УДК 546.215.41.185:547.466.3.63.64:677.469.1
СИНТЕЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ТРИПОЛИФОСФАТА НАТРИЯ-КАЛЬЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТРИЦ
© 2013 г. Л. С. Скогарева*, В. К. Иванов * **, О. С. Иванова*, А. Е. Баранчиков *,
Т. А. Трипольская *, |Ю. Д. Третьяков
*Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова e-mail: skog@igic.ras.ru Поступила в редакцию 25.12.2012 г.
Разработан метод синтеза наноструктурированного триполифосфата натрия-кальция с использованием органических матриц, включая аминокислоты (глицин, L-аспарагиновую, L-глутаминовую, s-аминокапроновую кислоты), полисахариды (альгинаты натрия и кальция, мальтодекстрин), три-лон Б. Нанопорошки триполифосфата натрия-кальция изучены методами РЭМ, РФА, ИК-спек-троскопии. Показано, что размер частиц определяется свойствами матрицы и изменяется от ~20 нм до ~20 мкм. Изучена биологическая активность пероксопроизводных триполифосфата натрия-кальция по отношению к E. coli.
DOI: 10.7868/S0002337X13080150
ВВЕДЕНИЕ
Основное содержание полифосфатов в живом организме приходится на остеобласты костной ткани [1]. Получен ряд данных, позволяющих полагать, что полифосфаты, синтезируемые в организме с участием ферментов (энзимов) [2], регулируют процесс кальцификации. Метаболизм полифосфатов в ткани кости определяют два процесса — энзиматическая полимеризация фосфата и энзиматическое гидролитическое расщепление полифосфата. Родство синтетических конденсированных фосфатов с выполняющими биохимические функции полифосфатами нативной костной ткани может быть основой для создания по-лифосфатсодержащих биокомпозитов. Сходство по элементному составу (Са, Р) и ожидаемая совместимость с костной тканью, низкая растворимость полифосфатов и их способность формировать наноструктуры позволяют рассматривать полифосфаты кальция в качестве резорбируемых компонентов для биозамещающих материалов.
Проведенные нами [3, 4] исследования цепочечных и циклических полифосфатов кальция показали, что микроморфология этих материалов зависит от присутствия в реакционной среде органической матрицы. В качестве такой матрицы был использован биополимер желатин — аналог коллагеновой составляющей "биологического апатита", образующего нативную костную ткань. Ранее желатин был успешно применен для полу-
чения синтетического гидроксиапатита [5—7], состоящего из наноразмерных частиц, как и природная кость.
Идея синтеза фосфатов кальция на органической матрице не нова и базируется на экспериментальных данных, свидетельствующих, что на кристаллизацию фосфатов влияет присутствие малых количеств пептидов и протеинов, при этом нередко образуются несколько фаз различного состава и дисперсности [8]. Так, нами показано, что в зависимости от содержания желатина в исходном растворе реагентов (соли Са2+ и полифосфата натрия) образуются зерна триполифосфата натрия-кальция разной дисперсности — от микрокристаллических до наноструктурированных. Поскольку структурирующая функция любой органической матрицы осуществляется за счет присутствия в ее молекуле активных центров (групп СООН, МИ2, ОН), на которых кристаллизуются частицы полифосфата, в настоящей работе в качестве потенциальной матрицы были исследованы аминокислоты. Четыре выбранные нами индивидуальные аминокислоты относятся к классу биологически важных алифатических аминокислот с числом углеродных атомов в цепи от 2 до 6: дикарбоновые аспарагиновая (С4Н7МО4) и глута-миновая (С5Н9МО4) кислоты и монокарбоновые глицин (аминоуксусная кислота) (С2Н5МО2) и
Таблица 1. Органические матрицы, использованные при синтезе триполифосфата натрия-кальция
Соединение Формула Структурное изображение
Аминокислоты
Глицин (аминоуксусная кислота) с2нЗ^2 О ^ОИ кб2
Ь-аспарагиновая кислота С4Н^О4 О ^Аи он ки2
Ь-глутаминовая кислота С5Н^О4 О О ио^^^ои КИ2
Б-аминокапроновая кислота C6HlзNO2 О И2К. 2 ^ ^^ он
Полисахариды
Альгинаты натрия (№А1§) и кальция (СаА1§) (СбН7Об№)„ и (С12Н14О12Са)в ОИ О он т он о=( он -О-''' п
Мальтодекстрин и- СИ2ОИ он ■■он п
Комплексоны
О
Трилон Б
C1oH14N2O8Na2 ■ 2Н2О
к .К
N ^
О ОБ
О
е-аминокапроновая кислота (C6H1зNO2). Все они представляют собой моноаминокислоты (табл. 1).
Следующая группа соединений, способных выполнять функцию органической матрицы в синтезе полифосфатных порошков, — макромолекулы с карбоксильными и гидроксильными функциональными группами, а именно полисахариды. В
данной работе был взят альгинат натрия (№А1§) — полимер с множеством биологических функций, построенный из цепей, состоящих из остатков Р^-маннуроновой и а-Ь-гулуроновой кислот (табл. 1). Натриевую соль получают из аль-гиновой кислоты, которую выделяют из бурых водорослей, например, ламинарии японской
(Laminaria japonica Aresch). Растительное происхождение соединения, в отличие от полученного из протеинов желатина, по нашему мнению, делает благоприятным использование альгината для синтеза компонентов биокомпозитов, так как имеются предположения о негативном влиянии некоторых веществ животного происхождения на биохимию человеческого организма. Более того, в [9] приводятся исследования сорбции альгина-том молекул белка, например, вызывающих аллергию иммуноглобулинов. Альгинатную матрицу предложено использовать для направленной доставки лекарств [10]; интересно, что альгинат натрия препятствует патологической кристаллизации кальцита [11]. В области разработки биокомпозитов исследовано встраивание частиц гид-роксиапатита в альгинатные пленки при получении макропористых имплантатов [12, 13], а также затвердевание цементов в присутствии альгината натрия [14].
В качестве полисахаридной матрицы в настоящей работе исследован также мальтодекстрин — продукт гидролиза крахмала.
Третий класс структурирующих соединений, представитель которого был выбран для исследования, это комплексоны. Известно, что кальций образует с трилоном Б (edta) устойчивые комплексные анионы состава [Ca(H2O)2edta]2-, которые в реакции с полифосфатом натрия могут служить активными центрами кристаллизации кальцийтри-полифосфата. Благоприятным фактором является и бактерицидная активность трилона Б [15].
Отметим, что антисептические свойства биокомпозитов на основе триполифосфата натрия-кальция, особенно важные при формировании имплантата in vivo, могут быть достигнуты использованием пероксидных соединений вида Na04Ca2 3P3O,0 • mH2O2 • nH2O. В качестве антисеп-
Таблица 2. Растворимость в воде аминокислот, маль-тодекстрина и трилона Б при 25°C
A2W2
Соединение Растворимость, %
Глицин 20
Аспарагиновая кислота 0.5
Глутаминовая кислота 0.9
Аминокапроновая кислота Хорошая
Мальтодекстрин Хорошая
Трилон Б 9
тика в этом случае будет выступать сольватный пе-роксид водорода. Пероксид водорода не является ксенобиотиком (не чужероден организму) и в составе цепочки превращений Оакг—О-—Н2О2 участвует в биохимических процессах. Известно, что из всех активных форм кислорода (пероксид водорода, супероксид-ионы О^-, радикалы гидрок-сила ОН', синглетный кислород 1О2) супероксид-ионы наименее активны как бактерициды [16], а гидроксильные радикалы и синглетный кислород являются крайне реакционноспособными соединениями, поражающими клетки живого организма [17—20]. Пероксид водорода известен как антисептический агент по отношению к ряду бактерий и вирусов [21—23]. Мы предполагаем, что
пероксопроизводные триполифосфата натрия-кальция в случае применения в биокомпозитах могут дозированно за счет медленного распада поставлять активный кислород для обеззараживания имплантата и среды.
Цель данной работы — изучение влияния органических матриц различного состава и строения на кристаллизацию триполифосфата натрия-кальция, а также биологической активности пе-роксосольватов триполифосфата натрия-кальция по отношению к E. coli.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Триполифосфат натрия-кальция состава Na0.4Ca2.3P3O10 • 4H2O получали взаимодействием водного раствора CaCl2, содержащего органическое вещество-матрицу (кроме синтеза с альгина-том), с водным раствором Na5P3O10 • 6H2O при молярном отношении Ca : Na = 2 : 1. В синтезах с аминокислотами и трилоном Б соотношение кальция и матрицы соответствовало стехиомет-рическому. Концентрации аминокислот и трилона Б в растворах с кальцием находились в диапазоне 0.1—2.6% и в случае с аспарагиновой и глутамино-вой кислотами ограничивались их растворимостью в воде (табл. 2). Содержание мальтодекстрина составляло 0.03 г в 10 мл раствора Ca2+. В случае с трилоном Б продукт реакции высаливали из раствора этанолом. В синтезах с альгинатом раствор, содержащий альгинат и триполифосфат натрия (концентрация NaAlg в растворе с полифосфатом 0.06%), добавляли к раствору Ca2+. Из образовавшегося кальцийальгинатного геля через несколько минут выпадал осадок триполифосфата натрия-кальция.
Для синтеза пероксопроизводных кальций-триполифосфата использовали 70%-ный водный раствор пероксида водорода, полученный перегонкой содержащего стабилизатор коммерческого ~50%-ного раствора H2O2.
Синтез проводили двумя методами:
I
10 20 30 40 50 60 70
29, град
Рис. 1. Дифрактограмма образца Na0 4Ca2 3P3O10 •
4H2O, полученного из раствора с аминокапроновой
кислотой.
1) реакцией триполифосфата натрия-кальция с 70%-ным раствором H2O2 при 0°C;
2) выдерживанием порошков полифосфата в парах H2O2 в эксикаторе над ангидроном (Mg(ClO4)2 • 2H2O) при 5°C.
В полученных соединениях методами химического анализа определяли содержание кальция, полифосфата, пероксидного (активного) кислорода. Образцы полученных соединений анализировали на содержание углерода, водорода, азота с использованием CHN-анализатора EA 1108 Carlo Erba Instruments (Италия).
ИК-спектры веществ в виде таблеток с KBr записывали на приборе Specord M-80 в области 400-4000 см-1.
Дифрактограммы порошков регистрировали на рентгеновском дифрактометре Rigaku c гониометром RINT 2000 в Си^а-излучении (напряжение на аноде 50 кВ, ток анода 250 мА) интервал 29 = 10°-70°.
Микроструктуру образцов изучали методом РЭМ на рабочей станции Carl Zeiss NVi
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.