ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 5, с. 524-530
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 543.54
ВЛИЯНИЕ ПРЕКУРСОРОВ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА МОРФОЛОГИЮ ЧАСТИЦ ГИДРОКСИАПАТИТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАПИЛЛЯРНОГО ЗОННОГО ЭЛЕКТРОФОРЕЗА
© 2015 г. Т. Г. Джераян*, 1, Н. Г. Ванифатова*, И. В. Фадеева**, Р. Х. Дженлода*, А. А. Бурмистров*, А. В. Руднев*, А. С. Фомин**
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук
119991 Москва, ул. Косыгина, 19 1E-mail: dzherajan@mail.ru **Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
119991 Москва, Ленинский просп., 49 Поступила в редакцию 03.02.2014 г., после доработки 14.04.2014 г.
Предложен комплекс аналитических методов для исследования образцов гидроксиапатита кальция (ГАП), синтезированных на основе нитрата или гидроксида кальция в качестве прекурсоров синтеза. Методами капиллярного зонного электрофореза (КЗЭ), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), динамического (ДС) и статического (СС) светорассеяния проведено сравнительное изучение распределений по размерам в образцах ГАП. Оценено влияние термической обработки на морфологию продуктов синтеза. Установлено, что влияние ультразвука (УЗ) на степень диспергирования частиц ГАП в водных суспензиях зависит от природы прекурсора и термообработки. Показано, что частицы ГАП, синтезированного с использованием гидроксида кальция (ГАП—OH), агрегируют быстрее частиц, синтезированных на основе нитрата кальция (ГАП—NOj). После УЗ-обработки суспензий повышается относительное содержание крупных субмикрочастиц ГАП—NO3 и практически не изменяется распределение частиц по размеру в суспензии ГАП—OH. Термическая обработка порошков ГАП при 900°C снижает способность частиц к агрегированию. Методом КЗЭ установлено, что с увеличением времени УЗ-обработки суспензий относительное содержание нано- и близких по размеру субмикрочастиц ГАП—NO3 заметно возрастает, а в суспензии ГАП—OH изменяется незначительно. Обсуждены причины различий. Предложена методика определения концентрации субмикрочастиц ГАП в суспензии методом КЗЭ. Получена линейная зависимость нормированной площади пика от концентрации ГАП в суспензии.
Ключевые слова: гидроксиапатит кальция, ультразвук, капиллярный зонный электрофорез, сканирующая электронная микроскопия, динамическое и статическое светорассеяние.
DOI: 10.7868/S0044450215050035
Известно, что нанокристаллы ортофосфатов [1], в частности порошки ГАП используют для кальция обладают двумя важнейшими для физио- производства зубных цементов, медицинских логии костной ткани качествами: они находятся в паст и для покрытий имплантатов.
динамическом равновесии с биологическим Морфология наноструктур может существен-
окружением в цикле резорбция/минерализация, но отличаться в зависимости от состава материа-
и их состав и структура близки к к°стн°й ткани ла, его кристаллической структуры и способа по-
человека [1, 2]. Кржталтохимт^кжм анал°г°м лучения. Существующие методы синтеза позво-
минеральной составляющей костной ткани явля- ляют получать частицы различных форм и
ется ГАП, Саю(рО4)6(ОН)2. Нанокристалличе- размеров. Одним из перспективных методов син-
ский ГАП обладает высокой биоактивностью: он теза ГАП является метод осаждения, активно ис-
адсорбирует белки, необходимые для жизнедея- пользуемый для получения нанокристаллическо-
тельности клеток, а также избирателен по отно- го ГАП [2, 4—6]. Исходными веществами (прекур-
шению к функциям клеток, образующих костную сорами) в таких процессах могут выступать соли
и фиброзную ткани [3]. На основе ГАП созданы ортофосфорной кислоты и разнообразные соеди-
композиционные материалы для замещения и нения кальция, такие как СаСО3, Са(NOз)2, CaCl2
восстановления поврежденных костных тканей и Ca(OH)2. Метод позволяет синтезировать мате-
риалы, отличающиеся по составу, стехиометрии и кристалличности в зависимости от условий синтеза. Нанокристаллический ГАП синтезирован с участием Са(ОН)2 и Н3Р04 в качестве прекурсоров в специально подобранных режимах и концентрациях реагирующих соединений [7]. Изучено [8] влияние условий синтеза на образование ультрадисперсных порошков ГАП. Показано, что правильный подбор прекурсоров и их концентраций, а также оптимизация скорости смешивания, температуры и продолжительности синтеза позволяют получать материалы с морфологическими особенностями, аналогичными биогенным материалам [8—10]. Изучено [11] влияние УЗ-излучения на процесс синтеза. Есть данные [12, 13] об одновременном воздействии температуры и УЗ-излу-чения на морфологию частиц ГАП. При этом готовые материалы имели иглоподобную [12] или пластинчатую [13] структуру. В качестве мягкого щелочного агента авторы этих работ использовали мочевину.
При изготовлении различных имплантатов для ортопедии применяют методы ионно-плаз-менного, магнетронного, гидротермального и электрохимического нанесения ГАП на И, ТЮ2 и другие основы [6], поэтому важным свойством ГАП является его термическая устойчивость. Есть подробный обзор работ по влиянию температуры отжига на морфологию образцов ГАП, полученных методом осаждения [2]. Данным методом синтезированы образцы с использованием Са(М03)2 • 4Н20, (МН4)2НР04, МН3 • Н20 в качестве прекурсоров, последующей холодной сушкой в течение 72 ч и отжигом при 800°С в течение 1 ч ГАП, полученный после отжига при 900°С в течение 1 ч [14], представляет собой игольчатые кристаллы длиной до 100 нм. Опубликованы данные [8, 15] об аналогичных исследованиях. Полученный ГАП имеет кристаллическую структуру с сотношением Са : Р равным 1.66. Отмечено [2], что ГАП с сотношением Са : Р в кристаллической решетке в интервале 1.5—1.9 более стабилен по отношению к тепловому воздействию и растворению. Исследованы условия синтеза для получения мелкодисперсных порошков ГАП, которые без отжига и с отжигом при различных температурах используют для получения керамики [15—17]. Керамика на основе подобных материалов имеет наилучшие показатели по механическим характеристикам, плотности, твердости и др.
Дисперсионное состояние суспензии ГАП является отправной точкой для получения качественных пористых матриксов и других материалов [1, 14]. Мы в течение ряда лет проводим исследования влияния состава дисперсионной среды [18, 19] и ультразвука [20] на распределение по размерам нано- и субмикрочастиц в водных суспензиях ГАП. Найдены условия стабилизации сус-
пензий, содержащих нано- и/или субмикрочастицы ГАП. Для изучения поверхностных свойств нано- и субмикрочастиц ГАП, а также процессов агрегирования/диспергирования на основе их электрофоретического поведения, использован метод КЗЭ. Этот метод успешно применяют для разделения органических, неорганических и биологических нано- и субмикрочастиц [21]. Основными достоинствами метода являются высокая эффективность, экспрессность и отсутствие стационарной или псевдостационарной фаз, что позволяет исключить нежелательные взаимодействия.
Цель настоящей работы — изучение влияния природы прекурсора синтеза, термообработки мелкодисперсных порошков после синтеза и времени воздействия УЗ на распределение частиц ГАП по размеру в водных суспензиях. В качестве прекурсоров синтеза использовали нитрат кальция, гидроксид кальция и двузамещенный фосфат аммония. Для оценки распределения частиц по размерам в суспензиях ГАП наряду с КЗЭ использовали методы СЭМ, ДС и СС.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Реагенты. Суспензии 1.0 х 10-3 М ГАП для электрофоретических исследований готовили добавлением соответствующего объема 4.0 х 10-3 М раствора №2НР04 к порошкам ГАП. Все растворы готовили с использованием деионированной воды.
Синтез. Порошки ГАП синтезировали методом осаждения. В качестве прекурсоров синтеза использовали нитрат или гидроксид кальция и двуза-мещенный фосфат аммония. Все синтезы проводили при 20°С. Термическую обработку образцов после высушивания проводили прокаливанием при 900°С в муфельной печи СНОЛ в течение 1 ч.
Аппаратура. Суспензии ГАП анализировали на системе капиллярного электрофореза Капель-105 (Люмэкс, Санкт-Петербург), снабженной спек-трофотометрическим детектором с переменной длиной волны (190—380 нм). Использовали кварцевый капилляр внутренним диаметром 75 мкм, общей длиной 39.0 см и длиной до детектора 29.5 см. Эксперименты проводили при 25°С и X = = 220 нм с источником высокого напряжения положительной полярности. Маркером электроосмотического потока (ЭОП) служил бензиловый спирт. Для восстановления активной поверхности капилляр между измерениями промывали последовательно в течение 2 мин водой, 0.1 М раствором №0Н и буферным раствором (4.0 х 10-3 М №2НР04 с рН 8.4), контролируя степень очистки капилляра по базовой линии на электрофореграм-ме (ЭФГ).
Усл. ед.
24
3
Время, мин
Рис. 1. Электрофореграмма 1.1 х 10-3 М суспензии ГАП -N03 4 х 10-3 М буферный раствор Ш2НР04, рН 8.4, маркер — бензиловый спирт, ввод пробы 30/10 (мБар/с), напряжение 20 кВ, 220 нм.
Великобритания) с гелий-неоновым лазером в качестве источника света при X = 633 нм. Измерение проводили при 25°C. в термостатируемой кювете с l = 10 мм Приготовленную 0.01—0.02% суспензию ГАП отстаивали в течение 10 мин для удаления крупных частиц и отбирали аликвоту объемом 2 мл, либо дополнительно пропускали полученную суспензию через фильтр с размером пор 0.45 мкм.
Размеры частиц в диапазоне 0.01—40 мкм определяли методом СС на приборе Analysette 22 Nanotec plus (Fritsch GmbH, Германия) c УЗ-бло-ком диспергирования (60 Вт, 36 кГц) и тремя полупроводниковыми лазерами с X = 532 и 850 нм в качестве источника света. Приготовленную суспензию обрабатывали заданное время в УЗ-блоке диспергирования и далее насосом подавали для определения.
Фазовый состав полученных порошков устанавливали по данным рентгенографического анализа. Дифрактометр D2 Phaser (Bruker), излучение — CuKa, X = 0.1548 нм. Дифрактограммы обрабатывали с помощью универсальных программ TOPAS и DIFFRAC.EVA.
1
2
Результаты обрабатывали с использованием программы МультиХром для Windows-95\98\NT. По площадям пиков (S) рассчитывали их нормированные значения
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.