CC BY
8
УДК 546.185:541.18
Захаров НА., Орлов М.А., Коваль Е.М., Шелехов Е.В., Киселёв М.Р.
ВЛИЯНИЕ ЖЕЛАТИНЫ (Ж) НА ОСАЖДЕНИЕ ГИДРОКСИАПАТИТА КАЛЬЦИЯ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ В СИСТЕМЕ CaCh-(NH4)2HP04-NH3^ -H2O
Захаров Николай Алексеевич, д.ф.-м.н., гл. н. с., e-mail: zakharov@igic.ras.ru Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия 119991, Москва, Ленинский пр., д.31;
Орлов Максим Андреевич, студент ОЗ-ЗО «Российский химико-технологический университет им. Д.И.
Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9
лаборант, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
Коваль Елена Михайловна, н.с., Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН Шелехов Евгений Владимирович, к.ф.-м.н., ст.н.с., НИТУ «МИСиС» Москва, Россия 119991, Москва, Ленинский пр. 4;
Киселёв Михаил Романович, к.ф.-м.н., ст. н. с., Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва, Ленинский проспект, 31, корп. 4 Москва, Россия
Определены условия образования наночастиц гидроксиапатита кальция Саю(РО4)б(ОН)2 (ГА) в ходе совместного осаждения солей кальция, фосфора и желатины (Ж) из водного раствора состава CaCh-(NH4)2HPO4-NH3^-H2O (250С), содержащего 0.05; 0.1; 0.15; 0.2 мас. % Ж. Полученные в ходе синтеза органоминеральные композиты (ОМК) ГА/Ж идентифицированы методами физико-химического анализа и установлены взаимосвязи состав - структура - свойства. Ключевые слова: гидроксиапатит, желатина, композит, синтез, свойства
INFLUENCE OF GELATIN (G) ON CALCIUM HYDROHYAPATITE PRECEPITATION FROM WATER SOLUTIONS IN SYSTEM CaCh-(NH4bHPO4-NH3-G-H2O
Zakharov N.A.1, Orlov M.A.12, Koval E.M.1, Sheleckov E.V.3, Kisilev M.R.4
1 Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
2 Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
3 NITU "MISiS", Moscow, Russia
4 Frumkin Institute of physical chemistry and electrochemistry of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia Formation conditions of calcium hydroxyapatite Са10(РО4)б(ОН)2 (HA) nanoparticles in corse of calcium and phosphorus salts and gelatin (G) coprecepitation from water solution of composition CaCl2-(NH4)2HPO4-NH3-G-H2O, that contains 0.05; 0.1; 0.15; 0.2 w.% G determined. Obtained in corse of synthesis organomineral composites (OMC) HA/G was identify by physical and chemical methods of analysis and composition - structure - properties connections was estimated.
Keywords: hydroxyapatite, gelatin, composite, synthesis, properties
Введение
Гидроксиапатит кальция Саю(РО4)б(ОН)2 (ГА) и его фосфатные производные являются аналогом неорганической компоненты костной ткани млекопитающих и являются основой для получения медицинских препаратов для изготовления костных имплантатов [1]. Существенную роль в образовании костной ткани, природного наноразмерного органоминерального композита (ОМК), играет его органическая компонента - коллаген [2]. В последние годы для моделирования состава костной ткани и процессов кальцификации нативных тканей используются биополимеры, включая природные биополимеры. Одним из наиболее перспективных для использования в этих целях биополимером является желатин (Ж), близкий по составу к коллагену костной ткани [3,4]. Ж является смесью тропоколлагеновых цепей и их фрагментов. Он содержит глицин (~27%), пролин (~16%), оксипролин (~14%), глутоминовую кислоту (~12%), аргинин (~9%), лизин (5%). Элементный состав Ж (мас. %) содержит: N - 17,518,8; С - 48,7-51,5; Н - 6,5-7,2; Б - 0,3-0,7; Н2О - ~15.
Благодаря наличию в Ж кислых карбоксильных и основных аминогрупп он имеет амфотерный характер.
Сообщается об определении условий образования наночастиц ГА (НКГА) в ходе совместного осаждения солей кальция, фосфора и желатины (Ж) из водного раствора состава CaCh-(NH4)2HPO4-NH3^-H2O (250С), содержащего 0.05; 0.1; 0.15; 0.2 масс. % Ж, получении в ходе синтеза ОМК ГА/Ж, идентификации их методами физико-химического анализа и установлении взаимосвязей состав -структура - свойства.
Экспериментальная часть
Для синтеза использовали водные растворы CaCl2, (NH4)2HPO4, аммиака и уксуснокислый 1% раствор Ж (тип А, фирма "Sigma").
Концентрация (NH4)2HPO4 в ходе синтеза составляла 0,05моль/л. Отношение компонентов в исходных смесях: ni=CaCl2/(NH4)2HPO4=1.67; 1.7. Значение рН 10.1-10.3. Содержание Ж в исходных смесях выбирали: Сжел. (мас.%) = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2,
соответствующих продуктам синтеза с обозначениями I, II, III, IV. Условия синтеза, соотношение компонентов П1=СаСЪ/(КН4)2НРО4, значения рН и время перемешивания смесей (14 суток) соответствовали приведенным ранее [5]. Образовавшиеся продукты синтеза представляли собой студенистые осадки, которые отфильтровывали, промывали дистиллированной водой до рН 7, высушивали на воздухе перед анализом. После высушивания на воздухе продукты синтеза затвердевали до твердости, сопоставимой с твердостью костной ткани и керамики. По окончании синтеза в равновесных жидких фазах определяли
содержание ионов кальция и фосфата, и измеряли рН. По результатам анализа жидких фаз рассчитывали мольное соотношение П2=Са2+/РО43- в твердых фазах. Кальций определяли комплексонометрически по методу вытеснения с использованием комплесоната цинка и эриохрома черного Т в качестве индикатора [6], фосфор - весовым хинолинмолибдатным методом. Методы физико-химического анализа включали также рентгенофазовый анализ (ДРОН-4 (Си Ка - излучение), инфракрасную спектроскопию, термический анализ (ДТГ, ДТА), электронную микроскопию (СЭМ, ПЭМ).
Таблица 1. Остаточные концентрации и состав твердых фаз в системе: СаС12-(ЫН4}НР04-№Нз-Ж-Н20 (250С) *.
Обозначение Сжел. в исх. смеси, % рН Найдено в р-ре, 103ион/л Рассчитано в тв. фазе, П2 Брутто - формула
Са2+ РО43-
ГА - 10,2 0,1 отс. 1,67 Саю(РО4)6(ОН)2-6Н2О
I 0,05 10,3 0,05 - 1,67 Саю(РО4)6(ОН)2-хН2О-уЖ
II 0,1 10,1 0,1 - 1,67
III 0,15 10,3 1,45 - 1,67
IV 0,2 10,3 1,5 - 1,67
*В исходных смесях: -(КЩ)2НРО4 - 0,05моль/л; П1= СаСЪ/(КН4)2НРО4; В твердых фазах: П2= Са2+/ РО43-.
Результаты анализа свидетельствуют о том, что в системе СаС12-(КЩ)2НРО4-КНз-Ж-Н2О (250С) при П1=1.67, 1.7; рН 10,1-10,3 и концентрации Ж Сжел=0,05 - 0,2 мас.% в образуются ОМК ГА/Ж с брутто-формулой Саю(РО4)б(ОН)2- х ШОуЖ.
Химический и элементный анализ синтезированных соединений показал, что выделяющиеся в твердые фазы кроме основных компонентов (кальция и фосфора), содержат также азот и углерод, входящие в состав Ж. Отметим, что при П1=1.67, рН 10.2 и Сжел = 0.1 мас. % Ж наиболее осаждалась наиболее полно (процент осаждения 92)
(табл. 2). Увеличение концентрации Ж в исходной смеси (Сжел = 0,15 - 0,2 мас. %) приводит лишь к незначительному увеличению содержания желатины в композитах (табл. 2).
НКГА в составе ОМК ГА/Ж демонстрировали размытые дифрактограммы, характерные для нанокристаллов фосфатов и были вытянуты вдоль гексагональной оси с. С ростом содержания Ж в составе ОМК размеры НКГА лишь незначительно изменялись как в направлении оси с, так и перпендикулярно ей.
Таблица 2. Результаты элементного анализа содержания N, С, Н в составе ОМК ГА/Ж.
Обозначение Содержание, масс. % Содержание Ж в ОМК ГА/Ж * П3, %**
N С Н
I 0.0 2.95 0.53 3.89/5.12 76
II 1.57 5.11 0.7 8.98/9.76 92
III 1.65 5.43 0.7 9.17/13.96 65.7
IV 1.68 5.45 0.83 9.35/17.88 52.5
* - числитель - найдено, знаменатель - вычислено (при содержании в желатине в среднем 18% К); ** - п3 -осаждение желатины из жидкой фазы в твердую, %.
Таблица 3. Кристаллографические и морфологические характеристики НКГА в составе ОМК ГА/Ж.
Обозначение а, А с, А Размер блока Коши, нм*
С -С
I 9,425 6,883 26,0 11,0
II 9,427 6,881 25,0 15,4
III 9,430 6,883 23,7 12,0
IV 9,426 6,878 24,5 12,4
Саю(РО4)б(ОН)2-6Н2О 9,426 6,882 27,7 13,1
* Параллельно (С) и перпендикулярно (-С) гексагональной оси С.
Колебательные спектры ИКС согласуются с результатами рентгеновского анализа,
свидетельствуя об образовании карбонизированного НКГА с характерными полосами поглощения в области структурных группировок РО43-, гидроксила ОН- и адсорбированной воды.
Термический анализ свидетельствует об образовании устойчивого до 3500С продукта, теряющего органическую компоненту выше этой температуры.
Заключение
Результаты позволяют сделать вывод о возможности направленного синтеза ОМК ГА/Ж состава Саю(РО4)б(ОН)2- х ШОуЖ в области концентрации Ж Сжел = 0,15 - 0,2 мас. % с зависящими от содержания Ж структурными параметрами НКГА, формой и размерами кристаллов.
Полученные данные свидетельствуют об образовании в ходе простых для реализации синтеза и обработки полученных продуктов материалов, представляющих интерес для применения в медицинских целях в качестве костных имплантатов.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИОНХ РАН в области фундаментальных научных исследований.
Литература:
1. Dorozhkin S. V. Biocomposites and hybrid biomaterials based on calcium orthophosphates // Biomatter. -2011. - V1:1. P. 3-56;
2. Jean A., Engelmayr Jr. G. C. Anisotropic Collagen Fibrillogenesis Within Microfabricated Scaffolds:
3. Implications for Biomimetic Tissue Engineering // Adv. Healthcare Mater. - 2012, -V. 1. P. 112-116.
4. Вейс А. Молекулярная химия желатина - М.: Пищевая промышленность. 1971. - 478 с.
5. Джафаров, А.Ф. Производство желатина - М.: Агропромиздат. 1990. - 284 с
6. Шварценбах Г., Флашка Г. Комплексонометрическое титрование. - М.: Химия. - 1970. - С. 172.
