. Yongsheng Wang, Sam Zhang, Xianting Zeng, Kui Cheng, Min Qian, Wenjian Weng. In vitro behavior of fluoridated hydroxyapatite coatings inorganic-containing simulated body fluid. J. Materials Science and Engineering. 2007. Vol.27. P.244-250.

  7. Баринов С.М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины. Успехи химии. 2010. Т.79. №1. С.15-32.

  8. Сафронова Т.В., Путляев В.И., Сергеева А.И., Куненков Э.В., Третьяков Ю.Д. Синтез нанокристаллического гидроксилапатита кальция из сахаратов кальция и гидрофофсфата аммония. Доклады академии наук. 2009. T.426. №4. C.491-496.

  9. Вересов А.Г., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д. Химия неорганических биоматериалов на основе фосфатов кальция. Российский журнал. 2004. Т.48. №4. С.52-64.

  10. Ле Ван Тхуан, Доан Ван Дат, Гулден Ерлановна Темирханова. Синтез и исследование морфологии кремний-замещенного гидроксилапатита. Сборник материалов IV Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов». Томск. 2011. С.346-349.

  11. Комлев В.С., Фадеева И.В., Гурин А.Н., Ковалева Е.С. и др. Влияние содержания карбонат-групп в карбонатгидроксилапатитовой керамике на ее поведение in vivo. Неорганиеческие материалы. 2009. Т.45. №3. С.373-378.

  12. Данильченко С.Н., Структура и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения. Вестник СумДУ, Серия физика, математика, механика. 2007. №2. С.33-59.

  13. Соин А.В., Евдокимов П.В., Вересов А.Г., Путляев В.И. Синтез и исследование анионмодифи-цированных апатитов. Альтернативная энергетика и экология. 2007. №1. С.130-132.

  14. Солоненко А.П.,  Голованова О.А. Термодинамическое моделирование процессов образования ортофосфатов кальция. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. №2. С.106-112.

  15. Измайлов Р.Р., Голованова О.А. Растворимость гидроксилапатита и карбонатгидроксилапатита, полученных из модельного раствора синовиальной жидкости человека. Вестник Омского государственного университета. 2012. №4. С.109-113.

  16. Маловская Е.А., Голованова О.А., Панова Т.В., Герк С.А., Осинцев В.А. Кристаллизация фосфатов кальция из прототипов биологических жидкостей на костных образцах. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.36. №10. С.21-28.

  17. A.P. Solonenko, O.A. Golovanova. Hydroxyapatite–Brushite ixtures: Synthesis and Physicochemical Characterization. J. Inorganic Chemistry. 2014. Vol.59. No.1. P.12-20.

__________ ©Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. №1. _________ г. Казань. Республика Татарстан. Россия.



Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница