УДК 546.41.185
ГИБРИДНЫЙ НАНОКОМПОЗИТ (НК) ГИДРОКСИАПАТИТ КАЛЬЦИЯ (ГА)/ОКСИД ГРАФЕНА (ГО): СИНТЕЗ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
© 2015 г. Н. А. Захаров*, Ж. А. Ежова*, Е. М. Коваль*, |В. Т. Калинников* |, А. Г. Ткачев**
*Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва **Тамбовский государственный технический университет E-mail: zakharov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 28.10.2014 г.
Методом растворимости (остаточных концентраций) и измерения рН изучена система СаС12— (МН4)2НР04—МН3—Н2О—ГО (25°С), моделирующая т уИт процесс биоминерализации основной неорганической компоненты костной ткани — гидроксиапатита кальция Са10(РО4)6(ОН)2 (ГА) в присутствии наноразмерной модификации углерода — оксида графена (ГО). Показано, что в ходе синтеза в системе образуются гибридные композиционные материалы (КМ) ГА/ГО с брутто-формулой Са10(РО4)6(ОН)2 • • хГО • уН20, где х = 0.5, 1.0, 2.0; у = 7.4—7.7, содержащие в своем составе ГО и нанокристаллический (НК) ГА стехиометрического состава. Методами химического анализа, РФА, ИК-спектроскопии, ТГА, ДСК определены основные физико-химические характеристики продуктов синтеза, влияние состава на кристаллографические характеристики, размеры и морфологию НК ГА в составе КМ ГА/ГО и проанализированы основные взаимосвязи состав—структура—дисперсность—свойства синтезированных КМ ГА/ГО.
БОТ: 10.7868/80044457X15070193
Несмотря на значительный рост числа исследований по техническому и медицинскому применению графена и его аналогов, включая оксид графена (ГО), в настоящее время имеется лишь незначительная информация об их взаимодействии с биологическими системами и их токсичности [1]. Разрозненные литературные данные о токсичности in vitro графеновых материалов позволяют предполагать, что, подобно другим углеродным наноматериа-лам, особенности их физико-химических характеристик могут играть значительную роль в биологической активности этого нового класса материалов [2].
Имеющиеся сведения о цитотоксическом эффекте графеновых наноматериалов, нарушениях ими плазменной мембраны и митохондриальной активности, создании оксидативного стресса и нарушениях молекул белков, ведущих к нейронной смерти клетки, свидетельствуют о токсичности таких материалов [3—5]. Зачастую эти данные, однако, носят предварительный характер, отчасти противоречивы и в значительной степени обусловлены свойствами использованных графе-ноподобных наноматериалов [6, 7].
ГО является аллотропной формой углерода, характеризуется двумерной (2D) структурой и состоит из одного или нескольких слоев гексагональной кристаллической решетки атомов углерода с «^-гибридизацией [8]. Получение ГО обычно связано с ультразвуковой (УЗ) обработкой оксида графита [9].
Перспективы использования ГО для получения композиционных материалов (КМ) медицинского назначения и растущее применение ГО в промышленности [10] делают актуальной задачу определения особенностей его взаимодействия с нативными тканями, в частности, с костной тканью.
Гидроксиапатит кальция (Ca10(PO4)6(OH)2, ГА) является основной неорганической компонентой костной ткани [11—13]. Благодаря высокой биосовместимости и биоактивности ГА широко используется в медицине в качестве материала им-плантатов и в костном инжиниринге [14, 15]. Биологические апатиты нативных тканей млекопитающих являются основными составляющими (~60%) костной и зубной тканей и представляют собой нанораз-мерные (~5—50 нм) кристаллы игловидного габитуса с катионными и анионными замещениями в кристаллической структуре ГА [15, 16]. Стехиометриче-ский нанокристаллический (НК) ГА 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.
В настоящем сообщении приведены данные о взаимодействии ГО с аналогом неорганической компоненты костной ткани — ГА — в ходе модельного эксперимента in vitro, симулирующего процесс биоминерализации в присутствии незначи-
Таблица 1. Типы и частоты колебаний связей различных функциональных групп ГО
Тип колебаний Частоты колебаний, см 1
ОН 3398
С=О 1730
COOH
С=С 1623
СОН 1348
С—О 1054
С—О—С 833
тельных количеств ГО в качестве контаминанта. Для оценки взаимодействия ГО и биосовместимого ГА и синтеза КМ ГА/ГО использовали водные растворы солей кальция и фосфора в системе CaCl2— (МИ4)2ИР04-МИз-Н2О-ГО (25°С), содержащей ГО в качестве контаминанта. Определение физико-химических характеристик продуктов синтеза проводили методами химического анализа, РФА, ИК-спектроскопии, ТГА, ДСК.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Методы исследования
В образовавшейся в ходе взаимодействия исходных прекурсоров равновесной жидкой фазе измеряли степень кислотности pH (иономер И160МИ), определяли содержание ионов Ca2+ (комплексоно-метрическое титрование раствором ЭДТА) и фосфора (комплексы Р) (фотометрический ванадат-молибдатный метод). Содержание азота и углерода в синтезированных твердых фазах определяли с использованием NCH-анализатора ЕА 1108 фирмы Карло Эрба.
Рентгенофазовый анализ (РФА), определение кристаллографических характеристик и размеров кристаллов продуктов синтеза проводили с использованием автоматизированного дифрактометра ДРОН-4 (CuÄ^-излучение, графитовый монохро-матор, управляющая программа EXPRESS). Модифицированный полнопрофильный анализ, оценку размеров блоков Коши (Dhkl) и величин микродеформаций кристаллической решетки проводили с использованием программ PHAN и PHAN%.
ИК-спектры диффузного отражения продуктов синтеза регистрировали в диапазоне 4000—400 см-1 с использованием ИК-Фурье-спектрометра Nexus фирмы Nicolet.
Термические характеристики исходного ГО (термогравиметрический анализ, ТГА; дифференциальная сканирующая калориметрия, ДСК) проводили на воздухе с использованием приборов Universal V4.4A TA Instruments и DSC Q100 V9.8 Build соответственно в диапазоне температур 20-700° С. Для
определения термических характеристик продуктов синтеза в атмосфере He в диапазоне температур 20— 1000°С использовали термоанализатор SТА409.
Структуру и химический состав образцов исходного ГО определяли с использованием сканирующих электронных микроскопов (СЭМ) CamScanS4 с приставкой микроанализатора Line Analytical и Carl Zeiss NVision40. Микроструктуру образцов исходного ГО наблюдали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с использованием электронного микроскопа JEOL JEM 1210.
Физико-химическая идентификация исходного ГО
ГО был получен из природного графитового порошка с помощью модифицированного метода, описанного в [17, 18]. По данным электронной спектроскопии (ЭСХА), содержание углерода в исходном ГО составляло ~90 мас. %, кислорода — ~10 мас. % (рис. 1а). На картинах СЭМ слои ГО имели типичный вид сморщенных листов (рис. 1б, 1в).
Пик слабой интенсивности в области 29 « 11° картины дифракции рентгеновских лучей исходного ГО (рис. 2а, 2б) свидетельствует о незначительном разделении пластин ГО и невысокой степени кристаллографической упорядоченности ГО [18]. Дифракционная картина ГО имеет определенное сходство с характеристиками дифракции графита гексагональной сингонии (последовательность слоев AB, структурный тип A9a, символ Пирсона hP4). Пик в области 29 = 13° свидетельствует о присутствии в исходном углеродном материале аморфного углерода; пик в области 29 = 26° характерен для углерода в форме графита [19—21]. В качестве фона выступали отражения от кварцевой кюветы (рис. 2а (2)).
Присутствие аморфного углерода (рис. 3а, Зб) в исходном ГО (рис. Зв) на картинах ПЭМ индицировалось в виде отдельных частиц размером ~200 нм, образующих агломераты ~400 нм (рис. За, Зб).
Кривые ТГА исходного ГО (рис. 4) свидетельствуют о том, что разложение ГО является многошаговым процессом. Адсорбированные на поверхности ГО молекулы воды испаряются в температурном интервале 50—150°С. Декарбоксилизация начинается в температурной области 150—350°С. При более высоких температурах 350—500°С имеет место удаление гидроксильных групп, присоединенных к пластинам ГО. Термическое окисление углерода ГО происходит в области 550°С.
ИК-спектры исходной водной пасты ГО (табл. 1, рис. 5а) характеризуются наличием широкой полосы поглощения адсорбированной воды с центром при 3398 см—1 (растяжение гидроксильных групп (—OH)). Колебания в области 1730 см—1 относятся к растягивающим колебаниям карбоксиль-
Имп.
20000
18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000
0
(а)
(б)
67 Е, кэВ
(в)
1
2
3
4
5
Рис. 1. а — Образцы использованного для синтеза ГО, по данным ЭСХА, содержали ~90 мас. % углерода, ~10 мас. % кислорода и следы А1, Si, S, Са, И, Fe. б, в — Картины СЭМ с различным увеличением использованных для синтеза образцов ГО.
ных групп (—СООН) на краях углеродных пластин или спаренных карбонильных групп (—С=0). В области 1623 см-1 проявляется полоса растягивающих колебаний связей С=С. Растягивающие колебания С—ОН проявляются в виде слабой полосы при 1266 см-1. Растягивающие колебания С—О индицируются в виде слабой полосы с центром при 1054 см-1. Эпоксидные группы на поверхности углеродных пластин характеризуются полосой поглощения при 833 см-1.
У высушенной пасты ГО практически исчезают полосы поглощения, соответствующие адсорбированной воде, колебаний карбоксильных (-СООН) и спаренных карбонильных групп (-С=О) на краях пластин (рис. 5б). Растягивающие колебания С-О и колебания эпоксидных групп практически не пре-
терпевают изменений. Обработка дисперсии ГО УЗ с последующей сушкой приводит к аналогичным результатам с тем лишь отличием, что она приводит к сохранению некоторого количества адсорбированной воды (рис. 5в).
Синтез объектов исследования
ГА и КМ ГА/ГО получали осаждением из водных растворов в системах СаС12-(МН4)2НРО4-МН3-Н2О (25°С) и Са^^Н^РО^Н^ Н2О-ГО (25°С) соответственно. В качестве исходных компонентов использовали водные растворы СаС12, (МН4)2НРО4, аммиака и водную дисперсию ГО. Водную дисперсию ГО для синтеза готовили из исхо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.