CC BY
89
УДК 546.05
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАТИВНОГО И КРЕМНИЙ-ЗАМЕЩЕННОГО ГИДРОКСИАПАТИТА 7)
*М.А. Гарафутдинова, **Ю.Р. Колобов, **Е.А. Гребцова, **Е.Г. Колобова
* «Сахалинский государственный университет», ул. Ленина, 290, Южно-Сахалинск, 693008, e-mail: [email protected]
**НОиИЦ «Наноструктурные материалы и нанотехнологии», ул. Королева, 2а, Белгород, 308015, Россия, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Аннотация. Исследовано изменение электрокинетического потенциала коллоидных частиц наноразмерного гидроксиапатита и выдвинута гипотеза о строении двойного электрического слоя гидроксилапатита c его изменением вместе c изменением pH в процессе синтеза. Определена изоэлектрическая точка при pH=9,0. Показано, что введение групп в кри-
сталлохимическую решетку гидроксиапатита приводит к снижению (-потенциала коллоидных частиц в водной суспензии вплоть до x=1,5.
Ключевые слова: электрокинетический потенциал, гидроксиапатит, кремнийзамещен-ный гидроксиапатит.
1. Введение. Электрические свойства материалов, применяемых в качестве субстратов для изготовления имплантатов, имеют такое же важное значение, как, например, их биологическая совместимость, механические характеристики, остеоиндуктивность, остеокондуктив-ность. Фосфаты кальция уже не один десяток лет занимают лидирующие позиции как исходные вещества в ортопедическом и стоматологическом протезировании. Гидроксилапатит (ГАП) Caio(PO4)6(OH)2 является минеральным аналогом неорганической компоненты костной ткани, дентина зубной эмали, что обуславливает обоснованность использования данного вещества в медицинской импланталогии. Современное материаловедение стремится оптимизировать процесс биоинтеграции данного соединения в человеческом организме, максимально приблизив скорость его резорбции к индивидуальным особенностям роста костной ткани человека. Один из возможных приемов варьирования биологической активности, коррелирующей в небольшом приближении с его растворимостью in vivo, - доппирование кристаллохимической структуры апатита различными ионами [1,2]. Это приводит к изменению параметров кристаллической решетки, повышению дефектности и, в большинстве случае, к увеличению скорости резорбции материала. Интересным фактом, мало освещенным в литературе, является поиск взаимозависимости между электрокинетическими характеристиками фосфатного материала и его биологической активности. В некоторых источниках упоминается, что поверхностный заряд имплантируемых материалов имеет большое значение в процессах адгезионной активности клеток, а также их пролиферативной активности, но данные эти весьма противоречивы. Внедрение в структуру гидроксиапатита силикат-ионов, замещающих фосфатную группу, приводит к изменению (-потенциала частиц. В настоящем исследовании была поставлена задача определить изоэлектрическую точку (ИЭТ) в процессе синтеза наноразмерного гидроксиапа-тита, а также изучить изменение электрокинетических характеристик кремний-замещенного гидроксиапатита в водной суспензии в зависимости от степени замещения силикат-ионами.
2. Материалы и методика проведения эксперимента. Наноразмерный гидроксиапа-тит был получен по разработанной ранее методике на основе реакции нейтрализации между
7Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.A18.21.2059 «Изучения влияния способа получения на микроструктуру и свойства конструкционных наноматериалов с использованием высокоразрешающих методов исследования».
ортофосфорной кислотой и гидроксидом кальция [3]. Синтез кремний-замещённого гидрокси-лапатита Ca1o(P04)6-x(Si04)x(0H)2-x (Si-ГАП с x < 2) проводился на основе реакции [4]:
10Са2 + (6 - x)(P0)4- + x(Si0)4- + (2 - x)(0H)"
^Caic(P04)6-x(Si04)x(0H)2-x
При использовании силиката натрия (Na2Si03 х 5H20 хч) как источника силикат-ионов химический процесс синтеза можно записать следующим образом:
10Ca(0H)2 + (6 - x)H3P04 + xNa2Si03 —^Саю(Р04)6-x(Si04)2-x + 2xNa0H+(18 - 2x)H20.
Согласно методике синтеза кремний-замещенного гидроксиапатита, количества реагентов были определены по данным стехиометрических расчетов, исходя из предположения, что силикат-ион частично замещает фосфатную группу в кристаллической решетке ГАП в пределах до 4%, а соотношение Ca/(P+Si)=1.67 остается постоянным. Компенсация избыточного отрицательного заряда при этом происходит за счет диссоциации гидроксильных групп. Для исследования были использованы образцы ГАП и Si-ГАП, имеющие степень замещения кремнием x=0.1, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 при значении pH=9.5.
Изменение (-потенциала поверхности кристаллов кальций-фосфатных соединений, образующихся в ходе синтеза наноразмерного гидроксилапатита, было выполнено на анализаторе Delsa Nano S (Beckman Coulter) с приставкой для автоматического титрования. В основе используемого прибором метода лежит так называемое явление электрофоретического светорассеяния или «лазерный доплеровский метод», базирующийся на уравнении Смолуховского:
Z =
п
и,
ео£т
где £о и ег - диэлектрические постоянные вакуума и растворителя, соответственно; п - вязкость среды, и - подвижность частиц.
3. Результаты экспериментов. Изменение (-потенциала частиц в водной суспензии в ходе синтеза наноразмерного ГАП представлено на рис. 1. Обуславливать замену знака заряда поверхности дисперсных частиц в водной суспензии может изменение соотношения концентраций НзО+ и ОН- -ионов в водной среде. Традиционно именно они рассматриваются в качестве потенциалопределяющих для частиц ГАП в водной среде. Но в данном случае это противоречит результатам эксперимента, поскольку в щелочной среде потенциал частиц оказывается положительным, приобретая положительное значение только после ИЭТ (рН=9.0).
Рис. 1. Зависимость электрокинетического потенциала поверхности кальций-фосфатных соединений, образующихся в ходе синтеза наноразмерного гидроксилапатита от pH раствора.
Поэтому стоит учесть, что в процессе синтеза в исходном растворе гидроксида кальция ионы Са2+ также могут связываться с отрицательно заряженной поверхностью гидратированной коллоидной частицы при значении рН > ИЭТ (изоэлектрическая точка), нейтрализуя тем самым отрицательный заряд. При рН < ИЭТ может наблюдаться противоположный эффект,
так как такая система содержит отрицательно заряженные фосфат-ионы (НхРО^3 ), и связывание таких частиц с поверхностью приводит к отрицательному значению ("-потенциала
частиц ГАП. Модели строения двойного электрического слоя (ДЭС) частиц гидроксиапатита при различном значении рН показаны на рис. 2.
Стоит отметить, что с точки зрения склонности ГАП подвергаться растворению/рекристаллизации, весьма спорным является вопрос устойчивости структуры и состава двойного электрического слоя (ДЭС) частиц ГАП в процессе изменения рН. Высокая подвижность поверхностных ионов также обуславливает высокую электрическую проводимость, которая характерна для ГАП. Способность к ионному обмену апатита натуральной костной ткани является необходимым фактором осуществления процессов ремоделирования костной ткани. Вследствие старения костная ткань утрачивает свои ионообменные свойства. С другой стороны, вопреки высокой подвижности поверхностных ионов, для гидроксилапатита характерны низкие значения растворимости и медленный рост кристаллов даже в пересыщенной среде.
Это может означать поверхностную реорганизацию ионных слоев, которая обеспечивает изменение поверхностных зарядов с последующими изменениями в ионном окружении.
("-потенциал кристаллов ГАП, структура и состав ДЭС, разумеется, во многом определяется физико-химическими условиями измерений и синтеза гидроксилапатита, что может объяснить существенные различия в значениях ИЭТ и поверхностного потенциала, имеющиеся в литературе. Помимо ионов ДЭС, окружающих частицы, ГАП в водной суспензии подвергается практически всем возможным механизмам, которые приводят к заряду поверхности
(адсорбция, ионизация, частичное растворение), что дополнительно увеличивает сложность физического воздействия.
Рис. 2. Строение ДЭС кристаллов ГАП в зависимости от значения pH среды:
а) pH > ИЭТ; б) pH < ИЭТ.
На рис. 2 представлены результаты изменения дзета-потенциала коллоидных частиц Бь ГАП с различной степенью замещения. При увеличении степени замещения х в структуре БьГАП Саю(Р04)б_х(ВЮ4)Х(0Н)2-Ж происходит падение ("-потенциала коллоидных частиц в водной суспензии вплоть до -17,6 мВ при х = 1, 5, но увеличивается при дальнейшем росте х. Очевидно, это связано со смещением равновесия в ионообменных процессах в сторону обратной миграции силанольных групп из кристаллической решетки БьГАП.
Рис. 3. Влияние степени замещения x фосфатных групп на силикат-ионы в кремний-замещенном гидроксилапатите Ca10(PO4)6_x(SiO4)x(OH)2_x.
Хорошо известно, что существенный эффект наличия БЮ^--ионов в суспензионной среде на (-потенциал может быть объяснен только гипотезой о внедрении данных ионов в кристаллическую решетку апатита. Однако, имеющий место интенсивный обмен ионами между частицами ГАП и раствором часто изменяет потенциал совершенно непредсказуемым образом. Этим можно объяснить тот факт, почему состав поверхности суспендированного ГАП отличается по сравнению с объемным материалом.
4. Заключение. Строение двойного электрического слоя гидроксилапатита в водной суспензии имеет динамичный характер, что определяется большим спектром физико-химических явлений происходящих в водной суспензии в ходе синтеза ГАП. Определяющую роль при этом имеет соотношение ионов Са2+/НжР04- и рН раствора. При этом происходит перезарядка коллоидных частиц. Изоэлектрическая точка для ГАП наблюдается при рН=9,0. При увеличении степени замещения х в структуре БьГАП
Саю(Р04)б-х(вЮ4)Х(0Н)2-Х происходит падение ("-потенциала коллоидных частиц в водной суспензии вплоть до х = 1, 5.
Литература
1. Carlisle E.M. Silicon: a possible factor in bone calcification // Science. - 1970. - 167. -P.279-280.
2. Carlisle E.M. In vivo requirement for silicon in articular cartilage and connective tissue formation in the chick //J. Nutr. - 1976. - 106. - P.478-484.
3. Волковняк Н.Н., Иванов М.Б., Колобов Ю.Р., Бузов А.А., Чуев В.П. Патент 2342319 RU Способ формирования наноразмерного гидроксилапатита /- дата приоритета 14.08.2007; опубл. 30.07.2008.
4. Лазебная М.А., Колобов Ю.Р., Гребцова Е.А., Колобова Е.Г. Способ синтеза нанокри-сталлического анионзамещенного гидроксилапатита / НОУ-ХАУ №76 от 21.06.2012.
ELECTROKINETIC CHARACTERISTICS OF THE NATIVE AND SILICON-SUBSTITUTED HYDROXYAPATITE
*M.A. Garafutdinova, **Yu.R. Kolobov, **E.A. Grebtsova, **E.G. Kolobova
*Sakhalin State University, Lenin St., 290, Yuzhno-Sakhalinsk, 693008, Russia, e-mail: [email protected]
**Centre of nanostructural materials and nanotechnologies, Koroleva St., 2ab, Belgorod, 308034, Russia, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract. The change of the electrokinetic potential of nano-sized colloidal particles of hydro-xyapatite as well as the hypothesis about the structure of electric double layer in hydroxylapatite and its changing during the synthesis when pH changes are investigated. Isoelectric point at pH = 9,0 is determined. It has been shown that the introduction of SiO|- -groups in hydroxyapatite crystal-lattice reduces zeta-potential of colloidal particles in aqueous suspension up to x = 1, 5.
Key words: electrokinetic potential, hydroxylapatite, silicon-substituted hydroxyapatite.
