Теоретическое обоснование формирования наноструктур в плазмонапыленном lа-содержащем покрытии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 615.46; 621.793

А.В. Лясникова

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР В ПЛАЗМОНАПЫЛЕННОМ LА-СОДЕРЖАЩЕМ ПОКРЫТИИ

Описаны механизмы антимикробного и антитромбоцитного действия лантана, внедренного в нанопоры плазмонапыленного гидроксиапатитового покрытия. Показана теоретическая возможность формирования наноструктурированного биокомпозиционного покрытия на основе гидроксиапатита, насыщенного лантаном. Установлена перспективность такого покрытия в качестве антимикробного и антитромбоцитного.

Наноструктуры, плазменное напыление.

A.V. Lyasnikova NANOSTRUCTURE FORMATION THEORETICAL GROUND IN PLASMA SPRAYED COATING WITH LA

The article describes antimicrobial and anticoagulation activities of La, which implanted into nanopores plasma sprayed hydroxyapatit coating. The theoretical possibility of formation of nanostructure bio-composition coating with hydroxyapatit and La is shown here. This coating will be perspective like antimicrobial and anticoagulation material.

Nanoctructure, plasma spraying.

Данное исследование, проведенное в ходе выполнения работ по гранту Президента РФ № МК-449.2008.8, было направлено на разработку теории формирования наноструктур в плазмонапыленном антибактериальном покрытии на основе гидроксиапатита и лантана, а также описание механизма антисептического и антикоагуляционного действия у данного покрытия.

Лантан, лантаноиды и их соединения обладают антисептическим действием, которое основано на образовании прочных комплексов La3+ с углеводами, аминокислотами, оксикислотами, нуклеотидами, фосфатидами, витаминами и т.д.

Эти комплексообразования приводят к нарушениям в синтезе пептидов и белков, а также к сбоям в работе основных биохимических циклов функционирования патологичных микроорганизмов. Кроме этого, катионы La3+ способны замещать катионы Са2+ и Mg2+, дезактивируя тем самым деятельность рибосом и митохондрий в цитоплазме микробов, а также ингибируя мембранно-связанную К+, Na+ - АТФ - азу, отвечающую за поддержание биоэлектрохимического потенциала покоя клеток микроорганизмов. По некоторым данным, наличие в электронных оболочках атомов и катионов лантаноидов f-электронов обусловливает образование магнитных микрополей, которые повышают фагоцитарную активность лейкоцитов крови [1].

Летальная антисептическая концентрация La3+, согласно ряду исследований, составляет величину, меньшую С* = 10_4 г/л.

Помимо антисептического лантан обладает и антитромбоцитным эффектом, основанным на ингибировании синтеза протромбина на поверхности тромбоцитов, что приводит к элиминированию ключевого фермента системы свертывания крови - тромбина и, следовательно, к устранению образования сетевого полимера - фибрина, являющегося основой тромбообразования. Кроме этого, La3+ вытесняет Са2+ из белковых факторов коагуляции [2].

Следствием антитромбоцитного действия в случае применения La-содержащего биокомпозиционного покрытия является улучшение трофики границы кость-имплантат, ускорение остеоинтеграции и предотвращение воспалительных осложнений.

Если применять хорошо водорастворимый треххлористый лантан Lad3 (точнее, семиводный кристаллогидрат LaQ3-7H2O), то после абсорбции его в нанопорах гидроксиапатитового порошка и последующей термообработки образуется секвиоксид лантана по реакции:

2LaCl3 + 3H2O о La2O3 + 6HC1 . (1)

Получаемые при этом нанотрубки из секвиоксида лантана при взаимодействии с плазмой крови активно (с выделением тепла) реагируют с водой, образуя малорастворимый гидроксид:

La2O3 + 3H2O о 2La (OHb . (2)

Химическое растворение последнего протекает по схеме:

La (OH)3 + 3Н+ о La3+ + 3H2O (3)

и пропорционально концентрации протонов СН в плазме крови [3]. Поэтому величина концентрации катионов La3+ в зазоре между костью и имплантатом может быть определена следующим образом:

Со = крСн т, (4)

где кр - константа скорости химического растворения гидроксида лантана.

Применяя модель «рыхлого квазикристалла» [4] для определения цитоплазменной концентрации La3+ в случае вегетативных форм патологичных микроорганизмов, можно записать:

_jL _ £Фо_

Ci = %£, • е 2*'• , (5)

где С0 - определенная выше концентрация La3+ в плазме крови; Ъ)1 - доля катионов La3+, затрачиваемая на антисептику вегетативных патологичных микробов; фа - потенциал электрической асимметрии биологической мембраны таких микроорганимов, который равен потенциалу покоя клетки микроба.

Подставляя в (5) значение фа и С0 из (4), получаем:

я

С =^кСн т • i^. (6)

^1 1 р н Сt (^) v '

Здесь величина D1 отвечает коэффициенту диффузии La3+ через биологическую мембрану вегетативного микроорганизма.

Если N - летальная концентрация катиона La3+ в цитоплазме микроба, то

летальное время контакта определяется в виде:

"1n IkC, <Ñt (0)

2D1

N (Ц1)

Это есть трансцендентное уравнение, решаемое численными методами.

Если СМ1 - концентрация патологичных вегетативных микробов в зазоре между костью и имплантатом, то скорость гибели этих микроорганизмов под воздействием катионов La3+ отвечает дифференциальному уравнению:

- dC± = (8)

ат

с начальным условием CM1 (т = 0) = C(^1; А - константа скорости гибели вегетативного микроорганизма, которую можно определить из соотношения:

C0 1

к = • -L (9)

1 Cmm т ЬМ1 Т1

* Т 3 +

где т1 относится к летальному времени контакта с катионами La , находящимися в плазме крови.

Подставляя величину C0 из уравнения (4) и интегрируя (8), получаем квадратичный

3+

закон антисептического действия La на вегетативные микроорганизмы:

Я 1 = Я?, -12к^АЛт2. (10)

Для споровых форм патологичных микроорганизмов имеем следующее выражение

3+

цитоплазменной концентрации катионов La :

=І;Д, • а 2, (11)

где ^2 - доля катионов Ьа3+, затрачиваемых на антисептику споровых патологичных микробов.

Для

содержащей плазмой крови имеем:

Для оценки летального времени контакта спорового микроорганизма с Ьа3+ -

л,22

1D2

ln

ЫА т2

К

(12)

трансцендентное уравнение, решаемое численными методами.

Здесь Б2 - коэффициент диффузии Ьа3+ через оболочку спорового микроба.

Если СМ2 - концентрация патологичных споровых микроорганизмов в зазоре между костью и имплантатом, то скорость гибели этих микробов под воздействием катионов Ьа3+ описывается дифференциальным уравнением:

лс'2 = «2С (13)

dx

с начальным условием CM2(т = 0) = C?2.

к2 - константа скорости гибели спорового микроорганизма, которую можно найти из соотношения:

C0 1

k2 = CM2 • 4, (14)

2 C mm _* v 7

M 2 2

где т2 определяется по уравнению (12).

Подставляя величину C0 из (4) и интегрируя (13), имеем квадратичный закон

3+

антисептического действия La на споровые микроорганизмы:

Я, 2 = Я02 -12 К 5 2 k,Nt т2. (15)

Можно предположить, что антикоагулянтный эффект связан с адсорбцией La3+ на пластинках тромбоцитов. Поэтому для оценки антитромбоцитного действия La3+ можно воспользоваться динамической изотермой адсорбции Лэнгмюра [1]:

@ = @^[1 - d-(ään+käin )т], (16)

к

2

где 0 < 1 - степень заполнения поверхности тромбоцита катионами Ьа3+; кадс, кдес -константы скорости адсорбции и десорбции Ьа3+, 0«, < 1 - стационарная степень заполнения.

Из динамической изотермы Лэнгмюра следует, что

1 , 0

т =------------------------ln

к,,- + к

1 -i:J- (17)

При 0«, < 0,2 справедлива стационарная изотерма адсорбции Генри в виде:

0Ш= Ё£$0 = к£3ЁяЙ{ т, (18)

где КГ - адсорбционная константа Генри и ^3 - доля катионов Ьа3+, затрачиваемая на антитромбоцитный эффект.

Если 0 - пороговое заполнение поверхности тромбоцита, оказывающее антикоагулянтное действие, то из вышеизложенного следует, что время достижения антитромбоцитного эффекта составит:

( с\* \

. (19)

* 1 і Тз =--------------------------ln

кл~ + ка~

0*

1 — *

Это трансцендентное уравнение может быть решено относительно т3 численными методами.

Если СТ - концентрация тромбоцитов в зазоре между костью и имплантатом, то скорость их инактивирования может определяться дифференциальным уравнением:

йС

к3^3С0

dx

с начальным условием CT (т = 0) = C0.

Здесь Д - исходная концентрация активных тромбоцитов и к3 - константа скорости инактивации тромбоцитов, определяемая по соотношению:

C0 1

k3 = C- • 4, (21)

3 C mm т* V 7

О l3

где NT - минимальная концентрация активных тромбоцитов, не вызывающая тромбообразования.

Подставляя величину C0 из уравнения (4) и интегрируя (20), получаем квадратичный закон инактивации тромбоцитов при адсорбции на них катионов La3+:

No = N°o - у2 к^Д т2. (22)

La-содержащие гидроксиапатитовые покрытия внутрикостных имплантатов должны обладать биоактивностью в сочетании с пролонгированным антисептическим и антикоагулянтным действием, основанным на медленной биокоррозии нанотрубок из гидроксида лантана в порах напыленных частиц гидроксиапатита, раздробленных на нанофрагменты плазменным термоударом [5]. Содержание вегетативных и споровых форм патологичных микроорганизмов, а также активных тромбоцитов в зазоре между костью и имплантатом убывает со временем по квадратичным законам и уменьшается с концентрацией катионов водорода в плазме крови.

В ближайшее время совместно с сотрудниками кафедры стоматологии детского возраста и ортодонтии Саратовского государственного медицинского университета планируется проведение микробиологических и лабораторных испытаний образцов с La-содержащими биоактивными покрытиями с целью установления их бактерицидного потенциала и безопасности для живых организмов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Химическая энциклопедия: в 3 т. / под ред. И.Л. Кнунянца. М.: Советская энциклопедия, 1988. Т. 1. 623 с.

2. Биофизика / Ю.В. Серянов, Л. А. Фоменко, А.Н. Суркова, А.И. Варакин. Саратов: СГТУ, 2007. 162 с.

3. Аксельруд Г. А. Растворение твердых веществ / Г. А. Аксельруд, А. Д. Молчанов.

М.: Химия, 1977. 272 с.

4. Райгородский Ю.М. Форетические свойства физических полей и приборы для

оптимальной физиотерапии в урологии, стоматологии и офтальмологии /

Ю.М. Райгородский, Ю.В. Серянов, А.В. Лепилин. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2000.

268 с.

5. Протасова Н.В. Управление формообразованием и свойствами при плазменном напылении биокомпозиционных покрытий дентальных имплантатов: дис. ... канд. техн. наук / Н. В. Протасова. Саратов, 2000. 209 с.

Лясникова Александра Владимировна - Lyasnikova Aleksandra Vladimirovna -

кандидат технических наук, доцент кафедры Candidate of Technical Sciences,

«Материаловедение и высокоэффективные Assistant Professor of the Department

процессы обработки» of «Material Engineering

Саратовского государственного and High-performance Manufacturing Processes»

технического университета of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 09.10.08, принята к опубликованию 10.12.08