ЖУРНАЛ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2011, том 56, № 5, с. 720-727
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ^^^^^^^^^^
НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
УДК 546.215.41.185
ПЕРОКСОПРОИЗВОДНЫЕ ГИДРОКСИАПАТИТА И ГИДРОФОСФАТА КАЛЬЦИЯ
© 2011 г. Л. С. Скогарева, Г. П. Пилипенко, И. В. Шабалова, Т. А. Трипольская
Учреждение Российской академии наук Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва
Поступила в редакцию 31.11.2009 г.
Синтезированы и исследованы (ИК-спектроскопия, РФА, ТГА) пероксосольваты гидроксиапатита и гидрофосфата кальция — биосовместимые и антибактериальные препараты для создания каль-цийфосфатной биокерамики — имплантатов в ортопедии и стоматологии. Широкий интервал содержания пероксида водорода в стабильных смесях даСа5(Р04)3(0Н) + яСаНР04 • Н202 • Н20 (от 0.5 до 18%) позволяет получать композиты с заданным содержанием активного кислорода.
Костная ткань является многокомпонентной системой, состоящей из органических и неорганических веществ, основные из которых — белок коллаген и так называемый "биологический апатит" — нанокристаллический гидроксиапатит (Са5(0Н)(Р04)3, ГА). В зависимости от размера кристаллов ГА линии на его дифрактограммах могут быть узкими и интенсивными (выше 60 нм, зубная эмаль) или широкими и малоинтенсивными (10—60 нм, кость и дента). Кристалличность синтетического ГА регулируется от полностью аморфного до нанокристаллического состояния (оба имеют размытые дифрактограммы) временем и температурой синтеза. В случае динамического режима синтеза [1] предотвращается агрегация частиц и образуются нанокристаллы. В [2] методом твердофазного ЯМР найдено, что нано-кристаллы гидроксиапатита состоят из кристаллического ГА, покрытого разупорядоченным (невидимым на дифрактограммах) поверхностным слоем, содержащим воду и кислый фосфат. Получаемый из растворов ГА может быть стехиометри-ческим (отношение Са/Р = 1.67) или нестехио-метрическим. Нестехиометрический апатит отличается от стехиометрического большим
содержанием ИРО4--ионов, замещающих РО^--ионы в структуре, и меньшими отношениями Са/Р и ОН/Р. Катионы Са2+ могут замещаться катионами М§2+, Ва2+ и т.д., а анионы РО^- — анионами С1-, Б-, СО3 и т.д. Синтезированы карбо-натгидроксиапатиты [3-6], имитирующие природные костные системы в живых организмах, и ГА с терапевтическим лечебным агентом (например, с антибиотиком [7]). Обширные сведения по гидроксиапатиту представлены в [8, 9].
Биокерамика, основанная на гидроксиапатите и фосфатах кальция, является прекрасным биосовместимым материалом, используемым в травматологии, ортопедии, стоматологии, кранио-
пластике для замещения костных дефектов различного происхождения. Преимуществом такой биокерамики перед другими синтетическими материалами считается высокое сродство с костной тканью и способность к биодеградации с последующим замещением новообразованной костью. Значение исследований ГА и других фосфатов кальция состоит также в том, что эти соединения участвуют не только в процессах образования зубов и костей (кальцификация), но и в паталогиче-ских процессах образования почечных камней или полостей в денте.
С другой стороны, известно, что пероксид водорода играет существенную роль в биохимических процессах. Образование Н202 наблюдается во всех метаболических состояниях. Перекисный ряд превращений включает образование из активного кислорода супероксид-иона, который переходит в Н202 спонтанно или под действием супероксида дисмутазы. В последнее время активно исследуется механизм активации нейронных рецепторов под действием инсулининдуци-рованного Н202 [10].
Внедрение в структуру апатита пероксид-ионов или создание смесей ГА с пероксидсодер-жащими фосфатами позволит создать композиты с антисептическими и противовоспалительными свойствами, стимуляторы восстановления кости. Получению и изучению гидроксиапатита, содержащего пероксид- и супероксид-ион, посвящен ряд работ [11-18]. Все использованные методы основаны на синтезе в жестких условиях: прокаливании ГА при 600-1400°С с дальнейшим взаимодействием обезвоженного гидроксиапатита с кислородом при комнатной или повышенных температурах. По данным авторов упомянутых
работ, присутствие ионов О^ (около 1%) вызывает небольшое сжатие ячейки ГА, уменьшение содержания ОН-групп (замещение ОН- на О2 в ка-
налах), появление вакансий в решетке. В связи с созданием зубных паст исследовано деструктивное и отбеливающее действие растворов H2O2 на денту [19] и гидроксиапатитную керамику [20].
Поскольку биологическая активность перок-сидсодержащих композитов на основе ГА будет определяться не только самим пероксиапатитом, но и пероксосоединением примеси — кислого фосфата, в настоящей работе нами изучены пероксо-производные ГА и гидрофосфата кальция, разработаны методики их синтеза в мягких условиях реакции с растворами H2O2. Важной задачей является получение стабильных пероксосоедине-ний с безопасным для живого организма содержанием Оакг. Проведенные исследования позволят создать имплантаты, сочетающие функции биосовместимого и антибактериального материала.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Синтезы проводили с 12%-, 25%-, 45%-, 66%-, 72%-, 92%- и 99.7%-ными растворами пероксида водорода. Исходные вещества CaCl2 (ч.) и (NH4)2HPO4 (х. ч.) использовали коммерческие.
Получение кристаллического гидроксиапатита (ГА) (за основу брали методику [21] с учетом [11, 12]). Готовили растворы стехиометрических количеств CaCl2 (1.995 г безводной соли в 100 мл воды без CO2) и (NH4)2HPO4 (1.425 г в 100 мл воды без CO2). Каждый раствор доводили до pH 10—12 добавлением 26%-ного раствора аммиака. К раствору соли кальция, нагретому до 85°С, при сильном перемешивании магнитной мешалкой прикапывали нагретый до 85°С раствор фосфата. Выдерживали суспензию при этой температуре в течение 20 ч. Отфильтровывали твердую фазу, промывали водой (без СO2) до отсутствия Cl--иона. Полученный отжатый на стеклянном фильтре продукт соответствовал составу Ca5(PO4)3(OH) • 48H2O (I) (37% основного вещества) (найдено: 20.80% PO^- и 14.75% Са2+, вычислено: 20.84 и 14.66% соответственно). Соединение состава Ca5(PO4)3(OH) • 21H2O (II) (57% основного вещества) получали, выдерживая I в эксикаторе над ангидроном при комнатной температуре до образования влажных комков вещества. Апатит состава Ca5(PO4)3(OH) • 0.2-0.3H2O (III) (99% основного вещества) получали сушкой I на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы; присутствие воды подтверждено наличием в ИК-спектре полосы при 1640 см-1.
Получение аморфного гидроксиапатита. Реакцию проводили аналогично синтезу кристаллического ГА, но при комнатной температуре и с фильтрованием суспензии сразу после синтеза.
Пероксосольваты гидроксиапатита получали взаимодействием 8 мл соответствующего раство-
ра Н202 с ~1 г ГА при 0°С в течение 2 ч с последующим фильтрованием суспензии через стеклянный фильтр при комнатной температуре, промыванием твердой фазы охлажденными этанолом и эфиром и сушкой в эксикаторе над ангидроном при 5°С (в холодильнике).
Получение CaHPO4 • 2^^. К раствору 2.039 г (18.37 ммоля) СаС12 в 100 мл воды (без С02) прикапывали с перемешиванием магнитной мешалкой раствор 2.427 г (18.37 ммоля) ^Н4)2НР04 в 100 мл воды (без С02). По окончании реакции продукт отфильтровывали, промывали водой до отсутствия С1--иона и сушили на воздухе до постоянной массы. Получено 2.430 г вещества. Результаты анализа:
2+
Ca
Найдено, %: 23.41;
Для CaHPO4 ■ 2H2O вычислено, %: 23.29;
PO4
55.08. 55.18.
Получение CaHPO4 • • П^. К 4 мл 99.7%-ного раствора Н202, охлажденного до 0°С, при перемешивании магнитной мешалкой присыпали порциями 0.305 г (1.77 ммоля) СаНР04 • 2Н20. Суспензию выдерживали при 0°С в течение 3 ч, после чего отфильтровывали твердую фазу, промывали охлажденными этанолом и эфиром, сушили в вакуум-эксикаторе над ангидроном. Получено 0.280 г бесцветного вещества. Результаты анализа:
O,
H2O2 17.78;
Найдено, %: 8.36; Для CaHPO4 • H2O2 • H2O вычислено, %: 8.51; 18.09;
Ca2+
21.19; 21.31;
po4
50.98. 50.82.
Содержание Оакт определяли перманганато-
метрически [22, 23]. Содержание РО^- находили весовым методом осаждением магнийаммоний-фосфата с последующим прокаливанием его до М§2Р207, Са2+ — весовым методом в виде оксалата кальция [24].
ИК-спектры веществ в виде таблеток с КВг записывали на приборе Specord М-80 в области 400-4000 см-1.
Дифрактограммы порошков регистрировали на рентгеновском дифрактометре Ш§аки с гониометром RINT 2000 на Си^а-излучении (напряжение на аноде 50 кВ, ток анода 250 мА), интервал 20 10°-90°.
Термогравиграммы образцов (навеска ~30 мг) записывали на приборе Паулик-Паулик-Эрдей
Таблица 1. Состав продуктов реакций Са5(Р04)з(0Н) • 48Н2О с 12-92%-ными растворами пероксида водорода (см. рис. 1)
Конц. р-ров Содержание Оакт и H2O2 в продукте после синтеза, % Состав продукта Ca5(PO4)3(OH) • nH^O через 1 сут после синтеза, % • mH2O2
H2O2, % Оакт H2O2 состав Оакт H2O2 PO4 Ca2+
92* 15.39 32.72 Ca5(PO4)3(OH) 12H2O • 5.5H2O2 (точка А) 9.67 20.55 31.55 21.65
92 7.87 16.72 - 5.42 11.53 - -
66 15.97 33.96 Ca5(PO4)3(OH) • 11H2O • 7H2O2 (точка В) 11.89 25.28 30.53 20.77
45 11.71 24.90 Ca5(PO4)3(OH) • 10H2O • 4H2O2 (точка С) 8.04 17.10 34.55 24.47
25 8.20 17.44 Ca5(PO4)3(OH) • H2O • 2H2O2 (точка Д) 5.06 10.76 48.74 33.83
12 3.51 7.47 Ca5(PO4)3(OH) 0.5H2O • 0.5H2O2 (точка Е) 1.51 3.21 53.58 38.10
* Выделение продукта реакции проводили при 0°С.
Таблица 2. Состав продуктов реакций гидроксиапатитов с 45%-ным раствором пероксида водорода (см. рис. 2)
Исходный гидроксиапатит Пероксосольваты гидроксиапатита
состав % осн. в-ва состав Оакт H2O2 po4 Ca2+
Ca5(PO4)3(OH) • 48H2O Ca5(PO4)3(OH) • 21H2O Ca5(PO4)3(OH) • 0.25H2O 37 57 98 Ca5(PO4)3(OH) • 10H2O • 4H2O2 (точка А) Ca5(PO4)3(OH) • 4.5H2O • 3H2O2 (точка В) Ca5(PO4)3(OH) • 19.5H2O • 7.5H2O2 (точка С) 8.04 7.08 11.04 17.10 15.06 23.48 34.55 41.26 25.64 24.47 27.53 18.08
1500 МОМ (Будапешт) в интервале температур 20—500°С со скоростью 10 град/мин.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Из всех известных методов синтеза гидрокси-апатита (мокрые, сухие и гидротермальные методы [9]) в данной
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.