CC BY
17
ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСТРУКТУР В СТОМАТОЛОГИИ
И.А. Какорин, студент
Волгоградский государственный университет (Россия, г. Волгоград)
DOI:10.24412/2500-1000-2022-4-2-129-131
Аннотация. В работе представлено исследование взаимодействия молочной и муравьиной кислот с углеродной нанотрубкой и молекулой гидроксиапатита. Показана возможность использования УНТ в качестве защиты зубной эмали от воздействия агрессивных кислот. Описаны результаты установленных геометрических и электронно-энергетических характеристик процессов взаимодействия гидроксиапатита с кислотами. Теоретические расчеты выполнены с использованием модели молекулярного кластера и квантово-химического метода MNDO.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, зубная эмаль, гидроксиапатит, молочная кислота, муравьиная кислота.
В настоящее время в стоматологии используются различные виды стоматологических материалов. Одним из их существенных недостатков является образование на них налета и зубного камня, что ведет к образованию кариеса. Поэтому актуальным является поиск новых стоматологических материалов, обладающих лучшими свойствами, либо поиск способов модифицирования известных веществ для защиты зубов. Одним из возможных путей решения данной проблемы является способ введения в них различных добавок [2]. В качестве такой модифицирующей добавки можно использовать углеродные нанотрубки (УНТ), известные своими уникальными характеристиками [3].
Взаимодействие муравьиной и молочной кислот с гидроксиапатитом
Зубная эмаль (или просто эмаль) -внешняя защитная оболочка коронковой части зубов человека. Твёрдость зубной эмали достигается за счет наличия в ней неорганических веществ (до 97%), главным образом кристаллов гидроксиапатита (ГА) - Са10(РО4)б(ОН)2, модифицированного магнием, фтором, углеродом и некоторыми другими элементами. Гидрокси-апатиты очень восприимчивы к кислотам и начинают заметно разрушаться при рН < 4,5.
Процесс взаимодействия моделировался следующим образом: молекулы кислот приближались к модели молекулы гидрок-сиапатита с расстояния 2,8 А с шагом 0,1 А. Рассматривалось две различных ориентации кислот (рис. 1).
а б
Рис. 1. Ориентация кислот относительно УНТ: а) муравьиная кислота; б) молочная кислота
Пошаговое приближение кислот к гид-роксиапатиту позволило построить профиль поверхности потенциальной энергии данного взаимодействия (рис. 1).
Как видно процесс взаимодействия зависит от ориентации молекулы кислоты относительно молекулы гидроксиапатита (ГА). Рассмотрим ориентацию молекулы
муравьиной кислоты, при которой она взаимодействует атомом кислорода. На графике, нормированном на энергию системы на бесконечном расстоянии, хорошо прослеживается наличие энергетического минимума, соответствующего расстоянию Яад = 1.8 А. В данной точке наблюдается
-4 -6 -8
физическая адсорбция между атомом кальция и атомом кислорода (Еад=7,9 эВ). Чтобы произошло данное взаимодействие, молекуле кислоты необходимо преодолеть энергетический барьер высотой Еа (энергия активации) равный 1,1 эВ.
(а) (Ь)
Рис. 2. Зависимость энергии от расстояния R атома углерода молекулы до поверхности углеродной нанотрубки (6, 6) для различного положения над поверхностью УНТ: а) муравьиная кислота; б) молочная кислота.
Рассмотрим более подробно механизм присоединение кислоты к ГА. Изучив геометрические параметры системы после оптимизации быо обнаружено, что в процессе приближения молекулы к ГА атакуемый атом Са углубился примерно на 0.3 А, при этом связанные с ним атомы изменили свое первоначальное положение. Связь Са-О стала увеличиваться, и при в точке минимума она разорвалась. В результате этого взаимодействие наблюдается частичное разрушение ГА. Аналогичная ситуация наблюдается и при ориентации молекулы муравьиной кислоты двумя атомами кислорода.
Энергетические кривые процесса приближения молекулы молочной кислоты к гидроксиапатиту качественно подобны. Анализ энергетических кривых и результатов геометрии обнаружил, что в окрестности точки Я=2 А и R=1,6 А (для разных ориентаций молекул) имеется энергетический минимум, иллюстрирующий факт так называемой физической адсорбции. Оптимизация геометрических параметров в этой точке показывает, что атомы кальция молекулы гидроксиапатита в этих точка смещаются из своих положений и связь Са-О разрушается.
Исследование процесса адсорбции муравьиной и молочной кислоты на внешней поверхности УНТ
В качестве объекта исследования был выбран молекулярный кластер углеродной нанотрубки (6,6), который включал в себя 240 атомов углерода. Расстояние между атомами углерода трубки составляет 1.4 А. Оборванные связи на конце кластера замыкались псевдоатомами водорода. Рассматривались два положения муравьиной и молочной кислоты относительно поверхности УНТ, отличающиеся ориентацией относительно трубки.
Рассмотрим процесс присоединения муравьиной кислоты - НСООН к поверхности УНТ. Молекула кислоты приближалась к центру кластера трубки, это позволяет уменьшать влияние краевых эффектов. Процесс адсорбции моделировался поэтапным приближением НСООН с шагом 0,1 А к поверхности трубки. Геометрические характеристики комплекса оптимизировались на каждом шаге. Моделирование процесса адсорбции позволило построить зависимость энергии системы от расстояния для различной ориентации. Исследуя данную зависимость, было выявлено, что молекула муравьиной кислоты не
эмаль. Поэтому необходимо выяснить как взаимодействует гидроксиапатит и УНТ. Для взаимодействия был предложен следующий механизм: УНТ и элементарная ячейка гидроксиапатита располагались относительно друг друга на расстоянии 2 А. Проведенная полная оптимизация геометрии в этом состоянии показала, что УНТ и ГА объединяются в адсорбционный комплекс. Таким образом можно предложить использовать УНТ для покрытия зубной эмали для защиты от воздействия вредных кислот.
Заключение. Изучен механизм присоединения молочной и муравьиной кислот на поверхности углеродной нанотрубки и гидроксиапатита. Показано, что на внешней поверхности УНТ типа (6,6) адсорбция данных кислот невозможна. Взаимодействие кислот со структурной единицей гидроксиапатита приводит к ее разрушению. Доказана возможность объедения углеродного тубулена с молекулой гид-роксиапатита в устойчивый адсорбционный комплекс. Таким образом можно предложить использовать УНТ для покрытия зубной эмали для защиты от воздействия вредных кислот. Библиографический список
1. M. J. S. Dewar and W. Thiel, J. Am. Chem. Soc., 99, 4899-4907 (1977), DOI: 10.1021/ja00457a004.
2. Родионова К.О. Применение углеродных нанотрубок в стоматологии / К.О. Родионова,
0.А. Какорина, И.В. Запороцкова // Развитие науки и техники: механизм выбора и реализации приоритетов: сборник статей Международной научно-практической конференции, Омск, 25 декабря 2017 года. - Омск: Общество с ограниченной ответственностью "Аэтерна", 2017. - С. 29-33.
3. Какорина О.А. Выявление примесей в воде с помощью наноструктур / О.А. Какорина, И.А. Какорин, А Н. Панченко // НБИ технологии. - 2020. - Т. 14. - № 4. - С. 39-47. - DOI 10.15688/NBIT.jvolsu.2020.4.6.
POSSIBILITY OF USING NANOSTRUCTURES IN DENTISTRY
1.A. Kakorin, Student Volgograd State University (Russia, Volgograd)
Abstract. The paper presents a study of the interaction of lactic and formic acids with a carbon nanotube and a hydroxyapatite molecule. The possibility of using CNTs as a protection of tooth enamel from the effects of aggressive acids is shown. The results of the established geometric and electron-energy characteristics of the processes of interaction of hydroxyapatite with acids are described. Theoretical calculations are performed using the molecular cluster model and the quantum-chemical methodMNDO.
Keywords: carbon nanotubes, tooth enamel, hydroxyapatite, lactic acid, formic acid.
адсорбируется на поверхности трубки, что обосновывается отсутствием минимума на энергетических кривых, иллюстрирующего факт образования химической связи между молекулой кислоты и атомом трубки.
Далее был рассмотрен процесс присоединения молекулы молочной кислоты CHз-CH(OH)-COOH к поверхности УНТ. Пошаговое приближение молекулы к трубке позволило построить профиль поверхности потенциальной энергии системы «УНТ - CHз-CH(OH)-COOH». Энергетические кривые показали, что адсорбция молочной кислоты не возможна на поверхности УНТ, так как отсутствует энергетический минимум.
Взаимодействие гидроксиапатита с углеродной нанотрубкой
Выполненные расчеты показали, что адсорбция молекул муравьиной и молочной кислот не происходит на поверхности углеродной трубки. Поэтому можно использовать УНТ в качестве защитной среды от воздействия кислот на зубную
