НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 1, с. 75-82
УДК 541.51:542.6
СОСТАВ И СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В СИСТЕМЕ Ca2+-Mg2+-HP O^-HC O¡ В ПРИСУТСТВИИ ИОНОВ Na+, K+, Cl-, S O¡
© 2004 г. С. В. Дорожкин
Королевский университет, Кингстон, Канада Поступила в редакцию 19.02.2003 г.
Проведены эксперименты по кристаллизации из водных раствора в системе Ca2+-Mg2+-HPO2 -
— 2-HC O3 в присутствии ионов Na+, K+, Cl- и sor , что обусловлено присутствием указанных компонентов в плазме крови человека. Выявлена зависимость химического состава и физико-химических свойств осадков от концентрации исходных растворов.
ВВЕДЕНИЕ
В течение последнего десятилетия в мире активно используются растворы искусственной
плазмы крови человека (ПКЧ)1 для моделирования процесса роста костной ткани. Искусственная ПКЧ является водным раствором неорганических ионов в концентрациях, аналогичных тем, которые присутствуют в реальной ПКЧ (табл. 1). Благодаря такому сходству кристаллизующиеся из искусственной ПКЧ осадки по своему химическому и фазовому составу близки к соответствующим свойствам кости человека [1-4].
Поскольку ПКЧ представляет собой весьма незначительно пересыщенный раствор, лабораторные эксперименты с искусственной ПКЧ являются продолжительными (несколько недель), да и количества выпадающих кристаллов оказываются незначительными. Для ускорения работы и получения достаточных количеств кристаллов используются растворы со степенью пересыщения 150 или 200% от ионной концентрации ПКЧ [5-8]. Некоторые исследователи используют водные растворы со степенью пересыщения 500% от ионной концентрации ПКЧ [9, 10]. Такие высокие концентрации растворов, во-первых, никогда не встречаются в природе, а во-вторых, могут каким-то образом отразиться на химическом составе и свойствах кристаллизующихся фосфатов кальция. Однако в литературе не приводится никаких сведений по данному вопросу.
В настоящей работе исследованы химический и фазовый состав осадков, образующихся при кристаллизации из водных растворов в системе
1 В английской версии simulated body fluid (SBF).
Са2+^2+- НРО4 -НС 03 в присутствии ионов
К+, С1- и 8 04 , причем растворы готовились таким образом, чтобы молярные соотношения между ионами соответствовали ПКЧ.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Способ приготовления растворов аналогичен [2]. Для того чтобы приготовить искусственную ПКЧ, нужно растворить в дистиллированной воде следующие неорганические соединения в указанной последовательности (г/л): №С1 - 5.403, ШНСОз - 0.736, Ш2С03 - 2.036, КС1 - 0.225, К2НР04 ■ 3Н20 - 0.238, MgC12 ■ Н20 - 0.311, СаС12 -0.293, №2804 - 0.072 г/л. Кислотность (рН) такого раствора будет порядка 10.5 в то время как рН человеческой крови находится в пределах 7.25-7.40. Для снижения кислотности до физиологического уровня авторы [2] предлагают добавлять около 12 г/л ОЭПЭС 2-(4-(2-оксаэтил)-1-пиперазин)этан сульфоновая кислота), который обладает буферными свойствами. При этом одновременно с увеличением кислотности искусственная ПКЧ обогащается и органическим соединением, которое не входит в состав натуральной ПКЧ.
Однако таким способом можно приготовить растворы со степенью пересыщения не более 150% от натуральной ПКЧ. При более высоких концентрациях кристаллизация начинается в момент приготовления растворов. Чтобы преодолеть эту трудность, в данной работе предлагается разделять катионы кальция и магния от анионов фосфата и карбоната и, как следствие, готовить не один, а два раствора (называемых ниже рас-твор-Са и раствор-Р04), смешение которых в рав-
Таблица 1. Химический состав растворов, использованных в данной работе
Раствор C, мМ
Na+ K+ Са2+ Mg2+ С1- HTO3 HP02 S02- pH
ПКЧ 142.0 5.0 2.5 1.5 103.0 27.0 1.0 0.5 7.25-7.40
Искусственная ПКЧ [2]* 142.0 5.0 2.5 1.5 103.0 27.0 1.0 0.5 7.40 ± 0.01
200%-ный раствор-Са 284.0 10.0 10.0 6.0 206.0 - - 1.0 7.40 ± 0.02
200%-ный раствор-Р04-ИС1 284.0 10.0 - - =230 =60 4.0 1.0 7.40 ± 0.02
200%-ный раствор-Р04-С02 284.0 10.0 - - 206.0 =210 4.0 1.0 7.40 ± 0.02
400%-ный раствор-Са 568.0 20.0 20.0 12.0 412.0 - - 2.0 7.40 ± 0.02
400%-ный раствор-Р04-ИС1 568.0 20.0 - - =460 = 120 8.0 2.0 7.40 ± 0.02
400%-ный раствор-Р04-С02 568.0 20.0 - - 412.0 =420 8.0 2.0 7.40 ± 0.02
800%-ный раствор-Са 1136.0 40.0 40.0 24.0 824.0 - - 4.0 7.40 ± 0.02
800%-ный раствор-Р04-ИС1 1136.0 40.0 - - =920 =240 16.0 4.0 7.40 ± 0.02
800%-ный раствор-Р04-С02 1136.0 40.0 - - 824.0 =850 16.0 4.0 7.40 ± 0.02
1200%-ный раствор-Са 1704.0 60.0 60.0 36.0 1648.0 - - 6.0 7.40 ± 0.02
1200%-ный раствор-Р04-ИС1 1704.0 60.0 - - =1850 =480 24.0 6.0 7.40 ± 0.02
1200%-ный раствор-Р04-С04 1704.0 60.0 - - 1236.0 = 1700 24.0 6.0 7.40 ± 0.02
* Искусственная ПКЧ содержит около 12 г/л ОЭПЭС [2].
ных объемах даст раствор искусственной ПКЧ требуемой концентрации. Вместо использования ОЭПЭС, отсутствующего в натуральной ПКЧ и обладающего недостаточной растворимостью в воде, необходимой для приготовления концентрированных растворов, в данной работе кислотность растворов увеличивали двумя способами: либо добавлением нескольких милилитров 7 М раствора HCl (такие растворы мы назвали рас-твор-Р04-ИС1), либо путем барботирования газообразного С02 (такие растворы мы назвали рас-твор-Р04-С02). Состав использованных в данной работе растворов приведен в табл. 1.
После приготовления раствор-Са и раствор-Р04 подогревали до 37.0 ± 0.2°С (температура человеческого тела) и равные объемы (по 300 мл) растворов смешивали в пластиковых банках. Затем сосуды плотно закрывали пластиковыми
Таблица 2. Химический состав осадков, образовавшихся после смешения равных количеств раствора-Са и раствора-Р04-С02
Степень пересыщения, % C, мас. %
Са2+ Mg2+ Р03- С02- И20
200 31 ± 1 0.5-1.0 43 ± 3 19 ± 2 10 ± 2
400 31 ± 1 0.5-1.0 39 ± 3 26 ± 2 8 ± 2
800 30 ± 1 0.5-1.0 31 ± 3 33 ± 2 7 ± 2
1200 30 ± 1 0.5-1.0 26 ± 3 40 ± 2 6 ± 2
крышками и помещали в сушильный шкаф (температура 37.0 ± 0.2°С) на 72 ч, где их периодически встряхивали. По истечении указанного времени сосуды вынимали из шкафа и образовавшиеся суспензии фильтровали через бумажный фильтр "синяя лента". Полученные осадки сушили (примерно 24 ч) в том же самом сушильном шкафу при температуре 37.0 ± 0.2°С до достижения постоянной массы. Структурные свойства полученных осадков исследовали методами рентге-нофазового анализа, ИК-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием приставки для локального химического анализа (энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX)).
Химический анализ осадков проводили путем растворения навески 0.20 ± 0.01 г в 10 мл 0.5 M HCl с последующим определением концентрации кальция и магния (титрование 0.01 М раствором Трилона Б в присутствии индикатора) и фосфата (фотометрически, через образование желтого фосфат-молибдатного комплекса) [11]. Количество карбонатов в осадках измеряли методом микродиффузии (0.02 г осадка растворяли в 5 мл 0.5 M HC104 в закрытом сосуде; выделившийся С02 абсорбировали избытком 0.05 NBa(0H)2, избыток последнего титровали 0.025 NHQ с фенолфталеином в качестве индикатора) [12]. Суммарное количество адсорбированной и кристал-логидратной воды измеряли гравиметрически, нагревая осадки до 300°С.
Рис. 1. Микрофотографии осадков, полученных при смешении раствора-Са и раствора-Р04-С02 (см. табл. 2): а - 200%, б - 400%, в - 800%, г - 1200%.
Рис. 2. Микрофотографии осадков, полученных при смешении раствора-Са и раствора-Р04-НС1 (см. табл. 3): а - 200%, б - 400%, в - 800%, г - 1200%.
I, отн. ед.
3500 г
3000 2500 2000 1500 1000 500 0
—J—, ■ 1, || ,■!—Л^Ь—
200%
' '1,1_,1 II I ,1
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
20, град
Рис. 3. Дифрактограммы осадков из табл. 2 (для сравнения внизу представлена дифрактограмма стехиометрического гидроксиапатита (ГАП, Садо(Р04)6(0Н)2); на дифрактограмме осадка, полученного из 1200%-ного раствора, проявляются пики карбоната кальция).
I, отн. ед.
4000 -
3500 \
3000
2500
2000 л
1500
1000
500 -
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
20, град
Рис. 4. Дифрактограммы осадков из табл. 3 (для сравнения внизу представлена дифрактограмма стехиометрического гидроксиапатита (ГАП, Садо(Р04)6(0Н)2); на дифрактограмме осадка, полученного из 1200%-ного раствора, проявляются пики карбоната кальция).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ смеси фосфатов и карбонатов кальция с незначи-
тельным содержанием магния. Такой химический Химический состав высушенных при 37°С состав характерен для биологического апатита осадков, полученных из растворов разной кон- костной ткани, представляющего собой нестехи-центрации, представлен в табл. 2 (раствор-С02) и ометрическую форму гидроксилапатита 3 (раствор-НС1). Как видно, осадки состоят из Са10(Р04)6(0Н)2, в котором часть ионов кальция
I, отн. ед. 2000
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200
0
0.5 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
4.5 5.0
Е, кэВ
Рис. 5. Результаты локального анализа осадков из табл. 2.
замещена на ионы натрия (в данной работе анализ на натрий не проводили) и магния, а часть ионов фосфата и гидроксида - на ионы карбоната [13-15]. Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение концентрации растворов приводит к изменению химического состава осадков. При этом количество катионов кальция и магния не изменяется, зато в твердой фазе увеличивается содержание карбонатов с одновременным уменьшением содержания фосфатов и кристаллизационной воды.
Электронно-микроскопические снимки полученных осадков представлены на рис. 1 (раствор-С02) и 2 (раствор-ЫС1). Как видно, увеличение концентрации раствора-С02 приводит к уменьшению размеров выпавших кристаллов (рис. 1), в то время как увеличение концентрации раствора-ЫС1 имеет обратный эффект (рис. 2). Более того, осадки, полученные из растворов высокой концентрации, внешне схожи друг с другом (рис. 1в, 1г, 2в, 2г), в то время как осадки, полученные из относительно разбавленных растворов (рис. 1а, 16, 2а, 26), сильно отличаются друг от друга. Это связано с несколькими, одновременно влияющими факторами. Например, различия в форме кристаллов, полученных
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.