Исследование свойств карбонатзамещенного гидроксиапатита кальция Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 546.185:541.18

Е.В. Цыгановкина*1, М.А. Орлов2

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9

2Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия

119991, Москва, Ленинский проспект, 31 * e-mail: cyganovkina zhenka@mail.ru

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КАРБОНАТЗАМЕЩЕННОГО ГИДРОКСИАПАТИТА КАЛЬЦИЯ

В ходе синтеза композиционных материалов (КМ) на основе карбонат замещенного гидроксиапатита кальция (КГА) из водных растворов разработан метод направленного синтеза биосовместимых материалов. Проведена оценка влияния ионов карбоната на характеристики ГА с использованием методов физико-химического анализа (химического, РФА, ИКС, ТДГ, СЭМ, ПЭМ) проведена оценка влияния условий синтеза и состава КМ на размеры и морфологию кристаллов ГА. В условиях in vitro определена растворимость ГА-КМ и проанализированы возможные последствия взаимодействия карбоната и КМ с нативными тканями.

Ключевые слова: карбонатгидроксиапатит, композиционные материалы, кость, фосфаты кальция, растворимость

Проблема создания новых перспективных материалов дня тканевой инженерии особенно актуальна в последнее время, поскольку население мира стремительно стареет, а большинство проблем со здоровьем проявляются у человека на рубеже 60-летнего возраста [1]. На сегодняшний момент наиболее распространенными биоматериалами являются различные фосфаты кальция, к главным из которых относятся апатиты кальция Са10(ZO4)X2 (ZO4) - 1-3-валентные анионы PO43", SЮ44", SЮ42" и др.; Х - 1-2-валентые анионы F-, О-, OH-, С032- и др.) и композиты на их основе [2]. Способность к замещениям в анионной и катионной подрешетках апатитов и происходящая из этого изменчивость структурных характеристик и физико-химических свойств является объектом многочисленных исследований. Таким образом, целью настоящей работы является синтез и изучение свойств карбонатзамещенных ГА. Карбонат-ион - один из ионов, содержащихся в кости в наибольшем

количестве (от 2,3 % до 8 % в зависимости от возраста кости) [3].

Синтез композиционных материалов проводился осаждением из водного раствора в системе Са(ОН)2-CaCO3-H3PO4-H2O при 37° С. Для анализа свойств полученных КМ были использованы методы физико-химического анализа и измерение растворимости ГА, входящего в состав КМ.

На основании РФА показано, что образуются композиты на основе ГА и карбоната кальция с размерами кристаллов, приведенными в таблице 1. Показано, что с увеличением содержания карбоната кальция, размеры кристаллов уменьшаются (рис.1).

Результаты РФА КГА свидетельствуют об образовании в процессе синтеза стехиометрического ГА гексагональной сингонии. Рассчитанные параметры элементарной ячейки ГА близки к значениям для эталонного стехиометрического ГА (по данным .ГСРОБ № 9-432: а = 9,418 А; с = 6,881

А).

Таблица 1. Размеры гексагональных нанокристаллов ГА параллельно (С|| ) и перпендикулярно (С^- ) оси С композитов

ГА + СаСОЗ (0,1/ 0,5/ 1/ 2/ 5 вес. %) синтезированных в термостате

№ п/п Содерж. CaCOs в КМ, масс. % Состав композита Параметры элементарной ячейки Параметры блока Коши Среднеквадратичная микродеформация Гаусса

а, A с, A С^, нм С1, нм С11, % с1, %

1 0,1 Ca1o(PO4)5,9(CO3)o,1 (OH)2-5H2O 9,4o51 6,88o9 26,7 13,5 o,361 o,655

2 0,5 Ca1o(PO4)5,5(CO3)o,5(OH)2-4H2O 9,4o42 6,8797 25,1 11,5 o,334 o,561

3 1 Ca1o(PO4)5(COs)1(OH)2-3H2O 9,4o51 6,88o5 24,3 12,o o,366 o,651

4 2 Ca!o(PO4)3(CO3)2(OH)2-5H2O 9,4o91 6,8774 23,1 11,6 o,4o9 o,8o2

5 5 Ca1o(PO4)1(COs)5(OH)2-4H2O 9,4o89 6,8721 2o,7 11,8 o,388 o,97o

си

щщ с^

0 1 2 3 4 5

Номер образца

Рис. 1. Размеры гексагональных нанокристаллов ГА параллельно (С|| ) и перпендикулярно (С^- ) оси С композитов чистого ГА(0), ГА + СаС03 (0,1/ 0,5/ 1/ 2/ 5 вес. %) синтезированных в термостате.

Измерение растворимости КМ показало, что с ростом содержания карбоната кальция, растворимость имеет тенденцию к увеличению (табл. 2, рис. 2).

Таблица 2. Растворимость по Са2+ композитов ГА + CaCO3 (0,1/ 0,5/ 1/ 2/ 5 вес. %) синтезированных в

0 1 2 3 4 5

Номер образца

Рис. 2. Растворимость по Са2+композитов чистого ГА(0), ГА + СаС03 (0,1/ 0,5/ 1/ 2/ 5 вес. %) синтезированных в термостате.

Исследование растворимости свидетельствует о том, что во всех опытах независимо от концентрации CaCO3 в исходных смесях после завершения реакции синтеза равновесные жидкие фазы содержат незначительное количество ионов Са2+ = 0.0002 г-ион/л и PO42"= 0.00012 г-ион/л. При выбранных условиях синтеза ионы кальция и фосфат-ионы практически полностью переходят в твердую фазу.

термостате

Состав образца Растворимость по Са2+,[ммоль/л]

ГА-0,1% CaCOs 0,060

ГА-0,5% CaCOs 0,06Э

ГА-1% CaCOs 0,066

ГА-2% CaCOs 0,068

ГА-5% CaCOs 0,069

Цыгановкина Евгения Владимировна, студентка 1 курса магистратуры факультета Естественных наук РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Орлов Максим Андреевич, лаборант-исследователь, лаборатория химии легких элементов и кластеров ИОНХ РАН, Россия, Москва.

Литература

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

2. Данильченко С.Н. Структура и свойства фосфатов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения // Вюник СумДУ. Серiя Фiзика. Математика. 56 мехашка, 2007. № 2. С. 103-110.

3. Филиппов Я.Ю., Климашина Е.С., Путляев, В.И. и др. Получение композиционных материалов на основе карбонатзамещенного гидроксиапатита // Перспективные материалы, 2011. - Т.12. - С.224-231.

Tsyganovkina Evgenia Vladimirovna*1, Orlov Maxim Andreevich2

1D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.

2N.S. Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia. *e-mail: cyganovkina_zhenka@mail.ru

INVESTIGATION OF THE PROPERTIES OF A CARBONATE SUBSTITUTED CALCIUM HYDROXYAPATITE

Abstract

During the synthesis of composite materials (CM) based on the carbonate-substituted calcium hydroxyapatite (CHA) from aqueous solutions developed a method for the directed synthesis of biocompatible materials. Evaluation of the effect of carbonate ions on the characteristics of HA with physico-chemical analysis methods (chemical, XRD, IR, TDG, SEM, TEM) assessed the influence of the synthesis conditions and the composition of the CM on the size and morphology of the HA crystals. In in vitro conditions defined the solubility HA-CM and analyzed the possible consequences of interaction between carbonate and CM to the native tissue.

Key words: carbonated hydroxyapatite, composite material, bone, calcium phosphate, solubility.