Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии
На правах рукописи
Попрыгина Татьяна Дмитриевна
СИНТЕЗ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГИДРОКСИАПАТИТА, КОМПОЗИТОВ И ПОКРЫТИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ.
Специальность 02.00.01 - неорганическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Воронеж - 2012
Работа выполнена в Воронежской государственной медицинской академии им.Н.Н.Бурденко
Научный консультант: доктор химических наук, профессор Пономарева Наталия Ивановна
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Гидроксиапатит (ГА) Са10(РО4)6(ОН)2 является основным неорганическим компонентом костной и зубной ткани человека и животных, поэтому возрастающий интерес к материалам на основе ГА обусловлен возможностями их использования в репаративной медицине. В настоящее время известны различные способы синтеза ГА, однако как биологические, так и механические свойства чистых порошков оставляют желать лучшего. Уникальные свойства нативной костной ткани связаны с сочетанием в ней органических (белки коллагеновой природы, полисахариды и др.) и неорганических (ГА и примеси других кальцийфосфатных фаз) составляющих, поэтому представляется целесообразным развитие новых методов синтеза композитов ГА, позволяющих получать частицы, включенные в биополимерную матрицу. При этом возможно добиться как улучшения биосовместимости, так и увеличения твердости материалов. С другой стороны, свойства как самого ГА, так и композитов на его основе зависят от размера частиц, поэтому усилия многих исследователей направлены на получение нано-ГА, применение которого в качестве наполнителя прочных углеродистых имплантатов открывает широкие перспективы ложивления инертных материалов-матриц в восстановительной хирургии. В этом случае представляет интерес также исследование резорбируемости кристаллов определенного состава, размера и морфологии в порах импрегнированного имплантата.
Нанесение гидроксиапатитовых покрытий на титановые имплантаты производится с целью улучшения биосовместимости и коррозионной стойкости материалов, применяемых в восстановительной хирургии и стоматологии и сопряжено с многочисленными трудностями: воЧпервых, все известные способы получения покрытий на титане требуют дорогостоящей аппаратуры или длительной многостадийной обработки, вовторых, толщина образующихся пленок мала, а адгезия кристаллов к поверхности титана неудовлетворительна, в результате чего пленки не выдерживают испытаний при стерилизации и перемешивании в модельных жидкостях организма, в-третьих, представляет сложность получение однородных по толщине слоев на изделиях сложной формы, применяемых для медицинских целей. Таким образом, актуальной проблемой является разработка новых способов получения кальцийфосфатных покрытий на поверхности титана и исследование их резорбируемости in vitro.
Цель работы: разработка новых методов экспресс-синтеза ГА, композитов и покрытий на его основе и изучение зависимости свойств от состава этих материалов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка новых способов экспресс-синтеза нанокристаллического ГА, отличающихся простотой исполнения.
2. Исследование возможности импрегнирования углеродистых имплантатов ГА и снижения его резорбируемости in vitro при различных значениях рН среды.
3. Получение композитов ГА с биополимерами, изучение зависимости твердости полученных материалов от их состава и условий синтеза.
4. Установление влияния избытка ионов кальция в растворе на состав и свойства образующихся композитов в системах ГА - биополимер.
5. Формирование биоактивных покрытий на титане осаждением из растворов и исследование влияния неорганических (соли железа) и органических (биополимеры) добавок на целевые характеристики (резорбируемость, адгезия).
Научная новизна:
1. Доказано, что доминирующим фактором при синтезе кристаллов ГА стехиометрического состава из растворов является скорость смешения реагентов; предложено использование ализаринового красного в качестве нуклеатора; разработан способ синтеза нанокристаллического ГА в микроэмульсионных системах.
2. Получены экспериментальные данные о резорбируемости ГА в составе импрегнированных имплантатов в зависимости от состава, размера и морфологии кристаллов.
3. Исследованиями композитов ГА с биополимерами (хондроитинсульфат, желатин) установлено возрастание микротвердости с увеличением соотношения Ca/P. Обосновано преимущество хондроитинсульфата как реакционной среды и активного реагента по отношению к Ca 2+.
4. Разработан метод химического осаждения пленок карбоната кальция на титан и установлены закономерности изменения их состава до кальцийфосфатных фаз. Обнаружено положительное влияние примесей ионов Fe 2+ на характеристики пленок (адгезия, резорбируемость).
Практическая значимость результатов работы:
Разработанные методы экспресс-синтеза ГА могут быть рекомендованы для создания материалов с пониженной резорбируемостью в кислой среде, применяемых в стоматологии и восстановительной хирургии.
Синтез композитов ГА с гетерополисахаридами и полипептидами при избытке Ca2+ открывает возможности получения материалов с заданным качественным и количественным составом и высокой твердостью.
Предложенный способ нанесения ГА на титан позволяет формировать покрытия контролируемого состава, морфологии, кристалличности и толщины при наличии хорошей адгезии, не требует дорогостоящего оборудования и может быть модифицирован для получения не только гидроксиапатитовых, но и других покрытий.
Положения, выносимые на защиту:
1. Способ осаждения кристаллического ГА в водном растворе или модельной жидкости организма (SBF) с обязательным капельным смешением реагентов и добавлением нуклеатора, позволяющий на несколько порядков сократить время процесса по сравнению с известными в таких системах.
Способ синтеза нанокристаллического ГА в микроэмульсионных системах.
2. Характер влияния размера кристаллов, фазового и элементного состава на резорбируемость ГА в составе импрегнированых углеродистых имплантатов в кислой и слабощелочной среде.
3. Зависимость состава и свойств композитов ГА с биополимерами от соотношения Са:Р в растворе и типа биополимера как основа получения композитов с высокой микротвердостью.
4. Новый способ осаждения карбонатных пленок на поверхности титана с их последующей трансформацией в фосфатные и гидроксиапатитовые и возможность моделирования резорбируемости покрытий.
Публикации и апробация работы.
По материалам диссертации поданы заявки на изобретения, получен патент, опубликовано 18 работ, из которых 8 статей в журналах, входящих в утвержденный ВАК РФ перечень научных изданий. Результаты исследований были доложены на III Всероссийской конференции Физикохимические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (Воронеж, 2006); Всероссийском совещании Биокерамика в медицине (Москва, 2006); III Всероссийской научно-методической конференции Пути и формы совершенствования фармацевтического образования. Создание новых физиологически активных веществ (Воронеж, 2007); VI Всероссийской конференции Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы) (Воронеж, 2007); IV Всероссийской научной конференции Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (Воронеж, 2008); VII Всероссийской конференции Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы) (Воронеж, 2009), V Всероссийской конференции Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (Воронеж, 2010); 66 региональной научной конференции по фармации и фармакологии (Пятигорск, 2011);
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (205 наименований). Работа изложена на 157 стр., включая.. рисунков и..
таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В главе 1 рассматривается проблема получения материалов на основе ГА, применяемых в репаративной медицине. Рассмотрены известные способы синтеза ГА, композитов и пленок на его основе и показано, что простые в исполнении методы требуют длительного времени и не всегда обеспечивают требуемый уровень управления свойствами целевого продукта.
Отдельной задачей является синтез нанокристаллического ГА, необходимого для получения материалов с высокой биологической активностью, адгезией в пленочном состоянии, микротвердостью и пониженной резорбируемостью, требующейся при импрегнировании крупнопористых углеродистых имплантатов для восстановления больших участков костной ткани.
В главе 2 приведено детальное описание предложенных способов синтеза ГА в водном растворе, в модельной жидкости организма (SBF), а также в микроэмульсионной системе и получения соответствующих покрытий на титане. Обоснован выбор объектов (биополимеров, неорганических и органических добавок), определяющих состав и свойства нанокристаллов, композитов и пленок. Показано, что применяемый комплекс физико-химических методов исследования позволяет контролировать элементный (ЛРСМА: INCA Energy-250), фазовый (РФА:
ДРОН-3М, ДРОН-7) состав, структуру (ИКС: Инфралюм ФТ-02, Specord IR-75, Bruker Equinox 55), морфологию и размер частиц (СЭМ:
JSM-6380 LV; ПЭМ: ЭМВ 100БР; оптическая микроскопия: МИКМЕД1), микротвердость композитов по Виккерсу (ПМТ-3, FISCHERSCOPE H100C), толщину пленок (МИИ-10, МИИ-4, FISCHERSCOPE XDAL) и их адгезию (метод решетчатых надрезов (МРН), метод параллельных надрезов (МПН)). Рассмотрена целесообразность исследования резорбируемости полученных образцов в кислой и слабощелочной средах, имитирующих биологические жидкости.
В главе 3 представлены собственные результаты по разработке новых и оптимизации известных методов синтеза ГА, особенностям импрегнирования углеродистых имплантатов полученным гидроксиапатитом и исследования резорбируемости образцов с различным мольным соотношением Са:Р в слабощелочной и кислой среде.
В основу оптимизации синтеза были положены известные факты о механизме роста кристалла ГА, имеющем больше сходства с ростом кристаллов протеинов и вирусов, чем с формированием неорганических кристаллов: отдельные кластеры Са9(РО4)6 являются устойчивыми субъединицами роста, предпочитающими спиральную укладку с большим сопротивлением инкорпорирования (внедрения в объем). Поэтому при водных синтезах одномоментное смешение реагентов приводит к образованию аморфного фосфата кальция, который в дальнейшем претерпевает микрорасслаивание и в процессе частичного растворенияосаждения медленно превращается в ГА. Капельное добавление реагентов позволяет избежать первой стадии образования хаотичных ионных ассоциатов и их агрегатов, предоставляя время для организованной кластерной укладки, а введенные органические вещества частично связывают ионы кальция и являются молекулярными матрицами для направленной нуклеации.
Доказано, что при синтезе ГА в водном растворе согласно реакции 10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3+2H2OСа10(РО4)6(ОН)2+20NH4NO3 (1) обязательным является режим капельного добавления одного раствора к другому со скоростью менее 80 мкл/сек, с введением дополнительных количеств аммиака в систему при уменьшении pH раствора. На рис.представлено изменение мольного соотношения в зависимости от скорости добавления реагентов. При указанных условиях оптимальная скорость составляет 16 мкл/сек, что приводит к мольному соотношению Са:Р=1.67 в полученном ГА, дифрактограмма которого представлена на рис.2.
1,1,Рис.1. Зависимость мольного 1,соотношения Са:Р в полученном ГА от скорости добавления гидрофосфата 1,аммония к нитрату кальция.
1,0 50 100 150 200 250 300 3скорость добавления раствора, мкл/сек В данном режиме достигнуто снижение времени синтеза ГА (24 часа вместо 28 суток). При одномоментном смешении всегда образуются кинетически предпочтительные прекурсоры ГА, находящиеся в аморфном состоянии (рис.3) и медленно превращающиеся в ГА.
2, град.
Рис.3. Дифрактограмма 2, град.
рентгеноаморфного продукта, Рис.2. Дифрактограмма ГА, образующегося синтезированного при одномоментном смешении при капельном смешении растворов.
растворов.
Введение кристаллов ализаринового красного в качестве нуклеатора позволяет сократить время синтеза до 6 часов.
Проведение синтеза в плазмозаменителе (SBF, simulated body fluid) приводит к образованию карбонатгидроксиапатита типа А, более близкого по составу к костной ткани и соответствующего формуле Са10(РО4)6(СО3)0.5x(ОН)2-x, где x<2, т.е. карбонатные группы замещают гидроксильные. Время синтеза при этом не изменяется.
Оптимизированный водный синтез позволяет получить нано-ГА (30-нм) только в разбавленном растворе. После сушки образуются агломераты кристаллов (более 100 нм).
Для предотвращения агломерирования разработан новый микроэмульсионный способ, по которому наночастицы ГА образуются в микрокаплях эмульсии типа вода в масле в результате реакции (1).
Неполярной фазой служит октан или толуол, в качестве гидрофобного эмульгатора используется бис-2-этилгексилсульфосукцината натрия (торговое название АОТ). Установлено, что полученные частицы имеют игольчатую форму: длину 10-20 нм и ширину 2-4 нм (ПЭМ, рис.4). Отжиг образцов при 400С приводит к образованию порошков, содержащих агрегаты частиц размером 25-40 нм (SEM, рис.5).
соотношение Са:Р в продукте Рис.5. СЭМ-микрофотография Рис.4. Светлопольное ПЭМ ГА, полученного микроэмульсионным изображение ГА, полученного способом, после нагревания до 400С.
микроэмульсионным способом.
Метка - 0.5мкм.
По данным ЛРСМА, синтезированный ГА включает примеси других кристаллических фаз, мольное соотношение Са:Р изменяется в пределах 1,651,79. Все образцы, полученные добавлением фосфатной эмульсии к кальциевой и выдержанные менее 8 сут., содержат тетракальцийфосфат (Ca4(PO4)2O), имеющий близкое структурное сходство с ГА. Количество примесных фаз уменьшается со временем, происходит их трансформация в термодинамически наиболее стабильный ГА.
Углеродистые имплантационные материалы, широко применяемые в восстановительной хирургии, для улучшения их свойств (стимуляции остеогенеза) насыщали ГА, который получали следующими способами:
способ 1 (серия №1) - имплант насыщен ГА с примесями других фаз-прекурсоров (Ca3(PO4)2, Са2Р2О7, СаСО3, и т.д.), которые появились в результате присутствия имплантационных материалов в растворе с самого начала синтеза. Соотношение Са:Р = 1.63;
способ 2 (серия №2) - имплант насыщен ГА, полученным в водном растворе нитратным способом. Соотношение Са:Р = 1.67;
способ 3 (серия №3) - имплант насыщен ГА, полученным микроэмульсионным способом и содержащим примеси тетракальцийфосфата Ca4(PO4)2O и аморфной фазы. Соотношение Са:Р = 1.78.
Резорбируемость in vitro изучали в буферных растворах при рН=7.(рН крови, ГА должен быть стабилен), рН=6.0 и рН=4.0 (рН остеокласта, при котором происходит активная резорбция в организме).
При выдерживании образцов в растворе с рН=7.35 относительное изменение массы имплантов (m100% / m) составляет 0.11-0.18% для всех трех серий имплантов.
Результаты испытаний на резорбируемость при рН=6.0 и рН=4.представлены на рис.6,7. Некоторые характеристики и результаты испытаний образцов приведены в таблице 1.
3,2,2 2,1,1, 0, 0,0 100 200 300 4время, мин 0 500 1000 1500 20время, мин Рис.7. Резорбция ГА при рН=4.0; номер Рис.6. Резорбция ГА при рН=6.0; номер кривой соответствует номеру серии.
кривой соответствует номеру серии.
Таблица 1. Характеристики имплантатов, импрегнированных ГА.
№ Абсорбция в Соотн. Размер Макс. Макс.
серии матрице частиц, нм резорбция резорбция Са:Р имплантата, (рН=6.0), (рН=4.0),% (СЭМ) мг/г % 1 38.40.1 1,63 100-2000 2,15 3,2 23.01.0 1,67 80-100 1,15 2,3 22.01.0 1,78 30-50 1,15 1,При исследовании выращенных на имплантах in situ кристаллов ГА обнаружено существенное увеличение резорбируемости (в 2-2.5 раза), что связано с изменением размера частиц (100-500 мкм) и их морфологии (оптическая микроскопия: пластинчатые кристаллы собраны в пучки).
Таким образом, резорбируемость определяется наличием дополнительных фаз в ГА и размерами кристаллов. Для импрегнирования углеродистых имплантатов ГА оптимальны способы 2 и 3, позволяющие получать кристаллы ГА с низкой резорбируемостью в кислой среде.
Глава 4 посвящена получению и исследованию биокомпозитов ГА, обладающих повышенной микротвердостью.
Для получения биоактивных материалов синтез ГА вели в средах, содержащих органические вещества: хондроитинсульфат, желатин, поливинилпирролидон, глюкозамина гидрохлорид. Установлено, что последние два компонента не оказывают существенного влияния на размер кристаллов, их состав и свойства, поэтому основное внимание уделено композитам ГА с хондроитинсульфатом и/или желатином.
При соблюдении идеального мольного соотношения Са:Р=1,обнаружено, что с увеличением концентрации полимеров микротвердость изменяется незначительно, достигая максимального значения 5.03 кгс/мм(49.3 Мн/м2) для композитов ГА/хондроитинсульфат и 3.36 кгс/мм2 (32.Мн/м2) для композитов ГА/желатин. Соответствующие оптимальные концентрации (0.25% хондроитинсульфата и 0.5% желатина) в растворе, резорбция ГА, % резорбция ГА, % приводящие к 7.2 вес.% хондроитинсульфата и 4.3 вес.% желатина в композите, а также другие условия синтеза (температура, порядок добавления реагентов) использовались для получения тройных композитов ГА/хондроитинсульфат/желатин, максимальное значение твердости которых составило 4.60 кгс/мм2 (45.1 Мн/м2). Увеличение содержания серы в композитах (до 0.26 ат.%) коррелирует с увеличением суммарного содержания полимеров (8.350.53 вес.%, гравиметрически), что может косвенно свидетельствовать о преимущественном связывании кристаллов ГА молекулами хондроитинсульфата, а не желатина. Данные ИКС подтверждают, что между молекулами биополимеров и кристаллами ГА существуют только адсорбционные взаимодействия, новых ковалентных связей не обнаружено.
Уменьшение агломерации частиц ГА и увеличение степени связывания полимеров приводит к изменению свойств материалов, в том числе их твердости. С этой целью синтез композитов проводился также в присутствии избытка солей кальция, т.е. при мольном соотношении Са:Р> 1,67. Введение избыточного количества ионов Са2+ придает положительный заряд грануле коллоидного ГА, увеличивая Цпотенциал и усиливая взаимодействие частиц [ mCa10(PO4)6(OH)2 nCa2+ 2(n-x)NO3-]2x+ с отрицательно заряженными в щелочной среде желатином и хондроитинсульфатом, находящимся в ионизированном состоянии. Способ считается биомиметическим, т.к. по принципу многослойной адсорбции заряженных слоев формируются раковины моллюсков и другие биологические объекты.
Наблюдается резкое увеличение твердости композитов ГА / хондроитинсульфат (до 23.9 кгс/мм2=234.22 Мн/м2) при введении избыточного ( 5ммоль по сравнению со стехиометрическим) количества растворимой соли кальция в соответствующие системы при синтезе. На микрофотографиях SEM видна кластерно-агрегатная структура, границы частиц достаточно четкие, средний размер агрегата 0.2мкм. Данные ИКС, ЛРСМА и гравиметрического анализа подтверждают увеличение количества органического полимера в составе композита (до 11.58 вес.% хондроитинсульфата, 0.35-0.4 ат% S, и т.д.) по сравнению с композитами без избытка кальция. Соотношение Са:Р изменяется в пределах 1.67-1.79, т.е.
всегда превышает стехиометрическое, характерное для ГА. На дифрактограммах отдельных образцов наряду с пиками ГА обнаруживаются рефлексы, соответствующие следам других фаз, например Са4Р2О9 с соотношением Са:Р=2.
Микротвердость композитов ГА/желатин, полученных при добавлении избыточного количества солей кальция в соответствующие системы, изменяется более плавно по сравнению с композитами ГА/хондроитинсульфат, достигая значения 12.44 кгс/мм2 (121.9 Мн/м2) при введении 8 ммоль избытка Са2+, далее изменяется незначительно. Композит образуется в виде трудновысыхающего геля, хорошо удерживающего воду.
На микрофотографиях различимы округлые частицы размером менее 50нм.
Типичные дифрактограммы показывают отдельные пики ГА (d = 3.42, 2.81, 2.79, 2.72, 2.60, 2.25, 1.95, 1.84 ) на фоне галодиффузионного рассеяния.
В тройной системе ГА/хондроитинсульфат/желатин максимальное значение твердости составило 26.75 кгс/мм2 (262.15 Мн/м2), что превышает твердость эпоксидных смол с отвердителями и приближается к твердости дентоксида, норакрила и других стоматологических материалов.
При избытке Са2+ ГА связывает большее количество биополимеров (таб.2), поэтому соответствующее изменение твердости объясняется изменением не только соотношения Са:Р, но и ГА: полимер. Оба органических компонента - хондроитинсульфат и желатин - способствуют увеличению твердости полученных материалов, однако по количеству атомов серы и азота, вошедших в состав композита, можно сделать заключение, что в большей степени увеличивается связывание кристаллами ГА хондроитинсульфата, а не желатина, чем и объясняется близость кривых 1 и 2 на рис.8. Как и во всех остальных образцах, содержащих желатин, в композитах обнаруживается большое количество аморфной фазы (РФА). ИКспектры обнаруживают наличие характерных мод колебаний функциональных групп (рис.9), средний размер частиц составляет 100нм (рис.10). В таблице 2 представлены характеристики соответствующих композитов.
Таблица 2. Характеристики композитов ГА/хондроитинсульфат/желатин, полученных при избытке иона кальция в растворе.
Избыток Соотн. S, N, содерж. Микротверд. Микротверд.
Са2+ в Са/Р в ат.% ат.% полимеров Hd, кгс/мм2 Hd, Мн/мрастворе, композ. в композ., ммоль мас.% 1,0 1,67 0,18 0,41 8,12 7,96 78,2,0 1,67 0,22 0,43 8,30 9,12 89,3,0 1,68 0,21 0,43 8,54 12,62 123,4,0 1,71 0,25 0,41 9,72 16,37 160,5,0 1,77 0,28 0,44 11,27 22,92 224,6,0 1,79 0,27 0,47 13,83 23,72 232,7,0 1,80 0,31 0,45 12,58 25,57 250,8,0 1,86 0,28 0,48 12,32 25,83 253,9,0 1,84 0,30 0,52 13,95 26,75 262,10,0 1,88 0,30 0,48 15,21 26,53 259, 3Рис.8. Зависимость твердости 22 композитов ГА с биополимерами от 2количества добавленного в раствор 1100 избытка Са2+:
1 - ГА/хондроитинсульфат/желатин;
2 - ГА/хондроитинсульфат;
0 2 4 6 8 10 3 - ГА/желатин количество избыточного Са2+,ммоль 0,0,0,0,0,0,0,Рис.10. СЭМ-микрофотография 0,поверхности композита ГА/ 0,хондроитинсульфат/желатин, 600 900 1200 1500 18полученного в присутствии избытка Са2+. Метка - 0.1мкм Рис.9. ИК-спектры (область 600-18см-1) : 1 ЦГА; 2 - желатин; 3- композит ГА/хондроитинсульфат/желатин;
4- хондроитинсульфат.
В главе 5 приведены результаты исследований нового способа химического осаждения кальцитных покрытий на поверхности титана с их последующей трансформацией в фосфатные и гидроксиапатитовые и рассмотрена возможность моделирования резорбируемости покрытий.
Для нанесения кальцийкарбонатного покрытия на титан использовали растворы нитрата кальция и гидрокарбоната натрия. Сразу после начала выделения углекислого газа поверхность металла приобретает матовый белесый оттенок, при дальнейшей выдержке пластин в реакционной смеси толщина покрытий быстро увеличивается, достигая 3.5 мкм за 5 мин осаждения при 25С, и практически не зависит от концентраций исходных растворов (в диапазоне концентраций 0.1М - 1М). Согласно данным РФА, образующийся на поверхности титана карбонат кальция кристаллизуется в виде кальцита (d = 3.035, 2.495, 2.285, 2.095, 1.913, 1.875 ). Методом SEM установлено, что после осаждения в течение 15 мин. кристаллы образуют агрегаты размером порядка 5 мкм.
В литературе не найдено соответствующего объяснения протекающих на поверхности титана процессов. Известно, что слабые (но концентрированные) кислоты способны растворять пассивирующую пленку, покрывающую поверхность титана, за счет образования ацидокомплексов H2[TiF6], H2[Ti(C2O4)3], и т.д. Однако нет доказательств, что углекислота микротвердость, Мн/м может обладать подобным действием, т.к. комплексные карбонаты типа М2[Э(CO3)2], М[Э(CO3)2], М6[Э(CO3)5] описаны для немногих элементов (Э=Ве, Sc, Y, La, Th, Ce).
Известно также, что насыщенные растворы гидрокарбонатов способны реагировать с оксидом титана (TiO2) с образованием СаTiO3 (модификация перовскита), поэтому лучшая адгезия покрытия к металлической поверхности может достигаться за счет образования переходного слоя, состоящего из титаната кальция. Данные предположения имеют характер гипотез.
Осажденные кальцитные покрытия служили основой для формирования фосфатов кальция согласно уравнениям реакций:
3СаСО3 + 2РО43- = Са3(РО4)2 + 3СО32- (2) или 10СаСО3 + 6РО43- + 2ОН- Са10(РО4)6(ОН)2 + 10СО32- (3) При этом начальная толщина покрытий увеличивается только для пленок менее 3 мкм. Состав созревающих кристаллов (в условиях данного эксперимента) изменяется очень медленно, по прошествии 7 суток они все еще содержит фазы-прекурсоры ГА (СаСО3 и Сa3(PO4)2), которые со временем переходят в термодинамически более стабильный и наименее растворимый ГА. Соотношение Са:Р на 7, 14, 21, 30 сутки изменяется как 1.530.02, 1.640.03, 1.660.01, 1.670.01, соответственно. Сформированные покрытия представляют собой наноразмерный карбонатгидроксиапатит переменного состава Са10(РО4)6(СО3)x(ОН)2-2х, где x<1. Покрытия не отслаиваются при нагревании до 400С и при дальнейшем выдерживании в дистиллированной воде или физиологическом растворе в течение 14 суток.
Размер агрегатов частиц на поверхности титана достигает 1мкм (рис.10).
Адгезия покрытий (МРН, МПН) составляет 1-2 балла, значительное отслаивание наблюдается для кальцитных покрытий толщиной более 10мкм (адгезия 2 баллов по обеим шкалам).
Рис.10. СЭМ-микрофотография слоя ГА на титане. Метка - 10мкм.
Резорбируемость покрытий также была исследована при биологических значениях рН. Выдерживание образцов в слабощелочной среде (рН=7.35) в течение 30 суток не приводит к изменениям массы и толщины покрытий. При рН=6.0; рН=4.0 максимальное изменение плотности (m/d=0.16 мг/мкм и 0.66мг/мкм на 30-е сутки, соответственно) характерно для покрытий, содержащих карбонат кальция. Кроме того, при рН=4.карбонатные пленки имеют тенденцию к дальнейшему увеличению резорбируемости. ГА с размерами частиц порядка 45нм и мольным соотношением Са:Р=1.64, содержащий аморфный фосфат кальция в качестве примесной фазы-прекурсора, обнаруживает минимальную резорбируемость в кислой среде, как при рН=6.0, так и при рН=4.0 (m/d=0.02 мг/мкм и 0.мг/мкм на 30-е сутки, соответственно).
Было изучено влияние ионов железа на процесс образования пленок.
Обнаружено (SEM, РФА, определение адгезии и толщины), что ион Fe2+ инициирует образование ГА и кальцийизбыточных фаз, а ион Fe3+ ингибирует образование основной фазы и существенно ухудшает качество покрытий. Максимальная устойчивость в кислой среде характерна для покрытий, полученных в присутствии ионов железа (II).
Для увеличения биологической активности ГА-покрытий синтезированы образцы, содержащие хондроитинсульфат и/или желатин.
Установлена максимальная резорбируемость покрытий на основе ГА с желатином и минимальная - с хондроитинсульфатом.
Таким образом, проблема формирования биологически активных кальцийкарбонатных и кальцийфосфатных покрытий на титане решена простым в аппаратурном оформлении, энергосберегающим способом.
Резорбируемость соответствующих покрытий в кислой среде определяется их фазовым и элементным составом и размером кристаллитов.
Минимальную резорбируемость продемонстрировали образцы из нанокристаллического гидроксиапатита.
ВЫВОДЫ 1. Установлено (ЛРСМА, РФА, ИКС, ПЭМ, SEM), что при капельном смешении реагентов и добавлении ализаринового красного, способствующего возникновению центров индуцированной кристаллизации, скорость образования стехиометрического ГА в водном растворе увеличивается более чем в 100 раз по сравнению с эталонным процессом.
Синтез ГА в модельной жидкости организма (SBF) приводит к образованию карбонатгидроксиапатита типа А, соответствующего формуле Са10(РО4)6(СО3)0.5x(ОН)2-x, где x<2 (ЛРСМА, ИКС).
2. Разработан способ синтеза нано-ГА в каплях микроэмульсий, приготовленных на основе толуола/октана и воды с добавлением АОТ в качестве ПАВ. Показано (ПЭМ), что частицы имеют игольчатую форму (длина 10-20 нм и ширина 2-4 нм) и покрыты аморфной оболочкой. Мольное соотношение Са:Р изменяется в пределах 1.65-1.79 (ЛРСМА), образцы содержат дополнительные кальцийфосфатные фазы (Ca3(PO4)2, Ca4(PO4)2O) (РФА, ИКС, ЛРСМА).
3. Показано (ИКС, ЛРСМА, гравиметрический анализ), что при образовании композитов ГА с биополимерами определяющими факторами являются наличие карбоксильных, гидроксильных и сульфогрупп в используемых биополимерах и отрицательный заряд поверхности полимеров.
Хондроитинсульфат и желатин образуют с ГА нанокомпозиты с микротвердостью порядка 30-50 Мн/м2. Избыток ионов кальция увеличивает степень связывания этих органических компонентов с ГА и существенно повышает твердость композитов (до 260 Мн/м2).
4. Предложен новый экономически выгодный способ формирования на поверхности титана биоактивных покрытий путем осаждения из раствора карбонатных пленок с их последующей трансформацией в фосфатные и гидроксиапатитовые. Установлено, что ионы Fe2+ оказывают индуцирующее, а ионы Fe3+ ингибирующее влияние на формирование пленок (SEM, РФА, определение адгезии и толщины).
5. Доказано (РФА, ПЭМ, SEM, оптическая микроскопия), что резорбируемость ГА в составе импрегнированных углеродистых имплантатов, а также покрытий на титане увеличивается при наличии примесных фаз и увеличении размера кристаллов. Минимальную резорбируемость в кислой среде продемонстрировали пленки и наполнители из нанокристаллического ГА, а также пленки на основе ГА с контаминатами ионов железа (II). Даны рекомендации по импрегнированию углеродистых имплантатов ГА.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
1. Пономарева Н.И. Получение кальцитных и апатитовых покрытий на титане / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, В.М.Кашкаров, М.В.Лесовой // Журн. неорг. химии. - 2011. - Т.56, №11.- С.1795-1798.
2. Пономарева Н.И. Композиционные покрытия на титане / Н.И. Пономарева, Т.Д.Попрыгина, С.И.Карпов, Ю.В.Соколов // Журн. общ. химии. - 2011. - Т.81, Вып.9. - С.1415-1420.
3. Пономарева Н.И. Влияние примесей железа на получение и характеристики апатитовых покрытий титановых имплантатов / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, М.В.Лесовой, Ю.В.Соколов // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. - 2010. - Т.9, Вып.2. - С.448-451.
4. Пономарева Н.И. Микроэмульсионный способ получения гидроксиапатита / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, С.И.Карпов, М.В.Лесовой, Б.Л.Агапов // Журн. общ. химии. - 2010. - Т.80, Вып.5. - С.735-738.
5. Пономарева Н.И. Исследование композитов гидроксиапатита с биополимерами / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, С.И.Карпов, М.В.Лесовой, Б.Л.Агапов // Конденсированные среды и межфазные границы.
- 2009. - Т.11, №3. - С.239-243.
6. Пономарева Н.И. Кристаллическая структура и состав биокомпозитов гидроксиапатита, полученных при избытке иона кальция / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, М.В.Лесовой, Ю.В.Соколов, Б.Л.Агапов // Журн. общ.
химии. - 2009. - Т.79, Вып.2. - С.198-202.
7. Пономарева Н.И. Влияние ализаринового красного(С) на формирование кристаллов гидроксиапатита / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, М.В.Лесовой, С.И.Карпов // Журн. общ. химии. - 2008. - Т.78.Вып.4. - С.538543.
8. Пономарева Н.И. Исследование кристаллизации гидроксиапатита в растворах биополимеров / Н.И Пономарева, Т.Д.Попрыгина // Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции: сборник научных трудов.- Пятигорск, 2011.-Вып.66.-С.440-441.
9. Пономарева Н.И. Новый способ получения кальцитных и апатитовых покрытий на титане / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, Ю.В.Соколов // Тез.докл. V Всеросс.конф. Физ.-хим.процессы в конденс.сред. и на межфазн.гран.. - Воронеж, 2010. - С.147-150.
10. Пономарева Н.И. Обработка титановых имплантатов для улучшения их биосовместимости / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина // Вестник молодежного инновационного центра ВГМА: Вып.III. / под ред. проф.
И.Э.Есауленко.- Воронеж, 2010. - С.58-59.
11. Пономарева Н.И. Композиты гидроксиапатита с биополимерами: влияние избытка иона кальция в растворе на кристалличность и состав образующихся фаз / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, М.В.Лесовой, Ю.В.Соколов, Б.Л.Агапов // Мат-лы 7 всеросс. школы-конф. Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы) . - Воронеж, 2009. - С.277-280.
12. Пономарева Н.И. Синтез и исследование композитов гидроксиапатита для применения в качестве лекарственных и парафармацевтических средств / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина // Теория и практика фармации: сборник научных статей, посвященный 90-летию ВГМА им. Н.Н.Бурденко/ под ред.
проф. И.Э.Есауленко. - Воронеж, 2009. - С.81-85.
13. Пономарева Н.И. Состав и структура гидроксиапатита, осажденного в присутствии N-поливинилпирролидона / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, Ю.В.Соколов, Ю.А.Пономарев // Тез.докл. IV Всеросс.конф. Физ.хим.процессы в конденс.сред. и на межфазн.гран.. - Воронеж, 2008. - С.471473.
14. Пономарева Н.И. Формирование кристаллов гидроксиапатита в присутствии ализарина / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, М.В.Лесовой, С.И.Карпов // Мат-лы 6 всеросс. школы-конф. Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы) . - Воронеж, 2007. - С.171-174.
15. Пономарева Н.И. Биологически активные композиции на основе гидроксиапатита для применения в стоматологии и восстановительной хирургии / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина // Тез.докл.3-й Всеросс.науч.метод.конф. Пути и формы совершенств.фармацевтич.обр-ния. Создание новых физиологич.активн.веществ. - Воронеж, 2007. - С.285-287.
16. Пономарева Н.И. Рост кристаллов гидроксиапатита в присутствии модификаторов / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, И.Ю.Ефремов // Тез.докл. III Всеросс.конф. Физ.-хим.процессы в конденс.сред. и на межфазн.гран.. -Воронеж, 2006. - С.406.
17. Пономарева Н.И. Некоторые особенности спектроскопических характеристик гидроксиапатита кальция и композитов на его основе / Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина // Тез.докл.Всеросс.совещ. Биокерамика в медицине. - Москва (РАН), 2006. - С.19-20.
18. В печати: Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, С.И.Карпов, Ю.В.Соколов // Вестник ВГУ. Серия: химия, биология, фармация. - 2012.- №1.- С.? 19. В печати: Н.И.Пономарева, Т.Д.Попрыгина, Ю.А.Пономарев, С.А.Солдатенко // Журн. общ. химии. - 2012. - Т.82, Вып.. - С.? Патент на изобретение Новый способ нанесения покрытий на изделия из титана.
Работы № 1-7, (18), (19) опубликованы в журналах, отвечающих Перечню ВАК РФ.