CC BY
17
УДК 54.057
Ахметшин Э.А., Туманова Т.С.
ВЛИЯНИЕ АМИНОКИСЛОТ НА СИНТЕЗ ГИДРОКСИАПАТИТА В ОБМЕННЫХ РЕАКЦИЯХ С НЕТОКСИЧНЫМИ РЕАГЕНТАМИ
Ахметшин Эдуард Анварович, ассистент кафедры химии и технологии кристаллов. ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9; 4966945@mail.ru
Туманова Татьяна Сергеевна, студентка 4 курса бакалавриата факультета технологий неорганических веществ и высокотемпературных материалов; tanya-tumanova20@mail.ru
Твердые ткани зуба не обладают способностью к регенерации, поэтому исследования по их восстановлению непосредственно в ротовой полости человека актуальны. Предложенный способ синтеза по реакции Nci2HPO4-12H20+Ca(HCO3)2+CaCO3 позволяет получить гидроксиапатит, но он не обладает биоидентичностью из-за отсутствия белковой матрицы. В работе была найдена критическая концентрация мицеллообразования L - аргинина - 0,09 масс. %, проведены синтезы гидроксиапатита в присутствии глицина и L - аргинина. Наибольший выход гидроксиапатита - 41,4% наблюдается в реакциях при содержании глицина в системе равном 0,4 масс. % и 40,6% при 0,85 масс. % L - аргинина.
Ключевые слова: гидроксиапатит, зубная эмаль, аминокислоты, регенерация, мицеллообразование.
EFFECT OF AMINO ACIDS ON SYNTHESIS OF HYDROXYAPATITIS IN EXCHANGE REACTIONS WITH NON-TOXIC REAGENTS
Akhmetshin E.A., Tumanova T.S.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The hard tissues of the tooth do not have the ability to regenerate, therefore, studies on their restoration directly in the human oral cavity are relevant. The proposed synthesis method by the reaction Na2HPO412H2O + Ca (HCO3) 2 + CaCO3 makes it possible to obtain hydroxyapatite, but it does not possess bioidentity due to the absence of a protein matrix. The work found the critical concentration of micelle formation of L - arginine - 0.09 wt. %, syntheses of hydroxyapatite were carried out in the presence of glycine and L - arginine. The highest yield of hydroxyapatite - 41.4% is observed in reactions with a glycine content in the system equal to 0.4 wt. % and 40.6% at 0.85 wt. % L - arginine. Key words: hydroxyapatite, tooth enamel, amino acids, regeneration, micelle formation.
Введение
Зубные ткани представляют собой биокомпозитный материал, где минеральная составляющая образована сонаправленно ориентированными кристаллами гидроксиапатита, которые находятся в органической матрице. При этом зубные ткани каждодневно подвергаются разрушающим воздействиям, которые могут привести к повреждению зубных тканей, что в последствии может привести также к заболеваниям внутренних органов, однако способность организма к регенерации зубной эмали существенно ограничены и не позволяют восстановить поверхностный слой эмали. На данный момент не существует технологии, позволяющей регенерировать зубную эмаль непосредственно в ротовой полости с помощью безопасных для человеческого организма реагентов. Отдельными авторами предлагается технология, позволяющая реминерализовать твердые зубные ткани в ротовой полости, однако конечным синтезируемым продуктом является брушит (CaHPO4•2H2O) [1], который не является аналогом гидроксиапатита, входящего в состав минеральной составляющей зубной эмали, так как существенно уступает ему в физико-химических свойствах.
Минеральная матрица зубной эмали состоит преимущественно из гидроксиапатита
[Са10(РО4)б(ОН)2], а также карбонат-апатита
[Са1о(РО4)б(СаСОз)2], хлорапатита ^10^04)6(0)2], фторапатита [Calо(P04)б(F)2], карбоната кальция, карбоната магния. Органическая матрица представлена эмалевыми протеинами: энамелинами, амелогенинами, амелобластинами и тафтелинами. Они характеризуются высоким содержанием глицина, серина, аспарагиновой и других аминокислот. Функция органической матрицы заключается в адсорбции минеральных веществ, что приводит к образованию кристаллов апатита определенной морфологии вокруг эмалевых протеинов [2].
В центре публикации находится ортобиогенный фосфат - гидроксиапатит, который образуется в организме человека. Биогенный гидроксиапатит является полным аналогом минеральной части костной ткани человека, также он регулирует обмен кальция и фосфора в организме. При этом биогенный гидроксиапатит содержит химические элементы в таких же ионный формах, в которых они находятся в организме человека. Биогенный гидроксиапатит не вызывает реакции отторжения при введении в организм, активирует остеогенез (образование новой костной ткани), усиливает пролиферативную активность остеобластов (заживление костных переломов) и стимулирует процессы репаративного остеогенеза в месте введения. Также он задерживает развитие воспалительной реакции в костной ране.
После заполнения костных полостей биогенный гидроксиапатит не затвердевает, а замещается полноценной костной тканью. Биогенный ГАП относится к малотоксичным веществам, не вызывает побочных действий [3]. Биогенный гидроксиапатит является объектом тщательного изучения и синтезирования.
Экспериментальная часть
Аминокислоты могут образовывать
мицеллоподобные структуры, которые впоследствии могут влиять на морфологию синтезирующихся кристаллов гидроксиапатита. Критическая константа мицеллообразования (ККМ) аминокислот была определена с помощью кондуктометрического метода. Этот метод основан на измерении концентрационной зависимости электропроводности растворов. В ходе эксперимента были приготовлены 0,4 масс. % растворы глицина и Ь - аргинина. Была измерена электропроводность исходного раствора. Далее раствор разбавлялся дистиллированной водой в 1,5 раза и измерялась электропроводность. Всего было проведено 16 измерений для раствора глицина и 16 измерений для раствора Ь - аргинина. Электропроводность раствора глицина не изменялась при разбавлении при данном рН, из чего можно сделать вывод, что в растворе глицина не происходит мицелообразования в данных условиях. Для раствора Ь - аргинина результат представлен ниже. На основе измеренных значений был построен график зависимости электропроводности раствора от массовой концентрации (рис 1.). По графику была определена ККМ Ь - Аргинина, которая составила 0,09 масс. %
Гидроксиапатит может быть получен в результате ионообменной реакции. За основу эксперимента было принято взаимодействие натрия фосфорнокислого двузамещенного 12-водного со смесью гидрокарбоната кальция и карбоната кальция [4,6]. Гидрокарбонат кальция был получен методом барботирования углекислого газа через раствор карбоната кальция. Также было проведено 2 серии экспериментов в присутствии аминокислот: глицина и Ь - аргинина в различных соотношениях по массе. За реперную реакцию принята «чистая» реакция без
участия аминокислот, так как в раннее проделанных работах в данной реакции получен наибольший выход гидроксиапатита [5].
Рис. 1. Зависимость электропроводности раствора L - аргинина от массовой концентрации.
Рассчитанная по стехиометрии реакции навеска Na2HPO4-12H2O растворялась в 150 мл дистиллированной воды, далее она смешивалась с рассчитанным и отмеренным объемом смеси Са(НСОз)2 + СаСОз. В течении эксперимента измерялся pH полученного раствора: сразу после смешивания, через час и через 24 часа для контроля состояния реакции. Далее полученный осадок осаждался и высушивался. В сериях экспериментов с аминокислотами к полученному раствору добавлялась навеска аминокислоты, растворенная в дистиллированной воде. Полученные порошки были проанализированы рентгенофазовым методом на приборе Inel X-ray difractometer EQUINOX 2000 (Таблица 1, таблица 2, таблица 3). Также осадки были проанализированы методом растровой электронной микроскопии.
По результатам рентгенофазового анализа построены графики зависимости выхода гидроксиапатита от массового содержания аминокислот в реакционной системе (рис. 2, рис. 3).
Таблица 1. Реперная реакция.
Время измерения рН, ч Выход, %
Реакция М/V 0 1 24
ГАП CaCO3 Доп. фазы
Na2HPO4- 12H2O+Ca(HCOз)2 +CaCOз 20г: 19 мл 8,2 9 9 56,2 7,8 NaPO3 - 13,6 Na3PO4 - 9,7 CaHPO4 - 10,7
Серия 1. Синтез ГАП в системе Na2HPO4- 12ШО+Са(НСОз)2 + СаСОз + NH2 —СН2 —COOH (глицин)
Таблица 2. Изменение рНрастворов во времени и фазовый состав полученного вещества в присутствии глицина.
Массовое содержание глицина, % М/У Время измерения рН, ч Выход, %
0 1 24
ГАП СаСОз Доп. фазы
0,4 20г : 19мл : 0,8г 8,6 9 9,3 40,6 14,3 ШРО3 - 17,8 Ш3РО4 - 7 СаНРО4 - 20,3
0,8 20г : 19мл :1,5г 8,5 8,5 9 38,8 9,9 ШРО3 - 35,9 Ш3РО4 - 6,7 СаНРО4 - 1,1 ШРО3КН3 - 7,6
1,6 20г : 19мл: 3г 8,9 8,6 8,8 15 11,7 ШРО3 - 37,4 Ш3РО4 - 4,8 СаНРО4 - 9,4 Брушит - 21,6
В таблице представлены результаты синтезов с наибольшим выходом гидроксиапатита.
Серия 2. Синтез ГАП в системе ^НРО^ 12Н20+Са(НС0з)2 + СаСОз + КН-С(Ш2)КН(СН2)зСН(ЧН2)-СООН (Ь - Аргинин)
Таблица 3. Изменение рН растворов во времени и фазовый состав полученного вещества в присутствии Ь -
аргинина.
Массовое содержание L -аргинина, % М/У Время измерения рН, ч Выход, %
0 1 24
ГАП СаСО3 Доп. фазы
0,85 20г : 19мл : 1,75г 8,3 8,5 8,9 41,4 10,2 ШРО3 - 6,2 Ш3РО4 - 40,3 Брушит - 1,9
1,7 20г : 19мл :3,5г 8,2 8,5 8,5 22,4 28,6 ШРО3 - 6,9 Ш3РО4 - 24,8 СаНРО4 - 17,8
3,4 20г : 19мл :7г 8,4 8,2 8,5 34,4 16,4 ШРО3 - 16 Ш3РО4 - 2,6 СаНРО4 - 30,7
В таблице представлены результаты синтезов с наибольшим выходом гидроксиапатита.
50 45 ¡Я 40 н
5 35 я 30
и
§ 25
Ч 20
I 10
5 0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Массовое содержание глицина,%
Рис. 2. Зависимость выхода гидроксиапатита от массового содержания глицина в реакционной системе.
40,6 -------
14/£ 15 12,8
50
45
^ 40 га
| 35 га
га 30 х и
§ 25 о.
| 20
=1 15 о
§ 10 ей
5 0
01234567 Массовое содержание Ь - Аргинина, %
Рис. 3. Зависимость выхода гидроксиапатита от массового содержания Ь - аргинина в реакционной системе.
41,4
34,4
1 \22.l 25,2
8,1
Растровая электронная микроскопия полученного гидроксиапатита показала различия в морфологии кристаллитов (рис.4). В реперной реакции без участия аминокислот кристаллиты гидроксиапатита представляют собой агломераты из субмикронной фракции хлопьевидной, округлой формы. В реакции с
участием глицина в количестве 1,6 масс. % кристаллиты приобретают призматическую, более вытянутую форму. Таким образом
продемонстрировано влияние аминокислот на морфологию кристаллитов гидроксиапатита.
SEM HY; 5.0 kV WD; 7.00 mm | VEGA3TESCAH SEM HV: 5.С kV WD: S.&4 mm VEGAS TESCAN
Vk W ПЕ1- е. ЕЙ | iii Del: SE ~ ("vi View field: 6,77 цт □et: SE 2 ||ГЛ
SEM MAG; 80.7 ks Date(mUfï); 04Î15IÏ1 РХТУ SEM MAG: 82.0 lue Date(mMfy): 04/Ш21 РХТУ
а) б)
Рис. 4. SEMгидроксиапатита: а - полученного по реакции Na2HPÜ4l2H2Ü+Ca(HCÜ3)2+CaCÜ3, 80700х; б -полученного по реакции NaHPÜ4- 12H2Ü+Ca(HCÜs)2 + CaCÜs + NH2 —CH2 —COOH с содержанием глицина
1,6 масс. % в реакционной системе, 82000х.
Выводы:
1) Критическая концентрация мицеллообразования для L - Аргинина в водных растворах была найдена кондуктометрическим методом и составила 0,09 масс.%.
2) Во всех проведенных синтезах был получен гидроксиапатит в количестве от 8,6% до 56,2%.
3) Максимальный выход гидроксиапатита в количестве 41,4% наблюдается при 0,4 масс. % содержания глицина в системе и 40,6% при 0,85 масс. % содержания L - аргинина.
4) Продемонстрировано влияние присутствия аминокислот на морфологию кристаллитов гидроксиапатита.
Список литературы
1. Пат. 2 272 661 Российская Федерация МПК A61Q 11/00 A61K 8/18. Зубная паста для лечебно-профилактической обработки эмали зубов и способ обработки эмали зубов / С.А. Холодов; заявитель и патентообладатель С.А. Холодов. - № 2005108034/15; заявл. 22.03.2005; опубл. 27.03.2006.
2. Боровский Е. В., Леонтьев В. К. Биология полости рта. М. - Мед. Книга; Н. Новгород: Изд-во НГМА, 2001
3. Шашкина Г.А., Сорец В.Ф. Гидроксиапатит биогенный - аналог минеральной части костной ткани // Медицина экстремальных ситуаций. 2017. №1 (59). - С. 101-104.
4. Akhmetshin ED & Vorobyova YD, 2019. "Prospects for Regeneration Solid Tooth Tissues by Synthesis of Biocompatible Hydroxyapatite in Reactions with Non-Toxic Components," Biomedical Journal of Scientific & Technical Research, Biomedical Research Network+, LLC, vol. 23(1), pages 17105-17109, November.
5. Zhibarev, A.M., Akhmetshin, E.A. & Zharikov, E.V. Synthesis of hydroxyapatite for bioactive coatings. Russ. J. Inorg. Chem. 58, 1408-1411 (2013).
6. Пат. 2 505 479 Российская Федерация МПК A61K 6/033 C01B 25/32 C01F 11/00. Способ получения гидроксиапатита / Ахметшин Э.А., Жариков Е.В., Жибарев А.М.; заявитель и патентообладатель Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева. -№ 2012127068/05; заявл.: 28.06.2012; опубл. 27.01.2014.
