CC BY
28
УДК 546.185:541.18
Захаров Н.А., Орлов М.А., Шелехов Е.В., Алиев А.Д., Матвеев В.В., Коваль Е.М., Захарова Т.В. БИОМИНЕРАЛИЗАЦИЯ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ НАТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ
Захаров Николай Алексеевич, д.ф.-м.н., гл. н. с., e-mail: zakharov@igic.ras.ru, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, РФ, 119991, Москва, Ленинский пр., 31;
Коваль Елена Михайловна, н.с., Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, РФ, Москва, 119991, Ленинский пр., 31;
Шелехов Евгений Владимирович, к.ф.-м.н., ст.н.с., НИТУ «МИСиС», РФ, Москва, 119049, Ленинский пр., 4; Фролов Алексей Сергеевич, студент, факультет естественный наук, РХТУ им. Д.И. Менделеева, РФ, Москва, 125047, Миусская пл., 9;
Орлов Максим Андреевич, студент ОЗ-ЗО, РХТУ им. Д.И. Менделеева; лаборант, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, РФ, 119991, Москва, Ленинский пр., 31; Алиев Али Джавад Оглы, к.ф.-м.н., ст.н.с., Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, РФ, 119991, Москва, Ленинский пр., 31;
Матвеев Владимир Васильевич, к.ф.-м.н., ст.н.с. Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, РФ, 119991, Москва, Ленинский пр., 31;
Захарова Татьяна Владимирована, к.ф.-м.н., ст.н.с., Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, РФ, Москва, 119991, Ленинский пр., 31;
Приведены сравнительные характеристики синтетического карбоната кальция (CaCO3, КК) и КК нативных объектов (морские моллюски, яичная скорлупа Работа выполнена в рамках государственного задания ИОНХ РАН в области фундаментальных научных исследований., коралл), проведена оценка влияния условий образования на физико-химические характеристики синтетических и биогенных КК.
Ключевые слова: карбонат кальция, синтетический, биогенный, условия образования, свойства.
BIOMINERALIZATION OF NATIVE OBJECTS CALCIUM CARBONFTE
Zakharov N. A. 1, Orlov M. A. 12, Frolov A.S.2, Sheleckov E. V. 3, Koval E.M. 1, Aliev A. D. 4, Matveev V. V. 4, Zakharova T.V. 1
1 Kurnarov Institute of General and Inorganic Chemistry of Russian Academy of Science, Moscow, Russia
2 Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
3 NITU "MISiS" Moscow, Russia
4 Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry of Russian Academy of Science, Moscow, Russia
Comparative characteristics of synthetic calcium carbonate (CaCO3. CC) and native objects CC (sea mollusks, egg, coral) presented, the assessment of influence ofphysical and chemical properties of synthetic and bigenic CC was carry out.
Keywords: calcium carbonate, synthetic, biogenic, synthesis conditions, properties.
Внимание к изучению кристаллизации карбоната кальция (СаС03, КК) вызвано широко распространёнными природными процессами кальцификации и биоминерализации: от бактерий до млекопитающих [1]. Биоминералы типа органика -неорганика, являющиеся биокомпозитами различного типа, включают большую группу биологических объектов [2]. Среди биологических минералов КК занимает особое место, поскольку он входит в состав костей и панцирей животных. При этом неорганический материал (КК), оказывается, связанным с биополимерами [3].
Яичная скорлупа является типичной природной композиционной органоминеральной керамикой, содержащей около 5% органики и 95% компонентов кальцита [4]. Биоминерализация яичной скорлупы происходит под влиянием макромолекул, являющихся полианионными поликислотами, имеющими высокое сродство к кальцию [4]. Панцири морских организмов состоят из КК, обычно в полиморфных модификациях кальцита либо арагонита. Морфологические и структурные свойства КК в ходе биоминерализации
контролируются органическими добавками. Так, протеины, выделенные из панцирей морских моллюсков, показали способность оказывать влияние на кристаллическую структуру и морфологию кристаллов КК в ходе биоминерализации даже в пределах различных слоев панциря (внутренние, внешние) [5]. Например, протеины, экстрагированные из слоев перламутра, индуцировали образование КК с морфологией арагонита, тогда как образование призматического слоя контролировалась иными протеинами.
Изучение и моделирование процессов биоминерализации является актуальным
направлением материаловедения, связанным с созданием методов синтеза материалов (в частности, КК) с регулируемыми характеристиками для различных областей применения.
Как видно (табл.1), образующиеся в ходе биоминерализации КК нативных объектов, могут отличаться от синтетических по типу структуры и размерам составляющим его кристаллов. При этом параметры элементарной ячейки сходны для обоих типов объектов.
Таблица 1. Сравнительные характеристики синтетического и природных КК.
Кристаллографические характеристики
Парамет ры элементарной ячейки, А
№ п/п Тип образца Состав образца А Ъ с Диаметр блока Коши, нм
1 Синтетический образец получен сливанием растворов №2С03 и СаС12*2Н20 при нативных условиях (37 оС) СаСОз, кальцит, 100 % ' 4.988(1) - 17.059(1) 283.2
2 Скорлупа яйца СаСОз, кальцит, 100 % ' 4.988(5) - 17.033(6) 115
3 Коралл СаСО3,
арагонит, 100 % ' 5.747(8) 4.961(3) 7.966(7) 66
4 Раковина морского моллюска СаСО3, кальцит, 100 % ' 4.953(5) - 16.907(5) 92.6
5 Морская звезда
Н СаСО3, арагонит, 100 % ' 5.747(5) 4.964(1) 7.966(9) 43.9
Кристаллы кальцита (тригональная сингония) синтетического КК имеют более правильную, по сравнению с природным кальцитом скорлупы яйца и раковины моллюска (табл. 2), форму. Кристаллам арагонита коралла и покрова морской звезды, даже в наномасштабе, характерна вытянутая игольчатая форма.
Механические характеристики кальций фосфатной керамики, к сожалению, не способны обеспечить ее использование в качестве остеозамещающего материала в зонах, работающих под нагрузкой. Растущее в последние десятилетия внимание исследователей в аспекте остеозамещения все чаще привлекают материалы природного
происхождения, в частности, скелет натуральных кораллов. Уникальные свойства этого материала во многом определяются химическим составом, а также и рельефом поверхности: высокой степенью пористости (до 50%), большим размером пор, их взаимосвязанностью и структурной регулярностью. При этом существенно, что скорость биорезорбции коралла практически совпадает со скоростью неоостеогенеза. Отметим, что в литературе описан положительный клинический опыт использования кораллов различных семейств в качестве остеозамещающего материала при различных патологических состояниях опорно-двигательного аппарата и лицевого скелета.
Таблица 2. Картины электронной микроскопии (СЭМ - 1 и ПЭМ - 2, 3, 4, 5) синтетических (1) и
природных (2, 3, 4, 5) карбонатов кальция.
1 а. КК получен в нативных условиях (370С), сливанием растворов CaCl2 и Na2CO3 (кальцит)
2а. Скорлупа яйца (кальцит).
1б. КК получен в нативных условиях (37 С), сливанием растворов СаСЬ и Na2CC>3 (кальцит).
26. Скорлупа яйца (кальцит).
.МЮппт
За. Коралл (арагонит).
36. Коралл (арагонит).
4а. Раковина морского моллюска (кальцит).
46. Раковина морского моллюска (кальцит).
5а. Морская звезда (арагонит).
link»»
*
56. Морская звезда (арагонит).
Работа выполнена в рамках государственного задания ИОНХ РАН в области фундаментальных научных исследований.
Список литературы
1. Mann S. Biomineralization principles and concepts in bioinorganic materials chemistry: Oxford University Press; - 2001. - 401 р.
2. Dujardin E., Mann S. Bio-inspired materials chemistry // Advanced Materials. - 2002. - Vol. 14. - № 11. - P. 1-14.
3. Hunter K.G. Interface aspects of biomineralization // Current Opinion Solid State & Materials Sci. - 1996. -V. 1. - P. 430-435.
4. Aras J.L., Fernandes S.M. Biomimetic process through the study of mineralized shells // Materials Characterization. - 2003. - Vol. 50. - P. 189-195.
5. Feng L.Q., Pu G., Pei Y. et al. Polymorph and morphology of calcium carbonate crystals induced by proteins extracted from mollusk shell // J. Crystal Growth. - 2000. - Vol. 216. - P. 459-465.
