ЖУРНАЛ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 60, № 9, с. 1139-1146
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
УДК 546.05+544.02
СИНТЕЗ, СОСТАВ И СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ И ЖЕЛАТИНА
© 2015 г. А. П. Солоненко, О. А. Голованова
Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского E-mail: annsolonenko@gmail.com Поступила в редакцию 07.04.2014 г.
Выполнен синтез твердых фаз в системах Са^03)2—^Ы4)2НР04—желатин—Ы20 с варьируемыми соотношением Са/Р и рН при концентрации биополимера 0—2 г/л. Физико-химическое исследование показало, что в условиях эксперимента осаждаются композиты на основе фосфатов кальция и желатина. Состав минеральной части и количество органической компоненты в осадках определяются значением рН исходной реакционной среды. Установлено, что величина скорости растворения композитов в 0.9%-ном NaCl в 2—3 раза превышает данную характеристику стехиометрического гидроксиапатита и нарастает при переходе к образцам, содержащим октакальция фосфат и брушит.
DOI: 10.7868/S0044457X15090184
Костная ткань человека представляет собой композит из коллагена и биологического апатита ((Са,Ма,МЕ)10(РО4,ИРО4,СО3)6(ОИ,Р,С1,СО3)2) [1], и поэтому синтетические органоминеральные материалы являются предметом многочисленных исследований с позиции возможного применения в медицинской практике для восстановления пораженных и утраченных участков твердых тканей. Для получения подобных материалов предлагается использовать коллаген [2—5], желатин [6—11], хитозан [12—15], целлюлозу [16—18], синтетические полимеры [19—22]. С точки зрения создания искусственных структур, максимально близких к костной ткани, перспективным направлением является разработка способов синтеза композитов с коллагеном. Однако коммерчески доступный белок имеет животное происхождение и обладает потенциально опасными для организма человека свойствами [1]. Наиболее близкий его аналог — желатин (продукт денатурации коллагена, смесь тропоколлагеновых цепей и их фрагментов). Данное вещество имеет низкую стоимость, доступно в достаточно больших количествах, нетоксично, растворимо в воде, а также способно постепенно растворяться в физиологических жидкостях и выводиться из организма. В этой связи желатин также рассматривается в качестве перспективного органического агента, за счет которого возможно модифицирование состава и свойств кальций-фосфатных биоматериалов.
Неорганическая часть композитов представлена, как правило, гидроксиапатитом (ГА, Са10(РО4)6 (ОН)2). Данная соль является термодинамически наиболее стабильной фазой среди всех фосфатов кальция и характеризуется малой растворимостью
(ПРГА8 К= 116.8 [23]). При этом усиливающийся в медицине регенерационный подход диктует необходимость повышения растворимости биоматериалов для обеспечения постепенной замены искусственной конструкции костной тканью. Повысить растворимость возможно путем корректировки состава синтетического объекта за счет введения легкорастворимой органической компоненты и/или сочетания в минеральной его части фосфатов кальция с различающейся кинетикой резорбции.
Ранее нами были проведены исследования, позволившие установить возможность получения смесей ГА и брушита путем осаждения в системе Са(МО3)2-(МИ4)2ИРО4-МИ4ОИ-И2О [24]. В настоящей работе представлены результаты синтеза и физико-химического исследования композитов на основе фосфатов кальция и желатина.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Твердые фазы получали методом осаждения в системе Са(МО3)2—(МИ4)2ИРО4—желатин—И2О в следующих условиях: 1) Са/Р = 1.70, рН 6.00, 9.00, 12.00 (±0.05); 2) Са/Р = 1.00, рН 5.50 (±0.05). Во всех экспериментах предварительно готовили растворы с заданной концентрацией нитрата кальция и 0.5, 1.0, 1.5 или 2.0 г/л желатина (марка П-11). В первой серии синтезов к кальциевому раствору приливали раствор (МИ4)2ИРО4 со скоростью 4.5—5.0 мл/мин при постоянном перемешивании реакционной смеси. Во втором случае соблюдали обратный порядок смешения реагентов при высокой скорости их сливания. Корректировку кислотности среды осуществляли после полного прибавления ком-
I, отн. ед 240'
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
- J IljV^J^^^
и w
l/V 1 „J\ ^
JL^VJ 1 w
II 4
I, отн. ед. 240
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
10 20 30 40 50 29,град
60
70
10 20
30 40 50 29, град
60 70
Рис. 1. Дифрактограммы образцов, осажденных в отсутствие желатина (а) и в водно-желатиновом растворе (Сжел = = 1 г/л) (б). 1, 5- рН 12.00, фаза - ГА; 2, 6- рН 9.00, фаза - ГА; 3 - рН 6.00, фаза - ГА, брушит, монетит; 4, 8- рН 5.50, фаза - брушит; 7 - рН 6.00, фаза - ГА, октакальция фосфат (ОКФ), монетит. Присутствие монетита в составе осадков из растворов с рН 6.00 вызвано частичным обезвоживанием брушита в процессе сушки порошка.
понентов системы при помощи HNO3 (1 : 1) или NH4OH (конц.). По истечении 48 ч выдерживания при комнатной температуре (22—25°С) осадки отфильтровывали от маточного раствора под вакуумом, высушивали при 80°С, подвергали помолу в фарфоровой ступке, после чего взвешивали и исследовали с применением группы физико-химических методов.
Рентгенофазовый анализ (РФА) порошковых образцов проводили на дифрактометре D8 Advance (Bruker) с расшифровкой дифрактограмм в программном комплексе EVA (Bruker). Расчет размеров кристаллитов (областей когерентного рассеяния, ОКР) выполняли в программе TOPAS 3.0 (Bruker). ИК-спектры поглощения осадков регистрировали на ИК-Фурье-спектрометре ФТ-801 (Симекс), пробы готовили прессованием в таблетки с KBr. Морфологию частиц осадков исследовали с применением оптической микроскопии (микроскоп МБР-1, 120-кратное увеличение). Закономерности процессов термопревращения веществ, слагающих образцы, изучали методом термогравиметрии (STA-449C Jupiter, Netzsch). Исследовали процесс растворения образцов в 0.9%-ном NaCl. Измерения проводили в термостатируемой ячейке при температуре 37.0 ± 0.2°С в течение 2 ч при постоянном объеме жидкой фазы и перемешивании. В ходе эксперимента контролировали
концентрации ионов Са2+ и PO^-. Морфологический и функционально-групповой состав твердых фаз после растворения определяли методами оптической микроскопии и ИК-Фурье-спектро-скопии.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Состав, дисперсность и морфология твердых фаз. По результатам физико-химических исследований установлено, что природа неорганической части осадков, формирующихся в водно-желатиновых системах, в изучаемом диапазоне концентраций белка (0.5-2.0 г/л) определяется значением рН среды. Влияние на фазовый состав образцов количества органической добавки достоверно не выявлено. Согласно данным РФА, во всех исследуемых водно-желатиновых системах с рН 5.50 осаждается брушит (рис. 1). В слабокислой среде (рН 6.00) в присутствии желатина образуется октакальция фосфат (ОКФ, Са8Н2(РО4)6 • 5Н2О) в смеси с несте-хиометрическим гидроксиапатитом (нГА) и бруши-том (СаНРО4 • 2Н2О) (рис. 1б). Формирование фаз Са8Н2(РО4)6 • 5Н2О и СаНРО4 • 2Н2О может быть вызвано диффузионными затруднениями в вязких растворах, которые приводят к замедлению процессов перекристаллизации первоначально сформировавшихся метастабильных частиц и образованию термодинамически более устойчивых структур. Основной неорганической фазой образцов, полученных из щелочных (рН 9.00, 12.00) водно-желатиновых сред, является плохо окристал-лизованный и/или высокодисперсный ГА. Согласно расчетам величин ОКР (Ь), его кристаллиты в составе композитов имеют размеры порядка 7 нм, т.е. они в 1.5-2 раза меньше частиц, кристаллизовавшихся из водных растворов при тех же значениях рН (Ь 10 и 13 нм соответственно).
Методом ИК-Фурье-спектроскопии установлено, что в водно-желатиновых растворах с рН 9.00
формируется нестехиометрический карбонатгид-роксиапатит (нКГА) преимущественно А-типа (на ИК-спектрах (рис. 2) присутствуют плечо при 525 см (Sho-po,) и моды карбонат-ионов при 1540, 1450 см-1 (v3) и 880 см-1 (v2)). В более щелочных средах (рН 12.00) кристаллизуется КГА Б-типа (в ИК-спектрах фиксируются максимумы при 1460, 1422 см-1 (v3) и 875 см-1 (v2)). Смена механизма встраивания анионов может быть связана с повышением доли полностью депротонированной формы карбонат-ионов в щелочных средах. О формировании аморфного фосфата кальция (АФК, СахНу(РО4)г • яН2О) при рН 6.00, 9.00 и 12.00 наряду с ГА и кислыми фосфатами кальция свидетельствует плечо в области 1225 см-1 на спектрах композитов. Фазовый состав минеральной части смесей, кристаллизующихся в водно-желатиновых кальци-ево-фосфатных растворах, приведен в табл. 1.
В ИК-спектрах твердых фаз, формировавшихся в водно-белковых растворах (рис. 2), фиксируются полосы колебаний функциональных группировок желатина (3300-3100 см-1 (v(N-H)), 2940 и 2880 см-1 (v(C-H)), 1650 см-1 (8(N-H), v(C=O), v(O-H)), что свидетельствует о включении органической компоненты в состав образцов. При снижении рН исходных реакционных систем по ИК-спектрам осажденных в них композитов прослеживается рост интенсивности максимумов поглощения связей С-Н, что указывает на более высокое содержание желатина в порошках из растворов со слабокислой реакцией среды. Присутствие в составе осадков биополимера, согласно [7], связано с его участием в процессе фазообразования. При формировании минерального вещества в системе, содержащей белок, зарождение новой фазы инициируется активными центрами (группировками -СООН, —NH2), входящими в состав органических молекул. Одновременное присутствие в растворе большого числа центров кристаллизации, а также диффузионные затруднения массоперено-са в вязких средах, вероятно, обусловливают преимущественное протекание стадии зарождения без существенного последующего роста образовавшихся частиц. Как следствие, кристаллиты в составе композитов имеют меньшие размеры в сравнении с таковыми для монофазных образцов ГА (см. выше). При этом частицы минеральных и композитных образцов имеют схожую морфологию (рис. 3). Они представляют собой агрегаты, построенные из кристаллов брушита и/или ГА.
Термическое разложение композитов, согласно данным термогравиметрического анализа (ТГА) и ИК-Фурье-спектроскопии,
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.