CC BY
35
УДК 546.185:541.18
Захаров Н.А., Орлов М.А., Шелехов Е.В., Демина Л.И., Алиев А.Д., Киселёв М.Р., Матвеев В.В., Захарова Т.В.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УГЛЕВОЛОКНА И ГИДРОКСИАПАТИТА КАЛЬЦИЯ ПРИ СОВМЕСТНОМ ОСАЖДЕНИИ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
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., 31;
Орлов Максим Андреевич, обучающийся ОЗ-ЗО РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва ; лаборант, Институт общей
и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
Шелехов Евгений Владимирович, к.ф.-м.н., ст.н.с., НИТУ «МИСиС»
Демина Людмила Ивановна, к.х.н., с.н.с., Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН. Алиев Али Джавадович, к.ф.-м.н., ст.н.с., Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, г. Москва
Киселёв Михаил Романович, к.ф.-м.н., ст.н.с. Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Матвеев Владимир Васильевич, к.ф.-м.н., ст.н.с. Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Захарова Татьяна Владимировна, к.ф.-м.н., ст.н.с, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
Синтезированы композиционные материалы на основе углеволокна (УВ) и гидроксиапатита кальция Ca10(PO4)6(OH)2 (ГА) в ходе совместного осаждения из водных растворов в системе Са(0Н)2-НзР04-УВ-И20. Определено влияние состава композитов ГА/УВ и предварительной обработки (функционализации) УВ на размеры, морфологию и характеристики биосовместимости (растворимость) нанокристаллов ГА (НКГА).
Ключевые слова: гидроксиапатит кальции;, углеволокно; композиционные материалы; синтез; свойства
INTERACTION OF CARBON FIBERS AND CALCIUM HYDROXYAPATITE IN CONDITIONS OF COPRECIPITATION FROM WATER SOLUTONS
Zakharov Nikolay Alekseevich Orlov Maxim Andreevich 12, Sheleckov Evgeniy Vladimirovich 3, Demina Ludmila Ivanovna \ Aliev Aly Dhavadivich 4, Kisilev Michail Romanovich 4, Matveev Vladimir Vasilievich 4, Zakharova Tatiana Vladimirovna1
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
The composite materials on the base of carbon fibers (CF) and calcium hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 (HA) in the course of coprecepitation in water solutions of system Ca(0H)2-H¡P04-УВ-H20 synthesized. The influence of composite HA/CF composition and CF first treatment (functionalization) on HA nanocrystals (NCHA) dimensions, morphology and biocompatibility (solubility) was determined.
Keywords: calcium hydroxyapatite, carbon fibers, composite materials, synthesis, properties
Углеродные волокна (УВ) обладают уникальными механическими, тепловыми и электрическими характеристиками, что стимулирует внедрение углеродных композиционных материалов в наукоемких отраслях производства [1,2]. Биосовместимость УВ [3] открывает возможности применения его в медицинских целях для создания искусственных сердечных клапанов, фиксации переломов костей, очистки крови и других биологических жидкостей, лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв, создания сорбирующих элементов, фильтров для воздуха и пр. [4,5]. Для
увеличения адгезии УВ возможна обработка его поверхности в ходе физических или химических воздействий, создающая условия для возникновения химических и механических связей с окружающей средой (в частности, матрицей композита на основе
УВ) [6].
Стехиометрический нанокристаллический гидроксиапатит кальция (Са10(РО4)6(ОН)2, ГА) (НКГА) представляет собой кристаллохимический аналог неорганической компоненты
минерализованных тканей млекопитающих и служит модельным объектом для изучения влияния
различных факторов на физико-химические и медико-биологические характеристики
неорганической компоненты костной и зубной тканей [7]. Создание композиционных материалов на основе ГА и УВ является перспективным подходом для улучшения механических характеристик имплантатов на основе ГА и оценки возможного влияния УВ на минерализованные нативные ткани.
Синтез композиционных материалов ГА/УВ проводили осаждением из водных растворов в системе Са(0Н)2-Н3Р04-УВ-Н20 по методике, аналогичной [8]. Образцы УВ для синтеза (рис. 1) , обозначенные как УВ1, получали промыванием дисперсии измельченного УВ в дистиллированной воде с добавлением этилового спирта в продолжение 30 мин при постоянном перемешивании под действием ультразвука (УЗ) и высушивании на воздухе. Образцы, обозначенные как УВ2, представляли собой дисперсию УВ, подвергнутую воздействию кипящей НЫ03 (10 мин), промыванию дистиллированной водой и высушиванию на
воздухе. Для предварительной обработки (0.5 ч, комнатная температура) водной суспензии УВ и синтеза композита использовали УЗ (Ультразвуковая - ванна Град 13-35, 205 Вт, 35 КГц, 100% мощности, 10 мин).
Результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют об образовании для обоих типов УВ (УВ1, УВ2) в составе композитов ГА/УВ однофазного стехиометрического НКГА гексагональной сингонии, пр. гр. Р63/т и влиянии содержания в составе композита и типа предварительной обработки УВ на размеры и морфологию НКГА (рис. 2,). В случае композиционного материала ГА/УВ1 происходит образование НКГА большего размера с большими значениями отношений с/а по сравнению с композитом ГА/УВ2. При этом в обоих случаях с ростом содержания УВ происходит уменьшение длины НКГА вдоль гексагональной оси "с", тогда как размеры НКГА в перпендикулярном направлении (вдоль оси "а") изменяются в меньшей степени
---1 мм - 1 мм
Рис. 1. УВ в виде жгутов (слева) и измельченное (с помощью ножниц) УВ
(справа).
Рис. 2. Зависимость размеров НКГА в составе композитов ГА/УВ1(слева) и ГА/УВ2 (справа) в зависимости от
содержания УВ.
Растворимость ГА в составе композиционного материала ГА/УВ является важнейшей характеристикой биосовместимости НКГА. Определение растворимости продуктов синтеза проводили при комнатной температуре в дистиллированной воде методом измерения концентрации Са2+ - ионов в растворе комплексонометрическим титрованием раствором ЭДТА. Для обоих типов УВ (УВ1, УВ2) имел место
3 Содержание УВ1, масс. %
рост растворимости НКГА в составе композитов ГА/УВ с ростом содержания УВ (рис. 3), несмотря на различие типов предварительной обработки УВ и размеров кристаллов НКГА. Значения растворимости НКГА в составе композита ГА/УВ1 при высоких концентрациях УВ1 достигали более высоких значений по сравнению с НКНМ композита ГА/УВ2.
л
Е" О
^ 0.10 j
Ьош _■■
ill
* 1.0 2.0 5.0
н
g Содержание УВ2, масс. % М
Рис. 3. Зависимость растворимости НКГА по Ca2+ (дистиллированная вода, комнатная температура) в зависимости от содержания УВ в составе композитов ГА/УВ1 (слева) и ГА/УВ2 (справа).
Образование композиционного материала ГА/УВ в системах Са(0Н)2-Н3Р04-УВ-Н20 в определенных пределах можно считать симуляцией биоминерализации ГА в присутствии УВ с разными типами поверхностной активности. Отмеченные особенности взаимодействия УВ и ГА в ходе совместного осаждения из водных растворов могут быть учтены для разработки направленного синтеза биосовместимых композитов ГА/УВ с регулируемыми физико-химическими
характеристиками (морфология и растворимость НКГА). Эти результаты актуальны для оценки воздействия УВ протезных материалов на характеристики минерализованных нативных тканей.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Фондов Президиума РАН (ФНМ), ОХНМ РАН.
Список литературы
1. Углеродные волокна. Пер. япон. /Под ред. С. Симамуры. - М.: Мир, 1987. - 304 с
2. Углеродные волокна и углекомпозиты. Пер. англ. / Под ред. Э. Фитцера. - М.: Мир, 1988. - 336 с.
3. Аношкин, А.Н., Змеев Ю.А., Иванов, Д.С. и др. Прогнозирование прочности углерод-углеродного эндопротеза головки бедренной кости при статических испутаниях // Российский журнал биомеханими. - 2004. - Т. 8. - № 2. - С. 40-49.
4. Каданцева, А.И., Тверской, В.А. Углеродные волокна. - М.: Изд-во МГФТХТ, 2008. - 55 с.
5. Золкин, П.И., Каваленский, Г.А., Середа, А.П. и др. Углеродный эндопротез тазобедренного сустава // Журнал клинической и экспериментальной ортопедии. - 2015. - № 2. - С.32-35.
6. Ma, Y., Wang, J., Xiaoping Cai, X. The effect of electrolyte on surface composite and microstructure of carbon fiber by electrochemical treatment // J. Phy. Ast. - 2012. - V. 1. - № 1. - P. 60-65.
7. Захаров, Н.А., Калинников, В.Т. Наноразмерные композиционные материалы для имплантатов на основе гидроксиапатита кальция // Фундаментальные науки - медицине. Биофизические медицинские технологии / Под ред. А.И. Григорьева, Ю.А. Владимирова. - М.: МАКС Пресс, 2015. - Т. 2. - С. 145-169.
8. Захаров, Н.А., Ткачев, А.Г., Демина, Л.И. и др. Влияние оксида графена на биоминерализацию и растворимость гидроксиапатита кальция // Физикохимия поверхности и защита материалов. -2016. - Т. 52. - № 2. - С. 1-12.
