Введение. Как известно, костные дефекты, возникающие в результате травм либо различных патологий твердых тканей, представляют серьезную проблему в ортопедии [1]. Гидроксиапатит [Ca10(PO4)6(OH)2,(ГАП)], который очень близок по химическому составу с костной тканью, широко применяется в медицинской практике как заменитель костного трансплантата [2–4]. Однако немодифицированный ГАП, используемый в регенеративной медицине, обладает низкой скоростью резорбции и слабым стимулирующим воздействием на рост новой костной ткани.
Известно, что биоапатит содержит в своей структуре 3–8 % масс. карбонат-ионов [5, 6]. Исследователи сообщают [7–9], что внедрение карбонат-ионов существенно влияет на структуру кристаллической решетки ГАП, процесс минерализации и повышает скорость остеоинтеграции. Также указывается, что важную положительную роль играют анионы кремния (до 5 %), особенно на начальных стадиях формирования костного матрикса [10, 11], а дефицит кремния – причина аномального развития скелета [12, 13]. Кроме того, установлено, что синтетический Si-ГАП обладает более высокой скоростью резорбции и биоактивностью по сравнению с немодифицированным гидроксиапатитом. В связи с этим представляется перспективным допирование синтетических гидроксиапатитов карбонат- и силикат-анионами.
Целью настоящей работы являлся синтез наноразмерного гидроксиапатита, допированного карбонат- и силикат-анионами, а также сопоставительный анализ морфологии и физико-химических характеристик синтезированных образцов.
Основная часть. В данной работе были синтезированы образцы наноразмерного ГАП, допированные карбонат- анионами , отвечающие формуле , со степенью замещения х = 1.0 и образцы наноразмерного ГАП, допированные силикат-анионами, отвечающие формуле
, со степенью замещения y = 1.0. В качестве объекта сравнения использовали образцы немодифицированного гидроксиапатита (ГАП) с мольным соотношением Ca/P=1.67.
Синтез гидроксиапатита, допированного карбонат-анионами (КГАП), осуществляли по известной методике [14] в соответствии с уравнением:
10Ca(NO3)2 + 5(NH4)2HPO4 + (NH4)2CO3 + 8NH4OH Ca10(PO4)5(CO3)(OH) + 20NH4NO3 + 6H2O (1)
В качестве прекурсора карбонат-ионов использовали карбонат аммония, необходимое количество которого растворяли в заранее приготовленном растворе нитрата кальция, исходя из мольного соотношения .
Синтез гидроксиапатита, допированного силикат-анионами (Si-ГАП), осуществляли по известной методике [15] в соответствии с уравнением:
10Ca(NO3)2 + 5(NH4)2HPO4 + Si(C2H5O)4 + 10NH4OH
Ca10(PO4)5(SiO4)(OH) + 4C2H5OH + 20NH4NO3 + 5H2O (2)
В качестве прекурсора силикат-ионов использовали ТЭОС, необходимое количество которого вводили в заранее приготовленный раствор нитрата кальция с учетом мольного соотношения .
Во всех случаях синтез проводили при комнатной температуре и рН на уровне 10,5 в реакторе, оборудованном верхнеприводной мешалкой, при интенсивном перемешивании в течение 30 минут. Затем реакционную смесь отстаивали в течение 24 часов, а полученный осадок отфильтровывали, промывали дистиллированной водой, сушили до постоянной массы при температуре 105 °С и далее измельчали в фарфоровой ступке до порошкообразного состояния.
Количественное определение содержания элементов Ca, P, C и Si в синтезированных образцах ГАП, КГАП и Si-ГАП проводили методом рентгеноспектрального микроанализа на растровом ионно-электронном микроскопе Quanta 200 3D.
Фазовый состав полученных порошков изучали методом рентгенофазового анализа (РФА). Размер первичных кристаллитов, образующихся при осаждении немодифицированного ГАП, КГАП и Si-ГАП, рассчитывали по формуле Шеррера согласно данным РФА, а объём элементарных ячеек - по формуле . Съемку рентгенограмм проводили на дифрактометре Rigaku Ultima IV (СuКα - излучение с длиной волны λ =1.54178Å, диапазон углов
, шаг сканирования 0,020, скорость регистрации спектров 30/мин). Результаты обрабатывали с помощью программы PDXL Qualitative Analysis с использованием базы данных ICDD, PDF 2008.
Исследования морфологии поверхности и оценку размера частиц, исследуемых образцов в форме гидрогеля проводили с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM-2100 (фирма JEOL Ltd., Япония). Ускоряющее напряжение электронной пушки составляло 200 кВ, материал катода – монокристалл LaB6, ток утечки при включенном катоде – 101.5 мкА. Изображения получены в просвечивающем режиме при увеличениях до 200000 раз.
Структуру порошков, полученных после высушивания гидрогелей, изучали на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Quanta 200 3D при ускоряющем напряжении электронной пушки 5 кВ с использованием CCD камеры и применением преобразования Хуга. Увеличение изображения составляло до 20000 раз.
Исследование ИК-спектров поглощения полученных порошков проводилось с применением инфракрасного Фурье спектрофотометра «IRPrestige-21» (фирма Shimadzu, Япония) в интервале волновых чисел 4000–400cm−1 (образцы готовили в виде таблетки с KBr).
Результаты и их обсуждение. Согласно результатам РФА все полученные образцы ГАП, допированные карбонат- и силикат-анионами, являются однофазными нанокристаллическими (рис. 1) и могут быть идентифицированы как модификация ГАП (PDF карта № 01-072-1243), а их характеристики представлены в таблице 1. Они принадлежат к той же пространственной группе, что и гидроксиапатит, а именно гексагональной сингонии P63/m. Важно отметить, что дифрактограммы образцов ГАП, допированных карбонат-анионами, отличаются более широкими линиями и меньшей интенсивностью по сравнению с немодифицированным ГАП (рис.1).
Из данных таблицы 1 видно, что все синтезированные образцы ГАП, КГАП и Si-ГАП представлены кристаллитами, средний размер которых составляет 14.30 нм для ГАП, а для образцов КГАП и Si-ГАП – 3.92 нм и 9.68 нм соответственно. Это потенциально должно обеспечить повышенную резорбируемость, а также биоактивность данных материалов.
Рис. 1. Порошковые рентгеновские дифрактограммы образцов ГАП, КГАП и Si-ГАП
Таблица 1
Характеристики полученных образцов (по данным РФА)
|
Образец |
Фаза |
Параметры элементарной ячейки, Å |
Объем элементарной ячейки, Å3 |
Средний размер кристаллитов, нм |
|
|
а |
с |
||||
|
ГАП |
1 |
9.453 |
6.905 |
534.35 |
14.30 |
|
КГАП |
1 |
9.450 |
6.902 |
533.79 |
3.92 |
|
Si-ГАП |
1 |
9.448 |
6.901 |
533.48 |
9.68 |
Для всех синтезированных образцов, находящихся в виде гидрогелей, сразу после синтеза, были проведены морфологические исследования методом просвечивающей электронной микроскопии. Как следует из ПЭМ-изображений (рис. 2), частицы образцов ГАП имеют игольчатую форму длиной 15–52 нм. В то же время, для частиц образцов КГАП и Si-ГАП характерно наличие сферической формы с размерами 12.4– 47.6 нм и 15.7–85.5 нм соответственно. Таким образом, внедрение карбонат- и силикат-ионов в структуру ГАП существенно влияет на морфологию и размер частиц.
Рис. 2. ПЭМ- изображения образцов ГАП (а), КГАП (б) и Si-ГАП (в).
После высушивания гидрогелей все синтезированные образцы представляли собой порошки белого цвета. Проведенный анализ СЭМ изображений порошков показал, что они имеют схожую морфологию и состоят из агломератов размером 1–17 мкм. На рисунке 3 в качестве примера приведены микрофотографии порошков ГАП; КГАП и Si-ГАП.
На рисунке 4 представлены ИК-спектры поглощения полученных образцов ГАП, КГАП и Si-ГАП.
Рис. 3. СЭМ-изображения порошков: ГАП (а); КГАП (б) и Si-ГАП (в).
Рис. 4. ИК-спектры образцов: (1) – ГАП; (2) - Si-ГАП и (3) – КГАП.
На спектре (1) присутствуют полосы поглощения, относящиеся к ГАП: полосы 3570 см-1 соответствуют валентным колебаниям О-Н групп, полосы 960–1098 см-1 отвечают валентным колебаниям фосфатных групп, а полосы 564–605 см-1 принадлежат деформационным колебаниям фосфатных групп.
На спектрах (2) и (3) для гидроксиапатита, допированного силикат- и карбонат анионами, присутствуют полосы поглощения 506–874 см-1, которые указывают на присутствие – ионов в структуре ГАП [16], а также полосы поглощения 1419–1456 и 870 см-1, характерные для
- ионов [17, 18]. В спектрах наблюдается уменьшение интенсивностей полосы валентных
(3570 см-1) и деформационных (630 см-1) колебаний как результат встраивания карбонат- и силикат-анионов в структуру ГАП. ИК-спектры немодифицированного ГАП и ГАП, допированного карбонат- и силикат-анионами, отличаются структурой полос поглощения в интервале частот, отвечающих за валентных колебаний – групп. Если на кривой (1) присутствуют три полосы при частотах 967, 1035 и 1098 см-1 соответственно, то на спектрах (2) и (3) в этой области обнаруживаются только две полосы поглощения (962–1037 см-1 для Si-ГАП) и (960–1036 см-1 для КГАП).
Также для спектров всех образцов характерно наличие валентных колебаний – групп, что связано с адсорбцией углекислого газа из атмосферы воздуха в процессе синтеза.
Исходя из данных ИК-спектроскопии, предполагается следующая схема замещения фосфатных групп в структуре ГАП на карбонат- и силикат-анионами (рис. 5) [19, 20].
Рис. 5. Схема замещения фосфат ионов на карбонат (а) и силикат-анионами (б)
Выводы. Методом осаждения из водных щелочных растворов синтезированы однофазные наноразмерные образцы ГАП, допированные карбонат- и силикат-анионами. Внедрение данных анионов в структуру ГАП существенно влияет на морфологию и размер частиц. Физико-химическими методами анализа установлено, что данные материалы в отличие от игольчатых наночастиц немодифицированного ГАП имеют сферическую форму кристаллитов размером 12–85.5 нм. Это дает возможность рассматривать образцы КГАП и Si-ГАП как перспективные биоматериалом для ортопедического и дентального протезирования.
Благодарность. Работа выполнена с использованием научного оборудования Центра коллективного пользования «Технологии и Материалы НИУ «БелГУ».
