CC BY
25
УДК 666.266.6.016.2
Комаров М.И., Сигаев В.Н., Строганова Е.Е., Савинков В.И., Алексеев Р.О., Елфимов А.Б.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ И НАТРИЙ-БОРОСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
Комаров Максим Ильич1, студент бакалавр кафедры стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Сигаев Владимир Николаевич, д.х.н., проф., зав. кафедрой химической технологии стекла и ситаллов
Строганова Елена Евгеньевна к.т.х., доцент кафедры стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Савинков Виталий Иванович, к.т.н., с.н.с. Международной лаборатории функциональных материалов на основе стекла им. П.Д. Саркисова.
Алексеев Роман Олегович, студент магистр кафедры стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Елфимов Антон Борисович аспирант кафедрыстекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва ^-mail: max9651@vandex.ru
Получены тонкодисперсные порошки кальций-фосфатных и натрий-боросиликатных стёкол и изучено их поведение при термостатировании в режиме смены водной фазы и при кипячении в дистиллированной в воде. Полученные закономерности необходимы для разработки композиционных материалов медицинского назначения.
Ключевые слова: кальций-фосфатные стёкла, натрий-боросиликатные стёкла, биоактивные материалы, биодеградируемые материалы, медицина.
RESEARCH OF CALCIUM PHOSPHATE AND SODIUM-BOROSILICATE GLASSES IN WATER MEDIA
Komarov Maksim Il'ich1, Sigaev Vladimir Nikolaevich1, Stroganova Elena Evvgen'evna1, Savinkov Vitaliy Ivanovich1, Alekseev Roman Olegovich1, Elfimov Anton Borisovich1
1D. MendeleevUniversity of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
Calcium phosphate and sodium-borosilicate glasses were obtained. Reaseaching of behavior calcium phosphate and sodium-borosilicate glasses and its powders in water media to obtaining new bioactive powders for application in medicine.
Keywords: Calcium phosphate glass, Sodium borosilicate glass, Bioactive materials, biomaterials, solubility
Медицина - важнейшая область жизнедеятельности человека, в которой находят применение различные материалы, такие как стекло, ситаллы и керамика. Проблема поиска и создания новых медицинских материалов - это актуальная задача в настоящее время. Основные отрасли медицины, в которой применяются данные материалы, - стоматология, восстановительная и ядерная медицина и косметология [1].
Для оценки функциональных свойств современных материалов для восстановительной медицины, косметологии и адресной доставки лекарственных препаратов необходимо исследование их фазового и химического состава, биологических свойств и прочностных характеристик. Важнейшим показателем оценки пригодности таких материалов служит значение рН, формируемое в их присутствии в среде организма. Значения рН в среде в организме
человека варьируются в пределах 5,5-7,5 [1].
В настоящее время в разных областях медицины уже используют натрий-кальций-силикатные стекла Хэнча, кальций-фосфатные стекла и стеклокристаллические материалы, а также натрий-боросиликатные и иттрий-алюмосиликатные стекла. Важнейшими свойствами, которыми должны обладать стекла для медицины - быть биоактивными и биосвместимыми.
Ещё одно направление, где возможно применение биоактивных материалов, -косметология. В косметологии активно используются филлеры на основе гидроксиапатита. Основные требования к наполнителям: размер частиц и округлая форма, которая не оказывает травматического действия на окружающие ткани. В результате, частицы гидроксиапатита нужно подвергать дополнительной обрабтки.
Стеклянные микрошарики могут быть хорошей заменой гидроксиапатита в косметологических препаратах. В настоящей работе для исследования возможности использования в косметологии были выбраны стекла в системах СаО-Р2О5 и ^О^О^Ю^
Экспериментальная часть Составы стекол выбирали в соответствии с параметром, влияющим их химическую стойкость. В кальций-фосфатной системе это соотношение Са0/Р205, а в натрий-боросиликатной -соотношение оксидов кремния, бора и натрия. Варку кальций-фосфатныхи натрий-боросиликатных стекол проводили в лабораторной электрической печи в корундовых (кальций-фосфатные) и кварцевых (натрий-боросиликатные) тиглях емкостью 100 мл. Составы стекол и условия их варки представлены в таблице 1. Все стекла хорошо проварились и не имели видимых газовых или иных включений.
Помол стекол осуществляли в механической ступке марки Fritsch Ри^е1^ейе 2 и сухим помолом получали порошки с размерами частиц в интервале от 40-60 мкм. Для определения водостойкости была использована методика кипячения в дистиллированной воде при температуре 100°С навески стекла 1 г при соотношении вода: порошок стекла = 100:1. Кинетику растворения исследовали с помощью термостатирования в воде в течение 1, 3, 5 и 17 часов. при температуре 37 °С навески в 1 г при том же соотношении вода:стекло в режиме смены водной фазы. После испытаний в воде определяли массу навески и рН водной среды. Для сравнения показателей было использовано кальцийфосфатное стекло (КФ), разработанное ранее и опробованное в эксперименте на животных и при лечении заболеваний оториноларингологии[1].
Таблица 1 Составы натрий-боросиликатных и кальций-фосфатных стекол
Номер состава Содержание компонентов, мол.% Т °С А варки ^ Вид
SiO2 №20 В2О3 Р2О5 СаО А12О3
МББ-1 69,01 6,89 24,1 - - - 1450
NBS-2 67,9 8,39 23,71 - - - 1450 ■
NBS-3 70,12 5,39 24,49 - - - 1450
СА1Р-1 - - 5 сверх 100 45 50 5 1350 1
СА1Р-2 - - 5 сверх 100 50 45 5 1350
СА1Р-3 - - 5 сверх 100 55 40 5 1350
Исследование химической стойкости
тонкодисперсных порошков показало, что потери массы стекол в кальций-фосфатной системе увеличиваются от 26 до 57% при увеличении содержания в составе оксида фосфора, а рН среды при этом снижается от 5,8 до 2,7 (рисунок 1 (а)). В натрий-боросиликатнойсистеме потери массы уменьшаются от 78 до 59% с увеличением содержания оксида натрия в составе стекла, и рН среды повышается незначительно от 8,61 до 9,95 (рисунок 1 (б)).
В целом, потери массы при кипячении кальций-фосфатных стекол примерно в полтора раза больше, чем натрий-боросиликатных, что коррелирует с величинами рН растворов после кипячения.
Снижение температуры испытаний до 37°С подтвердило результаты определения химической стойкости. Основное отличие заключается в снижении величин потерь массы с увеличением продолжительности выдержки и более плавного изменения величины рН.
Е <0
ч
/
"X, /
dm. %
/
/ > N
/ . 1
- /
(а) содержание P.O., ыоп. %
pH
\
\ flm.%
\
э.оо
8,96 а.»
а.ао ^
8.75 &.70 S.&5
StD
(6) Содержание N^0, моль.%
Рисунок 1 Влияние состава кальций-фосфатных (а) и натрий-боросиликатных (б) стекол на потери массы и величин pH растворов после кипячения при 1000С
Так, рН растворов после выдержки порошков кальций-фосфатных стекол остается практически нейтральным, тогда как значения характерные для растворов после испытаний порошков натрий-боросиликатных стекол имеет выраженную щелочную среду (см. рисунки 2 и 3).
Рисунок 2 Влияние продолжительности термостатирования на потери массы стекол при 370С
Рисунок 3 Влияние продолжительности термостатирования на pH растворов при 37°С
Сравнение полученных данных по термостатированию с результатами характерными для стекла КФ, показало, что потери массы у КФ стекла ниже, чем у других стекол кальций-фосфатной системы, а рН стабилен во времени и практически не отклоняется от нейтрального значения (pH=7). Исходя из поставленных границ значений рН для материалов, предназначенных для использования в среде живого организма, можно считать кальций-фосфатные стекла, содержащие не более 50 мол.% оксида фосфора перспективными для использования в композитах для косметологии. Однако высокая растворимость натрий-боросиликатных стекол делает их перспективными для создания полых микросфер, необходимых для адресной доставки лекарственных препаратов к очагу заболевания.
Литература
1. E. E. Stroganova, N. Yu. Mikhailenko and O. A. Moroz glass-based biomaterials: present and future (a review)/ Glass and Ceramics Vol. 60, Nos. 9 - 10, 2003/ Translated from StekloiKeramika, No. 10, pp. 12 - 16, October, 2003.
2. Larry L. Hench,Delbert E. Day, Wolfram Ho'land and Volker M. Rheinberger, Glass and Medicine/International Journal of Applied Glass Science 1 [1] 104-117 (2010)
3. G.N. Atroshchenko and V. N. Sigaev, GLASSY MICROSPHERES AND THEIR APPLICATIONS IN NUCLEAR MEDICINE (REVIEW) Translated from StekloiKeramika, No. 11, pp. 3 - 12, November, 2015
