CC BY
84
УДК 544.723 : 541.64 : 539.2
Т.П. Калмыкова1,4*, А.В. Северин2, П.Л. Иванов3, Ю.В. Костина4
1 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
2
Московский государственный университет имени Ломоносова. Химический факультет, 119991, Москва, Ленинские горы
3 Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова Российской академии наук, 117393 Москва, ул. Профсоюзная, 70
4 Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук, 119991 Москва, Ленинский пр., 29 * e-mail: taisia2906@rambler.ru
ГИАЛУРОНОВАЯ КИСЛОТА КАК АКТИВНАЯ СРЕДА СИНТЕЗА ГИДРОКСИАПАТИТА
Синтезированы биокомпозиты на основе гидроксиапатита и гиалуроновой кислоты. Влияние гиалуроновой кислоты как активной среды синтеза для получения синтетических биокомпозитов гидроксиапатита со структурой нанокристаллов близкой к нативной, доказано комплексом физико-химических методов: ИК-НПВО-микроскопией, спектроскопией динамического светорассеяния, ротационной вискозиметрией и др.
Ключевые слова: биоминеральные синтетические композиты, наногидроксиапатит, гиалуроновая кислота (гиалуронан)
Применение биокомпозитов на основе гидроксиапатита (ГАП) обеспечивает успешное замещение костной ткани и в первую очередь определяется воспроизведением основных характеристик природного костного матрикса, которое, в свою очередь, зависит от его трехмерной структуры и химического состава [1, 2]. ГАП активнее проявляет свои биологические функции при приближении размеров нанокристаллов к «нативным». В данной работе синтезирован новым способом и изучен ряд образцов биоминеральных композитов на основе ГАП с закономерно изменяющейся концентрацией компонентов; исследованы структурно-морфологические
характеристики этих композиций, получены реологические характеристики суспензий и показано влияние гиалуроновой кислоты как активной среды синтеза, позволяющей получить близкие к нативным кристаллы ГАП в композициях.
Синтез ГАП осуществляли по реакции: ЮСаО + 6Н3РО4 = Саю(РО4)6(ОН)2 + 8Н2О по методике [3]. В лабораторный реактор с рН-метрическим контролем и раствором ГК (гиалуронан, натриевая соль ГК) заданной концентрации при непрерывном перемешивании вводили навеску СаО. Смесь гомогенизировали в течение 5-10 мин до установления стабильного значения рН (~12). Затем в реакционную смесь подавали стехиометрическое количество ортофосфорной кислоты.
Характеристики полученных образцов приведены в табл.1.
Таблица 1. Условия синтеза и некоторые характеристики полученных образцов
Микрофотографии образцов демонстрируют существенное изменение морфологии и размера нанокристаллов ГАП по сравнению с морфологией и размерами ГАП, синтезированного в среде без
гиалуронана («чистый» ГАП). Результаты анализа функции распределения наночастиц образцов биокомпозитов ГАП-ГК по длине и ширине сопоставлены с теми же параметрами «чистого» ГАП, (рис. 1).
Рис. 1. Функции распределения по длине и ширине наночастиц «чистого» ГАП (1), и синтезированного в среде гиалуроновой кислоты различной концентрации и молекулярной массы: ГАП-ГК-3 (2); ГАП-ГК-2 (3); ГАП-ГК-4 (4); ГАП-ГК-5 (5) и ГАП-ГК низкомолекулярная (6).
Для поиска возможных объяснений разницы морфологической структуры наночастиц ГАП в зависимости от условий синтеза, методом ИК-НПВО микроскопии был проведен анализ
конформационных изменений в ГАП, синтезированном в растворах гиалуронана разной концентрации,. На рис. 2 приведены ИК-НПВО-спектры «чистого» ГАП и ГК в сравнении с ИК-НПВО-спектрами гидроксиапатита,
синтезированного в высокомолекулярной
гиалуроновой кислоте разной концентрации.
Образец Концентрация ГК, % (масс.) Образец Концентрация ГК, % (масс.)
ГАП-ГК-1 0.01 ГАП-ГК-4 0.1
ГАП-ГК-2 0.05 ГАП-ГК-5 0.2
ГАП-ГК-3 0.07 ГАП-ГКнм 0.1
Рис. 2. а) фрагменты ИК-НПВО-спектров образцов ГАП, синтезированных в ГК концентрации 0.01 (ГАП-ГК-1, 3), 0.05 (ГАП-ГК-2, 4), 0.1 (ГАП-ГК-4, 5) и 0.2 % (масс) (ГАП-ГК-5, 6) в сравнении с ИК-НПВО-спектрами «чистого» ГАП (1) и ГК (2). На врезке - ИК-НПВО-спектры образцов в том
же порядке; б) фрагменты ИК-НПВО-спектров образцов ГАП, синтезированного в ГК концентрации 0.01 (2), 0.05 (3), 0.1 (4) и 0.2 % (масс) (5) в сравнении со спектром ГК (1).
В средней области ИК-НПВО спектров исходных компонентов идентифицированы полосы поглощения смешанных колебаний PO гидроксиапатита (1022 см-1, валентные и деформационные колебания связей Р=О и Р-О), валентных колебаний С-О глюкопиранового кольца ГК (1030 и 1080 см-1) и карбоксилат-ионов СОО- (1600 и 1400 см-1) [4]. В ИК-НПВО-спектрах образцов ГАП, синтезированных в ГК с увеличением концентрации гиалуронана от 0,01 до 0,2 % (масс) максимум полосы поглощения колебаний РО-связи сдвигается в длинноволновую область, что является одним из признаков возможных взаимодействий между компонентами. Вторым признаком такого взаимодействия можно считать сдвиг максимума полос поглощения ионов СОО- (рис. 4б). В исходной ГК (кривая 1) максимумы полос поглощения ионов СОО- регистрируются при 1606 (с плечом при 1560) см-1 (антисимметричные колебания) и при 1410 (с плечом при 1320) см-1 (симметричные колебания). При синтезе ГАП в ГК оба максимума сдвигаются в коротковолновую область (1650 и 1460 см-1 соответственно). С точки зрения электронной теории и представлений Беллами и Уильямса [5], ослабление поляризации связи приводит к увеличению частот колебаний, то есть сдвигу максимума полосы поглощения в коротковолновую область. Усиление же поляризации связи, наоборот, приводит к сдвигу максимума в длинноволновую область. Можно утверждать, что при синтезе ГАП в 0,1 % растворе ГК происходит ослабление поляризации связи P-O и локализация электронной плотности на связи Р=О, то есть образование монодентатного комплекса, а при синтезе в ГК других концентраций - делокализация электронной плотности на всем анионе и образование
бидентатного комплекса [6]. Можно предполагать, что для ГК 0,1% карбоксилат-ионы координируются только с ионами Са2+, что при дальнейшем введении фосфатных групп в синтетическую среду вызывает перераспределение электронной плотности на связях 0-Р=0 в ГАП. В случаях с ГК другой концентрации происходит координация карбоксилат-ионов не только на катионы Са2+, но и на всю фосфатную группу ГАП, что приводит к делокализации электронной плотности на анионе и наблюдаемому в ИК-спектрах длинноволновому сдвигу максимума полосы поглощения. Другими словами, структура кристалла ГАП изменяется в зависимости от условий синтеза, то есть ГК выступает как активная среда синтеза биокомпозита.
Для сравнения устойчивости суспензий биокомпозита, полученного вышеописанным синтезом, и суспензий на основе «чистого» ГАП, два образца с одинаковой концентрацией твердой фазы смешивали с ГК до получения заданного концентрационного ряда. Полученные образцы разделили на две партии. Первую стерилизовали в автоклаве и в свою очередь разделяли на две группы: одну группу хранили в холодильнике, вторую - при комнатной температуре. Вторую партию образцов хранили в аналогичных условиях без предварительной стерилизации. На рис. 3 показаны результаты после 3 мес. хранения; точки-треугольники соответствуют нестабильным образцам (при хранении наблюдали выпадение осадка и уменьшение вязкости), точки-кружки - стабильным.
м
С к.
Д Ä
Л
I
М
гн_*
№
ГК. %
Рис. 3. Концентрационные ряды биоминеральных композиций на основе ГАП, синтезированного в среде ГК (а) и на основе «чистого» ГАП (б), полученные разбавлением исходного образца ГК до заданных
концентраций. Интервалы концентраций, при которых образцы стабильны, различаются для синтезированных в ГК биокомпозитов по сравнению с серией, полученной для «чистого» ГАП.
Реологические исследования стабильных суспензий проводили на ротационном вискозиметре Anton Paar Physica MCR-301 на рабочем узле «конус-плоскость» в режиме controlled rate и на вискозиметре «Реотест», также с использованием рабочего узла «конус-плоскость».
а
б
Кривые течения (рис. 4а) типичны для полимерных растворов: наблюдается участок наибольшей ньютоновской вязкости и так называемая структурная ветвь.
На протяжении структурной ветви вязкость снижается более, чем на 2 порядка. Стоит отметить отсутствие предела текучести, несмотря на то, что его выявлению было уделено особое внимание.
Зависимости модулей накопления (G ) и потерь (G', рис. 4б) также типичны для вязкоупругих полимерных систем. При малых частотах значения G''превышают таковые для G', с повышением частоты значения обоих модулей растут, но для G' - быстрее, чем для G'; и при частотах более 10 Гц вклад упругой составляющей в общий реологический отклик системы становится большим, чем вязкой.
Отсутствие предела текучести в сочетании с наблюдаемой стабильностью системы заставляет предположить, что основным фактором стабилизации суспензии ГАП в ГК является не структурно-механический, а адсорбционный, что подтверждает анализ данных ИК-НПВО-микроскопии о возможной переионизации, т.е. хемосорбции.
Калмыкова Таисия Петровна, магистрант 1 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Северин Александр Валерьевич, к.х.н., доцент кафедры радиохимии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия, Москва.
Иванов Павел Леонидович, инженер-исследователь Института синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН, Россия, Москва.
Костина Юлия Вадимовна, к.х.н, доцент, ведущий научный сотрудник Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, Россия, Москва.
Литература
1. Каназава Т. Неорганические фосфатные материалы / Пер. с японского. Под ред.: А.П. Шпака, В.Л. Карбовского. Киев.: Наукова думка, 1998. С. 17.
2. Панасюк А.Ф., Саващук Д.А., Ларионов Е.В., Кравец В.Н. // Биоматериалы для тканевой инженерии и хирургической стоматологии. 2004. № 1. С. 44. Ч. 1; № 2. С. 54. Ч. 2.
3. Галиуллина Л.Ф., Мазалева О.Н., Рудин В.Н., Салахов М.Х., Северин А.В., Силкин Н.И., Хайруллин Р.Н., Челышев Ю.А. // Ученые записки Казанского ун-та. Сер. Естественные науки. 2012. Т. 154. № 3. С. 127.
4. Bellamy L.J. The Infra-Red Spectra of Complex Molecules. London; New York: Methuen & Co. LTD; Willey, 1971.
5. Bellami L.J., Williams R.L. Infrared Spectra and Polar Effects. Dipolar Effects in a-Halogenated Carbonyl Compounds // J. Chem. Soc. 1957/ Part VII P. 4294.
6. Накамото К. ИК спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений. Пер. с англ. к.х.н. Христенко Л. В. под ред. д.х.н. проф. Пентина Ю. А. М.: Мир, 1991.
Kalmykova TaisiaPetrovna*, Severin Alexander Valerievich, IvanovPavelLeonidovich, Kostina Julia Vadimovna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Chemistry Department of Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia N. S. Enikolopov Institute of Synthetic Polymeric Materials of RAS, Moscow, Russia A.V. Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis RAS, Moscow, Russia
HYALURONIC ACID AS AN ACTIVE MEDIUM BY HYDROXYAPATITE SYNTHESIS Abstract
Biocomposites based on hyaluronic acid and hydroxyapatite were synthesized. Effect of hyaluronic acid as the active medium for the synthesis of synthetic hydroxyapatite biocomposites with the structure of nanocrystals close to native, were showed by complex physical and chemical methods: ATR-FTIR microscopy, transmission electron microscopy, spectroscopy dynamic light scattering, rotational viscometry
Key words: biomineral synthetic composites, nano hydroxyapatite, hyaluronic acid.
glliii'l,
Чвяета, Гц
Рис. 4. а) Зависимость вязкости от скорости сдвига для
системы 0,25% ГАП+ 1,5% ГК в воде при 20°С.; б) зависимости модулей накопления и потерь от частоты для системы 0,25% ГАП+ 1,5% ГК в воде при 20°С
