Научная статья на тему 'Состав и свойства модифицированных ионами натрия фосфатов кальция, полученных из прототипов синовии'

Состав и свойства модифицированных ионами натрия фосфатов кальция, полученных из прототипов синовии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
385
55
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФОСФАТЫ КАЛЬЦИЯ / БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЖИДКОСТИ / РЕЗОРБЦИЯ / РАСТВОРЕНИЕ / КИНЕТИКА / CALCIUM PHOSPHATES / BIOLOGICAL FLUID RESORPTION / DISSOLUTION / KINETICS

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Герк С. А., Шевченко А. Е., Замула С. В., Голованова О. А.

На основе прототипа синовиальной жидкости человека при варьировании содержания ионов натрия и кальция в модельном растворе синтезированы фосфаты кальция, содержащие гидроксиапатит, октакальций фосфат и витлокит. Показано, что увеличение концентрации катионов натрия приводит к образованию фаз преимущественно состоящих из витлокита. Получены кинетические закономерности растворения образцов в ацетатном буферном растворе в зависимости от содержания ионов натрия в модельном растворе.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Герк С. А., Шевченко А. Е., Замула С. В., Голованова О. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Composition and properties of modified ion sodium phosphate calcium derived from the prototupe synovial fluid

Based on prototype human synovial fluid by varying the content of sodium ions and calcium ions in model solution synthesized calcium phosphate containing hydroxyapatite oktakaltsy whitlokite phosphate. It is shown that increasing the concentration of sodium cations leads to the formation of phases mostly represented vitlokite. The kinetic laws dissolving samples in acetate buffer, depending on their phase composition and the content of sodium ions in the mother liquor model.

Текст научной работы на тему «Состав и свойства модифицированных ионами натрия фосфатов кальция, полученных из прототипов синовии»

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2016. № 3. С. 59-63. УДК 54.056, 544.01, 543.42

С.А. Герк, А.Е. Шевченко, С.В. Замула, О.А. Голованова

СОСТАВ И СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИОНАМИ НАТРИЯ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ПРОТОТИПОВ СИНОВИИ*

На основе прототипа синовиальной жидкости человека при варьировании содержания ионов натрия и кальция в модельном растворе синтезированы фосфаты кальция, содержащие гидроксиапатит, октакальций фосфат и витлокит. Показано, что увеличение концентрации катионов натрия приводит к образованию фаз преимущественно состоящих из витлокита. Получены кинетические закономерности растворения образцов в ацетатном буферном растворе в зависимости от содержания ионов натрия в модельном растворе.

Ключевые слова: фосфаты кальция, биологические жидкости, резорбция, растворение, кинетика.

Введение

В настоящее время неотъемлемой частью передовых исследований в области материаловедения, биологии и медицины является разработка биоматериалов на основе фосфатов кальция (ФК) [1-4]. В идеальном случае такой имплантат должен постепенно растворяться в среде организма, выполняя при этом свои опорные функции, а на его месте формироваться новая костная ткань. В этой связи ключевой характеристикой материала является его способность резорбироваться, то есть растворяться в среде организма. Традиционно применяемый гидроксиапатит (ГА) - Саю(РО4)б(ОН)2, обладает наименьшей среди фосфатов кальция растворимостью [4].

Существуют два подхода, позволяющие улучшить резорбцию кальций-фосфатных материалов: (а) переход к фосфатам кальция с меньшим чем у ГА отношением Са/Р<1,67 (синтез одно-, двух- и полифазных фосфатов кальция приводит к увеличению растворимости почти на порядок); (б) модификация химического состава, связанная с заменой катионов и анионов ГА другими ионами, например катиона Ca2+ на однозарядные катионы щелочного металла, например Na+ и K+. Применение второго подхода при высокотемпературном твердофазном синтезе позволяет получить резорбиру-емую in vivo керамику за счет присутствия фазы СаК(или Na) PO4 (ренанит). Проблема влияния ионов щелочных металлов на состав и свойства фосфатов кальция, получаемых методом осаждения из растворов, в литературе отражена не достаточно полно.

Цель работы: синтез фосфатов кальция из прототипов синовиальной жидкости (синовии) человека при варьировании содержания ионов натрия в модельном растворе, изучение фазового состава и резорбции полученных твердых фаз.

Объекты и методы исследования

Синтез ФК осуществлялся из прототипа синовиального раствора, соответствующего по ионно-электролитному составу, рН (7,40±0,05) и ионной силе синовиальной жидкости человека при пятидесяти кратном пересыщение по ионам Са2+ и НРО42- [5]. В ходе эксперимента в модельном растворе варьировали концентрации ионов натрия и кальция по следующей схеме: одновременно увеличивали исходную концентрацию ионов натрия и

* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантами РФФИ (проект № 16-33-00535, № 1529-04839) и Президента РФ (проект № СП-933.2015.4).

© Герк С.А., Шевченко А.Е., Замула С.В., Голованова О.А., 2016

уменьшали исходную концентрацию ионов кальция на 20-60 масс. % (соотношение Собщ(№а+//Со6щ(Са2+/ возрастало в 1,5; 2,5 и 4 раза). Скорость проливания раствора, содержащего анионы к раствору с катионами кальция и магния составляла 5 мл/мин. Корректировку кислотности среды проводили 10 масс. % раствором HCl после полного смешения компонентов. Кристаллизация твердой фазы осуществлялась при 20-23 °С в течение 7 суток. По истечению указанного времени, осадки отделяли от раствора фильтрованием, сушили при 80 °С, взвешивали и далее исследовали с помощью группы физико-химических методов.

Рентгенофазовый анализ полученных порошков проводили на дифрактометре ДРОН-3. Идентификация пиков на дифрактограммах осуществлялась с помощью картотеки JCPDS, программных пакетов Crystallogra-phica Search-Match и DifWin4.0. Содержание присутствующих фаз в образцах определяли по методу корундовых чисел (метод Чанга, программа Crystallographica Search-Match). ИК-спектры осадков регистрировали на спектрофотометре «ФТ-02». Пробы готовили прессованием в таблетки с KBr. Морфологию образцов изучали с помощью оптических микроскопов: стереоскопического - МС-2 ZOOM и бинокулярного - XSP-104.

Для моделирования активной фазы резорбции порошков остеокластами проводи-

лось динамическое растворение образцов (масса навески 0,2000 г) при постоянном перемешивании в ацетатном буфере (pH = 5,5) при комнатной температуре (20-22 °С). Через каждую минуту в определенном интервале времени (т = 0-50 мин.) с помощью прямой потенциометрии фиксировали значение рН и рСа в растворе (иономер И-160МИ). Полученные зависимости обрабатывали в программе SygmaPlot 12.5 по методике, предложенной в работах [6; 7].

Результаты и их обсуждение

С помощью РФА установлено, что с ростом массовой доли №+ в исходном модельном растворе образуются твердые фазы, содержащие более растворимые ФК чем ГА (табл. 1). Так, при 20 %-ом повышении концентрации данных катионов образуется двухфазный осадок (рис. 1), представленный октакальций фосфатом (Са8(HPO4)2(PO4)4 ■ 5H2O, № 79-423) и примесью ГА (Са10(ГО4уОН)б, № 73-293). Дальнейшее увеличение содержания №+ в исходном растворе способствуют образованию магнийсодержа-щего трикальций фосфата (ТКФ) - витлокита (Саl8Mg2H2(PO4)l4, 70-2064), который близок по характеристикам и свойствам р-трикаль-ций фосфату [4]. Образец, синтезированный

при максимальной концентрации стоит только из витлокита.

Na+

со-

Рис. 1. Дифрактограммы образцов, синтезированных из исходного модельного раствора (1) и при увеличении содержания ионов натрия на 20 (2); 40 (3) и 60 (4) масс. %

Характеристика синтетических образцов

Таблица 1

Модельный раствор № образца С (Na+), масс. % Фазовый состав Содержание фаз, масс. % Произведение растворимости (рПР при 37 °С) [8; 9]

Исходный 1 100 ГА 100 117,2

Избыточное 2 +20 ОКФ ГА 98 2 95,9 117,2

содержание катионов Na+ 3 +40 Витлокит ГА 59 41 29,5 117,2

4 +60 Витлокит 100 29,5

Полученные результаты свидетельствуют об ингибирующем действии ионов натрия на кристаллизацию ГА. Возможно, это связано с тем, что эффективный ионный радиус кальция (0,99 А) близок к радиусу натрия (0,98 А), и поэтому ионы натрия легко встраиваются в структуру ГА, нарушая стабильность кристаллической решетки, и как следствие происходит снижение кристалличности данной фазы. В результате наблюдается осаждение метастабильных по отношению к ГА твердых фаз - ОКФ и витлокита.

На ИК-спектрах образцов (рис. 2) отмечены полосы поглощения колебаний связей группировок атомов, присутствующих в структуре идентифицированных твердых фаз. Пикам, характерным для карбонатсо-держащего ГА и витлокита соответствуют валентные колебания V Н2О - 3440-3400 см-1; деформационные колебания Н-О-Н в Н2О -1680-1610 см-1; асимметричные валентные колебания из Р-О в РО43- - 1090-1030 см-1; деформационное колебание и4 О-Р-О в РО43- -605-564 см-1. Наличие дублета асимметричных валентных колебаний связи С-О в СО32-^3СО32-) - 1480-1410 см-1 и деформационного колебания О-С-О в СО32- СО32-) - 875879 см-1 указывает на механизм замещения фосфатных тетраэдров карбонат-ионами в структуре ГА по В-типу [4]. Данный тип замещения характерен для биогенного ГА, в том числе апатита костной ткани человека. Увеличение интенсивности дублета карбонатных групп твердых фаз, полученных из модельных растворов, косвенно свидетельствует об увеличении их содержания в структуре ГА, что согласуется с данными РФА о

снижении кристалличности полученных образцов.

Присутствие ОКФ в образце (рис. 2, ИК-спектр 2), полученном из модельного раствора при массовой доли ионов натрия 20%, подтверждают максимумы поглощений при 1033 и 560 см-1 (валентные колебания связей Р-О в группах НРО42- и РО43- ОКФ).

Данные РФА и ИК-спектроскопии согласуются с морфологическими особенностями синтезированных образцов. Частицы порошка, состоящего только из ГА (рис. 3а), представляют собой округлые агрегаты, построенные из кристаллитов основного фосфата кальция.

С увеличением содержания ионов натрия в модельном растворе наблюдается закономерное увеличение размеров агрегатов, вероятно за счет наличия в составе осадков октакальция фосфата (рис. 3.2, 4.1) и витлокита (рис. 3.3-3.4, 4.2). Известно, что кристаллы данных фаз близки по морфологии к ГА, при этом октакальций фосфат кристаллизуется в виде шарообразных агрегатов, состоящих из тонких пластинок [7] (рис. 4.1), а ТКФ имеет вид овалов (сфер) или кругов [7-10] (рис. 4.2).

Наличие в составе осадков более растворимых фаз, чем ГА подтверждают результаты, полученные при изучении их биоактивности. При растворении в ацетатном буферном растворе образцов, синтезированных при избыточном содержании катионов натрия, наблюдается рост концентрации ионов кальция с увеличением концентрации добавки (рис. 5).

4Ш> 4300 5000 5500

Частота колебаний, см 1 Рис. 2. ИК-спектры образцов, синтезированных из исходного модельного раствора (1) и при увеличении содержания ионов натрия на 20 (2); 40 (3) и 60 (4) масс. %

(3) (4)

Рис. 3. Морфология частиц образцов, синтезированных из исходного модельного раствора (1) и при увеличении содержания ионов натрия на 20 (2); 40 (3) и 60 (4) масс. % (160 кратное увеличение, микроскоп МС-2 ZOOM)

(1) (2) Рис. 4. Морфология частиц образцов, синтезированных при увеличении содержания ионов натрия в модельном растворе на 20 (1) и 60 (2) масс. % (200 кратное увеличение, микроскоп XSP-104)

Для определения скорости растворения осадков все кинетические кривые проанализированы с помощью регрессионного анализа (программный пакет Sygma Plot 12.5). Установлено, что процесс растворения порошков - стадийный процесс. На начальном участке кривых (до 540 с) зависимость концентрации ионов кальция в растворе от времени C(t) = —lgCc 2+ описывается линейной функцией (участок кривой I). Истинная скорость для линейной зависимости определяется как тангенс угла наклона прямой (табл. 2). Из данных табл. 2 следует, что при увеличении массовой доли ионов натрия в модельном растворе образуются наиболее растворимые образцы. Максимальная скорость растворения характерна для образца, синтезированного при наибольшем содержании ионов натрия, фазовый состав которого

я 4,7 U " в.

4,6 4,5 4,4 4,3 4,2

1 I

• 1 ■ 2

* 3 X 4

I—-...

I ХХ*хххххххххххххххххххх

500

1000

1500

2000 2500 Время, с

Рис. 5. Зависимости рСа от времени растворения образцов, синтезированных из исходного модельного раствора (1) и при увеличении содержания ионов натрия на 20 (2); 40 (3) и 60 (4) масс. % (римскими цифрами обозначены этапы растворения образцов)

представлен наиболее растворимой фазой - № 4 содержит 41 масс. % в своем составе витлокитом (образец № 4; табл. 1 и 2). Поро- трудно резорбируемую фазу ГА (табл. 1 и 2). шок № 3 растворяется с минимальной скоростью, так как в отличие от образцов № 2 и

Таблица 2

Характеристики растворения образцов в ацетатном буфере на линейном участке прямой (I, рис. 5) в зависимости от содержания ионов натрия в модельном растворе

№ C(Na+), масс. % R2 Уравнение прямой Оист, С

1 100 0,9955 C(Ca2+) = 0,5556 • 10-5 ± 1,3202 • 10-7 + (9,8666 • 10-9 ± 3,2441 • 10"10)- t 9,8666 • 10-9 ±3,2441 • 10-10

2 +20 0,9649 C(Ca2+) = 2,6510 • 10-5 ± 4,8371 • 10-7 + (1,9871 • 10-8 ± 1,4326 • 10-9) •t 1,9871 • 10-8 ± 1,4326 • 10-9

3 +40 0,9768 C(Ca2+) = 4,4451 • 10-5 ± 2,3961 • 10-7 + (1,2194 • 10-8 ± 7,096510-10) • t 1,2194 • 10-8 ± 7,096510-10

4 +60 0,9649 C(Ca2+) = 3,8480 • 10-5 ± 6,0354 • 10-7 + (2,6378 • 10-8 ± 1,7875 • 10-10) t 2,6378 • 10-8 ± 1,7875 • 10-10

Следующая стадия процесса растворения порошков в ацетатном буфере характеризуется экспоненциальной зависимостью (рис. 5):

Щ = Со + Ст • exp (М), где Со - условная начальная концентрация, Ст - концентрация насыщения, Ь - коэффициент, t - время.

Данная зависимость соответствует кинетике первого порядка, поскольку скорость изменения количества «активных центров растворения» в растворяемом образце пропорциональна их числу в данный момент [6; 7]. Количественной мерой скорости изменения концентрации ионов кальция со временем на экспоненциальном участке кривой можно рассматривать как начальную скорость растворения. Из данных табл. 3 видно, что условная начальная концентрация ионов кальция при растворении образцов возрастает (значение рСа уменьшается) с увеличением содержания ионов натрия в модельном растворе, в данных случаях образуются двухфазные образцы ОКФ:ГА (98 и 2 масс. %), витлокит:ГА (59 и 41 масс. %) и однофазный порошок витлокит (100 масс. %).

Таблица 3

Характеристики растворения образцов в ацетатном буфере на участке (II, рис. 5) в зависимости от содержания ионов натрия в модельном растворе

C(Na+), масс. % R2 Уравнение

100 0,9096 рСа = 4,4982 + 4,5001 e-5 '10"6(

+20 0,8638 рСа = 4,4391 + 4,4318 e-5 10"6(

+40 0,8847 рСа = 4,2934 + 4,2908 e-5 10"6(

+60 0,8714 рСа = 4,2862 + 4,2807 e-5 10"6(

Заключение

В ходе эксперимента установлено, что при варьировании концентрации ионов натрия и кальция в модельном растворе синовиальной жидкости человека образуются двухфазные порошки, состав которых представлен ОКФ или/и витлокитом и ГА. Показано, с увеличением концентрации ионов натрия в составе синтезированных образцов возрастает содержание витлокита. Изучены

кинетические закономерности растворения порошков в ацетатном буфере. По степени резорбируемости (растворения) при рН = 5,5 синтезированные порошки фосфатов кальция можно ранжировать следующим образом: ГА (100 масс. %); ОКФ:ГА (98 и 2 масс. %); витлокит:ГА (59 и 41 масс. %) и витлокит (100 масс. %).

Полученные результаты могут быть использованы при разработке и изучении биосовместимых материалов, востребованных в разных областях медицины (травматологии, ортопедии, хирургии и т. д.).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Аль-Зубайди Асаад Абдулхуссейн Мозан / Исследование физико-химических свойств ме-талл-замещенного нанокристаллического кальций-дефицитного гидроксиапатита : дис. ... канд. физ.-мат. наук. Воронеж, 2014. 110 с.

[2] Климашина Е. С. Синтез, структура и свойства карбонатзамещенных ГА для создания резор-бируемых биоматериалов : автореф. дис. ... канд. хим. наук. М., 2011. 23 с.

[3] Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М. : Наука, 2005. 204 c.

[4] Евдокимов П. В., Путляев В. И., Иванов В.К., Гаршев А. В., Шаталова Т. Б., Орлов Н. К., Климашина Е. С., Сафронова Т. В. Фазовые равновесия в системах трикальциевый фосфат - смешанный фосфат кальция и натрия (калия) // Журнал неорганической химии. 2014. Т. 59. № 11. С. 1462-1471.

[5] Голованова О. А., Лемешева (Герк) С. А., Измайлов Р. Р. Патент №2496150(379), опубл. 20.10.2013.

[6] Измайлов Р. Р., Голованова О. А. Биорезорби-руемость гранулированного композита на основе карбонатгидроксилапатита и желатина в средах с различными значениями рН // Вест. Ом. ун-та. 2015. № 2. С. 61-65.

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

[8] Dorozhkin S. V. Calcium orthophosphates // J. Mater. Science. 2007. Vol. 42. № 4. Р. 1061-1095.

[9] Вересов А. Г., Путляев В. И., Третьяков Ю. Д. Химия биоматериалов на основе фосфатов кальция // Рос. хим. журнал. 2004. Т. 48. № 4. С. 52-54.

[10] Вересов А. Г. Направленный синтез высокодисперсных материалов на основе гидроксилапа-тита: дис. ... канд. хим. наук. М., 2003. 148 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.