Синтез и оценка биоактивности фторсодержащего наногидроксиапатита Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, ФАРМАКОГНОЗИЯ

УДК 681.2

СИНТЕЗ И ОЦЕНКА БИОАКТИВНОСТИ ФТОРСОДЕРЖАЩЕГО НАНОГИДРОКСИАПАТИТА

В статье представлены результаты исследований по синтезу фторзамещенных гидроксиапатитов(Р-ГАП), были определены основные параметры элементарной ячейки образцов, полученных методом осаждения из водных растворов с различными степенями замещения. Оценка их биоактивности динамическим методом показала возможность применения Р-ГАП в качестве добавки в рецептуре фторсодержащих зубных паст. исследовательский

университет Ключевые слова: фосфаты кальция, биоапатит, нанораз-

е-таИ: troubitsin@bsu.edu.ru мерный гидроксиапатит, стоматология, фторсодержащая зуб-

ная паста.

Введение. В настоящее время перспективным направлением в медицинском материаловедении является разработка биоматериалов на основе фосфатов кальция для замены и восстановления поврежденных костных тканей. Костная ткань человека и животных, в том числе зубная ткань, в качестве минерального матрикса содержит биоапатит. Биоапатит по минеральному и химическому составам близок к гидроксиапатиту (ГАП), или точнее, к модифицированному гидроксиапатиту (МГАП), так как химический состав биоапатита описывается формулой Са10-х-у/2(НР04)х(С0з)у(Р04)б-х-у(0Н)2-х, где о 5x^2; 0^у<4 [1]. Содержание кальция, фосфора и фтора в костных тканях согласно [2-3] представлено в табл. 1.

Таблица 1

Основной элементный состав костных тканей человека

Элемент Массовое содержание, %

Эмаль Дентин Кость

Са 36,5 35,1 34,8

Р 17,7 16,9 15,2

Б 0,01 о,об 0,03

Считается, что уникальные свойства биоапатитов определяются их химическим составом, морфологией кристаллов и свойствами поверхности материалов. В последние годы основным методом, позволяющим максимально приблизить структуру и свойства синтетического гидроксиапа-тита к биоапатиту, является химическое модифицирование биосовместимыми катионами или анионами. Как правило, в качестве модифицирующих добавок выбирают соединения, содержащие элементы, входящие в состав естественной кости. Биоапатит содержит в своем составе К+, Ыа+, 2п2+, С032", Б-, С1", 8044", 8Ю44", поэтому в качестве модификаторов микроструктуры используют вещества, содержащие именно эти катионы и анионы. Было установлено, что подобное модифицирование структуры ГАП позволяет эффективно управлять биологической функцией кальций-фосфатных имплантатов, в частности регулировать скорость резорбции таких материалов при контакте с межтканевыми жидкостями [4]. Среди анионнозамещенных фосфатов кальция весьма

МЛ. ТРУБИЦЫН НГУЕН ДИНЬ ТЬИЕН

Белгородский

государственный

национальный

перспективным биоматериалом для стоматологических целей является фторсодержащий гидро-ксиапатит (Р-ГАП).

Основной причиной разрушения зубной эмали является нарушение биохимического и кислотно-щелочного балансов в полости рта, когда под влиянием бактерий и кислот начинает превалировать процесс деминерализации (рис. 1). Для восстановления поверхности эмали требуется проведение лечебно-профилактических мероприятий по усилению процесса реминерализации.

V

\

а

У " ^

7/

~ Л. *

¿31

Рис. 1. Деминерализация и ремииерализация на поверхности эмали

В настоящее время для профилактики и предотвращения возникновения кариеса зарубежные и отечественные производители предлагают фторсодержащие зубные пасты, где в качестве фторсодержащего компонента вводят ЫаР, БпБг, АШ3, а некоторые производители еще дополнительно вводят кальций-фосфатный компонент в виде синтетического гидроксиапатита. Вместе с тем, введение в рецептуру зубных паст фторсодержащего наноразмерного гидроксиапатита, по нашему мнению, может давать синергетический эффект, поскольку Р-ГАП наиболее близок к биоапатиту, формирующему эмаль зубов.

В данной статье представлены результаты исследований по синтезу фторзамещенных гид-роксиапатитов с разной степенью замещения и оценке их биологической активности (далее биоактивности).

Материалы и методы. Синтез вели в следующей последовательности: к насыщенному раствору гидроксида кальция добавляли стехиометрическое количество ЫН4Р. Затем прибавляли рассчитанное количество раствора ортофосфорной кислоты с определенной скоростью при интенсивном перемешивании. Процесс синтеза можно описать следующим уравнением:

юСа(0Н)2 + (6+х)Н3Р04 + х¥- = Са10(Р04)бРл<0Н)2-д: +хР04з+(18+х)Н20,

где х - степень замещения фторид-ионов в кристаллической структуре ГАП и составляла от 0,5 до 2,0.

Продукты синтеза после окончания процесса отстаивались до полного осаждения. Полученные осадки отделяли от маточного раствора фильтрованием, затем сушили в сушильном шкафу до постоянной массы. Для достижения наибольшей степени кристалличности и дополнительного удаления побочных продуктов реакции порошки термообрабатывали при 350°С в течение 2ч в муфельной печи. Полученные продукты синтеза представляют собой белые кристаллические порошки (рис. 2).

Рис. 2. Различные формы фторзамещенного ГАП, синтезированные авторами

Для оценки степени фазовой чистоты, параметров элементарной ячейки, степени кристалличности и размера кристаллов, а также пространственной группы синтезированных объектов применяли метод рентгенофазового анализа с использованием рентгеновского дифрактометра ARL X'TRA., также определяли удельную поверхность порошков методом низкотемпературной адсорбции и термодесорбции азота (метод БЭТ) на газо-адсорбционном анализаторе TriStar II 3020. Введение фторид-ионов в структуру элементарной ячейки гидроксиапатита дополнительно контролировали методом инфракрасной спектроскопии на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 6700 (Thermo Electron Corporation, США).

Были реализованы два варианта оценки биоактивности синтезированных образцов:

- «статический метод» - путем потенциометрического измерения активности ионов кальция по мере растворения материала в ацетатном буфере с рН= 4,5;

- специально разработанный «динамический метод», когда к суспензиям порошков гидроксиапатита с постоянной скоростью из бюретки добавляли малые порции соляной кислоты и непрерывно регистрировали значение рН гетерогенной системы [5].

Результаты и их обсуждение. На рис. 3 приведены ИК-спектры поглощения F-ГАП.

Рис. 3. ИК-спектр образцов ]'-1 А11

Из анализа спектров поглощения продуктов синтеза следует, что хотя все образцы имеют характерные полосы валентных колебаний группы ОН- (в интервале 3530-3571 см1), однако ослабление их интенсивности указывает на процесс замещения групп ОН- другими функциональными группами. Интенсивность полосы колебаний группы Р04з- у всех образцов остается неизменной, следовательно, фосфат-анионы в структуре ГАП не подвергаются замещению. Все фторсодержа-щие апатиты имеют характерные полосы валентных колебаний группы Б- в диапазоне 900-1100 см1. Это свидетельствуют об успешном и преимущественном замещении гидроксильных групп на фторид-ионы.

Intenslty t'eps}

20.0000 40.0000 eo.oooo eo.oooo

МП 1 «й пятя Stiiiiplc пате i .nmmonl Uni«

1 И САР ГАМ fimm 1 » 1 «y 1144 II -11

2 PI (J.G F ЧдАР rat» U 5> LiAH.KHM •лип» 1 tZ L> 1 ем Ut-11-11

I Г -г»лг 1 Г Г>Л Г 1 «4W •Wf. 1/2 Г>Тм

4 и 1.5 F QАР.rat» 15F QAP.iaw 5rnm 1 /2.D 1 a- □5-11-11

и 7 F ГэАР •.«*•/ ? F ПАР i^m ВГГИН i/P О!mm fIF-1 1-11

Рис. 4. Дифрактограммы РФА образцов F-ГАП

Порошковые дифрактограммы образцов Г-ГАП представлены на рис. 4.

Результаты обработки данных рентгенофазового анализа приведены в табл. 2 и на рис. 5.

Таблица 2

Физико-химические характеристики образцов

Р-ГАП

Коэфф. замещения (х) О 0,5 1,0 1,5 2,0

Постоянная решетки (А) а=Ъ 9,41 9,42 9,40 9,0 9,39

с 6,86 6,89 6,89 6,90 6,91

Кристалличность, % 91,00 90,84 91,6 91,81 91,74

Средний размер кристалла (нм) 65,5 4,35 31,3 35,7 26,1

Рис. 5. Зависимость кристалличности (а) и размера кристалла (Ъ) образцов ]'-1 А11

от коэффициента замещения

Из представленных данных видно что, внедрение фторид-ионов приводит к искажению кристаллической решетки ГАП, особенно в случае образца Г-ГАП с коэффициентом замещения 1,5, где наблюдается наибольшее различие значений постоянных ячейки модифицированного и нормального ГАП (а=Ь=9,0 нм и а=Ь=9,41 нм соответственно). Важно также отметить факт уменьшения среднего размера кристалла у всех образцов Г-ГАП примерно в 2 раза, по сравнению с не-модифицированным ГАП. При этом в исследованном интервале замещения Г-ионов выявлено особенно резкое уменьшение размера кристаллов у Г-ГАП со степенью замещения 0,5, что требует дополнительных исследований.

80

70

V. 60

№ 50 ■

С 40

с? 30 •

20

10 •

0 -1-

Р-ГАП

^т 4

0.5 1.0 1.5

Коэфф Замещения

100

250

9) о 200

С

150

А,

Си 100

50

0 ■

Р-ГАП

0.5 10 1.5

Ко'эфф Замлцения

20

а Ъ

Рис. 6. Зависимость удельной поверхности (а) и среднего размера пор (Ъ) образцов ]'-1 А11

от коэффициента замещения

В целом приведенные характеристики синтезированных образцов наноразмерного гидро-ксиапатита хорошо согласуются с литературными данными [2, 4-6]. Среди полученных образцов F-ГАП максимум кристалличности достигается у Fi.5-rAn, что определяется главным образом условиями термообработки и диспергирования продуктов после синтеза.

Результаты определения удельной поверхности, объема и среднего размера пор представлены на рис. 6.

Из представленных результатов следует, что внедрение фторид-ионов в кристаллическую решетку ГАП приводит к увеличению удельной поверхности и среднего размера пор почти в 1,5-2 раза по сравнению с нормальным гидроксиапатитом. Это может положительно отразиться на сорбционных свойствах ГАП. При этом удельная поверхность образцов, как правило, увеличивается с повышением коэффициента замещения.

На рис. 7 представлены результаты исследования биоактивности in vitro.

7 Бпоактпвность но шм >ITV I/I vitro

6.s ^; ; • " t > > .

6 • • • . \ 2

• • •

1 • . J П

X 5.5

—

tout*

S • ГАП

■ »-г ал о, а

- Г Г АО 1.0

4 5

■ f на» | %

• . • fMA*70

* • «

0 OS 1 15 2 2.5 3

V(HC1) (м. 1)

Рис. у: Оценка биоактивности образцов F-ГА! I

Графики, приведенные на рис. 7, свидетельствуют о наличии прямолинейной зависимости рН = ДУнсО для всех синтезированных образцов ГАП. При этом график изменения рН для нормального гидроксиапатита идет параллельно практически всем графикам образцов фторсодержа-щего ГАП, что указывает на сопоставимую скорость растворения изученных образцов. Это, в свою очередь, позволяет говорить о близких значениях биоактивности этих образцов независимо от степени замещения фторид-ионами. Исключением является только график растворения Г-ГАП со степенью замещения 1,5 по сравнению с таковым для немодифицированного состава. У него скорость растворения и, соответственно, биоактивность несколько ниже, что объясняется более совершенной кристалличностью.

Выводы. Образцы фторсодержащего наноразмерного гидроксиапатита, синтезированные методом осаждения из водных растворов, являются однофазными кристаллическими порошками и принадлежат к пространственной группе Р6з/т гексагональной системы. С использованием метода ИК-спектроскопии установлено, что, фторид-ионы преимущественно замещают позиции гидроксид-ионов в кристаллической решетке ГАП. Внедрение фторид-ионов приводит к искажению кристаллической решетки, что отражается на параметрах элементарной ячейки, особенно в случае образца Г-ГАП с коэффициентом замещения 1,5. Методом иг-уйго установлено, что биоактивность этих образцов не зависит от доли фторид-ионов.

Полученный модифицированный наногидроксиапатит может успешно использоваться в качестве комплексного фторсодержащего компонента в рецептуре зубных паст для повышения их эффективности противостоять деминерализации и кариесу.

Работа выполнена в рамках договора об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения № 13.G25.31.0006 от 07.09.2010г. «Биосовместимые композиционные и калъцийсодержагцие остеопластические и лечебно-профилактические материалы для медицины».

Литература

1. Вересов, А.Г. Направленный синтез высокодисперсных материалов на основе гидроксиапатита : автореф. дис. ... канд. хим. наук : 02.00.01 / А. Г. Вересов. - М., 2003. - 22 с.

2. Tschoppe, P. Enamel and dentine remineralization by nano-hydroxyapatite toothpastes / P. Tschoppe, L. Daniela Zandim, P. Martus, A.M. Kielbassa // Journal of dentistry. - 2011. - № 39. -P- 430-4373. Jiangling, L. Structural characterisation of apatite-like materials : dis. on metallurgy and materials /

L. .Jiangling - College of Engineering and Physical Sciences, University of Birmingham, UK. 2009. - 167 c.

4. Климаншна, E.C. Синтез, структура и свойства карбонатзамещенных гидроксиапатитов для создания резорбируемых биоматериалов : автореф. канд. хим. наук (02.00.01) / Е.С. Климаншна; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Меделеева. - М., 2011. - 23 с.

5. Трубицын, М.А. Физико-химические методы в оценке биоактивности кремнийсодержащего гидроксиапатита / М.А. Трубицын, Н.Г. Габрук, И.И. Олейникова, Ле Ван Тхуан, Доан Ван Дат // Международный журнал экспериментального образования. - 2012. - № 6. - С. 129-130.

6. Hae-Won, Kim. Nanofiber Generation of Hydroxyapatite and Fluor-Hydroxyapatite Bioceramics / Hae-Won Kim, Hyoun-Ee Kim // J Biomed Mater Res Pt В Appl Biomater. - 2006. - № 77 (2). - C. 323-328.

SYNTHESIS AND DEFINITION OF LATTICE PARAMETERS OF FLUORIDE NANO-HYDROXYAPATITE SAMPLES

Belgorod National Research University

MA.TRUBITSYN NGUYEN DINH CHIEN

In this article the synthesis and definition of lattice parameters of fluoride nano-hydroxyapatite (F-HAp) samples, which were synthesized by precipitation from aqueous solutions with different replacement rates, are conducted. Evaluation of their bioactivity by dynamic method suggests the possibility to use F-GAP as an additive to dental fluoride toothpastes.

e-mail: troubitsin@bsu.edu.ru

Keywords: Calcium phosphate, bioapatite, nano hydroxyapatite, stomatology, fluoride toothpaste.