Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 13
1.1. Кристаллохимия гидроксилапатита 13
1.2. Методы синтеза гидроксилапатита 14
1.3. Осаждение гидроксилапатита в водных растворах
1.5. Синтез гидроксилапатита в условиях близким к физиологическим 19
1.6. Изоморфные замещения в структуре апатита
1.6.1. Влияние карбонат - ионов на структуру гидроксилапатита 25
1.6.2. Влияние ионов стронция на структуру гидроксилапатита
1.7. Биологическая роль стронция и лекарственные препараты на его основе 27
1.8. Биоматериалы и биокерамика на основе фосфатов кальция 33
1.9. Композиционные материалы на полимерной основе
1.10. Применение гранул на основе фосфатов кальция 40
1.11. Способ изготовления пористых керамических гранул фосфатов кальция 42
1.12. Способы формирования биомиметических покрытий на титане 44
1.13. Требования к свойствам материалов медицинского назначения 49
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть 54
2.1. Методика получения твердой фазы из модельного раствора синовиальной жидкости при физиологических значениях pH 54
2.2. Определение химического состава надосадочной жидкости 2.2.1. Методика определения фосфат - ионов [ГОСТ 18309–72] 56
2.2.2. Потенциометрическое определения ионов кальция с помощью ионоселективного электрода 56
2.2.3. Методика измерения поверхностного натяжения [ГОСТ 50097-92] 56
2.3. Определение состава твердых фаз 57
2.3.1. Методика электронной растровой (сканирующей) микроскопии 57
2.3.2. Методика анализа методом ИК - спектроскопии 57
2.3.3. Методика рентгенофазового анализа 58
2.3.4. Методика атомно - эмиссионной спектрометрии 58
2.3.5. Методика термического анализа ТГ-ДТГ-ДТА 59
2.3.6. Методика удельной поверхности образцов 59 2.4 Методика получения гранулированного КГА в белковой матрице желатина 60
2.5. Методика получения композита КГА – желатин – Na2SiO3(aq) 61
2.5.1. Методика ситового анализа гранулированного КГА 61
2.5.2. Методика изучения растворения КГА, Sr – КГА и гранулированного КГА 62
2.6. Методы обработки титановой подложки и условия кристаллизации КГА и Sr –
КГА 63
2.6.1. Способы обработки поверхности сплава титана 63
2.6.2. Методика измерения краевого угла смачивания 64
2.6.3. Методика получения покрытия фосфатов кальция на образцах титана 65
2.6.4. Методы математической обработки данных 66
ГЛАВА 3. Результаты термодинамического расчета и синтеза карбонатгидроксилапатита из модельного раствора синовиальной жидкости человека 67
3.1. Термодинамический расчет возможности и условий образований фосфатов кальция 67
3. 1.1. Основные положения термодинамической модели образования минеральных фаз и расчет условий их осаждения 67
3.1.2. Результаты термодинамического расчета образования минеральных фаз 69
3.2.Синтез и свойства карбонатгидроксилапатита 74
3.2.1. Изучение влияния карбонат ионов на процесс кристаллизации 75
3.3. Исследование растворения синтезированного карбонатгидроксилапатита 80
ГЛАВА 4. Синтез и свойства Sr - содержащего КГА 84
4.1. Изучение влияния катионов стронция на кристаллизацию
карбонатгидроксилапатита 84
4.1.1. Кристаллизация карбонатгидроскилапатита в присутствии стронций содержащих агентов при варьировании их концентрации 84
4.2. Кристаллизация карбонатгидроксилапатита в присутствии SrCl26H2O 89
4.2.1. Кристаллизация карбонатгидроксилапатита в присутствии стронций-содержащих агентов при варьировании времени синтеза 89
4.2.2. Кристаллизация карбонатгидроксилапатита в присутствии ранелата стронция (C12H6N2O8SSr2) 96
4.3. Исследование растворения Sr - содержащих КГА 102
4.3.1. Изучение растворение Sr - содержащих образцов, полученных в присутствии хлорида стронция 102
4.3.2. Изучение растворения полученных образцов с добавлением препарата «Бивалос» 108
ГЛАВА 5. Синтез и свойства гранулированного кга в белковой матрице желатина. 112
5.1. Варьирование и подбор оптимальных условий получения гранул КГА - желатин 112
5.2. Характеристики гранулированного КГА 113
5.2.1. Результаты РФА гранул КГА - желатин, полученных при варьировании концентрации желатина 113
5.2.2. Результаты ИК - спектроскопии гранул КГА - желатин, полученных при варьировании концентрации желатина 115
5.2.3. Результаты ситового анализа гранул КГА - желатин, полученных при варьировании концентрации желатина 116
5.2.4. Результаты измерения удельной поверхности, суммарного объема пор, объема микро-, мезо-, макропор 117
5.2.5. Результаты сканирующей электронной микроскопии. 117
5.2.6. Растворение гранулированного карбонатгидроксилапатита 118
5.3. Характеристики гранулированного КГА после термической обработки 121
5.3.1. Результаты термообработки гранул КГА - желатин 121
5.3.2. Результаты рентгенофазового анализа прокаленных гранул КГА - желатин 123
5.3.3. Результаты ИК - спектроскопии прокаленных образцов КГА - желатин 124
5.3.4. Результаты сканирующей электронной микроскопии. 125
5.4. Характеристики гранулированного КГА, модифицированного силикат - ионами 127
5.4.1. Результаты ИК - спектроскопии композита КГА – желатин - Na2SiO39Н2О 127
5.4.2. Результаты ситового анализа гранул КГА – желатин - NA2SiO39Н2О 128
5.4.3. Растворение гранулированного композита КГА – желатин - Na2SiO39Н2О 129
5.4.4. Результаты термообработки гранул КГА – желатин - NA2SiO39Н2О. 132
5.4.5. Растворение прокаленного гранулированного композита КГА – желатин NA2SiO39Н2О 133
ГЛАВА 6. Биомиметические покрытия на основе карбонатгидроксилапатита на сплавах титана 139
6.1. Изменение фазового состава титана и его сплавах при физической и химической обработках 139
6.1.1. Исследование процесса кристаллизации КГА на сплавах титана 140
6.1.2. Исследование адгезионных и морфологических характеристик карбонатгидроксилапатита на сплавах титана 145
6.1.3. Изучение адгезионных характеристик Sr – содержащего КГА на титановых образцах 149
Выводы 157
Список литературы 160
- Методы синтеза гидроксилапатита
- Потенциометрическое определения ионов кальция с помощью ионоселективного электрода
- Основные положения термодинамической модели образования минеральных фаз и расчет условий их осаждения
- Кристаллизация карбонатгидроксилапатита в присутствии ранелата стронция (C12H6N2O8SSr2)
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время большое внимание уделяется созданию
биокомпозитных материалов , предназначенных для замещения костных дефектов,
образующихся в результате изменений (остеопороз, деформирующий артроз, коксит и
др.), травм, хирургических вмешательств. В качестве таких материалов возможно
использование синтетических веществ, наиболее перспективными из которых являются
материалы на основе фосфатов кальция. Данная группа соединений характеризуется
высокой активностью и биосовместимостью по отношению к костной ткани человека.
Химики - синтетики широко используют эти свойства для создания искусственных
костных трансплантатов, которые либо полностью сделаны, либо только их поверхность
покрыта биологически совместимыми фосфатами кальция. Например, порошки,
гранулы, самотвердеющие цементы фосфатов кальция применяются при
восстановлении кости, наряду с этим используются титановые протезы, покрытые поверхностным слоем фосфатов кальция. Пористые опорные конструкции, выполненные из фосфатов кальция, являются многообещающими инструментами в тканевой инженерии.
Современные материалы, применяемые в ортопедии и травматологии, по
возможности должны имитировать естественные ткани организма. Поэтому крайне
желательным процессом является включение в структуру фосфатов кальция ионов,
входящих в состав биологических жидкостей. Для этого учеными разработаны
биомиметические способы получения фосфатов кальция из модельных растворов
биологических жидкостей (SBF, simulated body fluid), слюны (saliva) и жидкости зубного
налета (plaque fluid). Биомиметический метод заключается в осаждении твердой фазы из
прототипов биологических жидкостей. Одной из таких биосред, являющейся основным
компонентом сустава и обеспечивающей его нормальное функционирование, считается
синовиальная жидкость человека (СЖЧ). Процессы кристаллизации фосфатов кальция в
многокомпонентном растворе, моделирующем ионно -электролитный состав
биологической жидкости человека, может существенно отличаться от традиционных способов получения фосфатов кальция и оказывать влияние на получаемые продукты синтеза и их структурно-морфологические характеристики.
В литературе описаны биологические эффекты неорганических ионов, влияющие на процессы, связанные с образование костной ткани, важные для терапии болезней и разработки моделей минерализации и деминерализации костей. На основании экспериментальных и клинических исследований получены доказательства того, что соединения стронция и препараты на его основе стимулируют образование костной ткани, подавляют процесс ее разрушения. Стронций выступает как антагонист кальция в физико - химических процессах и способен конкурировать с кальцием за места в кристаллической решетке гидроксилапатита. Способы внедрения стронция в кристаллическую структуру костного апатита человека изучены недостаточно.
В последнее время большое внимание уделяется изучению соединений
гидроксилапатита с полимерами, в частности - с коллагеном, желатином, хитозаном и
др.. Например, желатинсодержащие гидроксилапатиты кальция являются биологически
важными материалами и могут быть использованы в хирургии и стоматологии. Анализ
медицинских изделий на практике показывает, что одной из наиболее удобных форм их
применения являются гранулы. Так, например, в медицинской практике керамические
гранулы находят применение в следующих областях: реконструктивно -
восстановительная хирургия, стоматология и в системе доставки лекарственных препаратов.
Таким образом, изучение физико – химических основ получения фосфатов кальция может позволить решить одну из проблем создания новых и высокотехнологичных материалов для медицины, которая немыслима без применения искусственных имплантатов – биоматериалов для замены поврежденных тканей и органов.
Цель работы заключалась в установлении закономерностей изменения элементного и
фазового состава, физико – химических свойств карбонатгидроксилапатита,
получаемого биомиметическим методом и композитов на его основе, от параметров модельного раствора синовиальной жидкости человека и условий синтеза.
Задачи исследования:
-
Исследовать термодинамику фазовых превращений фосфатов кальция в растворе моделирующего ионно – электролитный состав синовиальной жидкости человека и разработать методику биомиметического получения карбонатгидроксилапатита.
-
Изучить влияние различных Sr - содержащих агентов и условий кристаллизации (варьирование концентрации, времени синтеза) на состав, структуру и свойства формирующейся твердой фазы и подобрать условия получения Sr – содержащего КГА из модельного раствора синовиальной жидкости человека при вариации параметров синтеза.
-
Разработать методику получения гранулированного композита на основе КГА и желатина и установить физико – химические свойства гранулированного композита на основе КГА и желатина, провести его модификацию силикат – ионами.
-
Исследовать возможность получения биомиметических покрытий на основе КГА, на сплавах титана ВТ1 - 0, ВТ-6, осуществить его допирование и определить условия модификации исходных сплавов титана ВТ1 - 0, ВТ-6 с помощью физико - химических методов.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
Установлены термодинамические характеристики фазовых превращений в
растворе, моделирующего ионно - электролитный состав синовиальной жидкости
человека, определены условия получения КГА при варьировании карбонат – ионов.
Предложены физико – химические условия нового способа получения
карбонатгидроксилапатита из модельного раствора синовиальной жидкости человека. Впервые выявлено влияние различных Sr – содержащих агентов (неорганической соли –
SrCl26H2O и лекарственного препарата «Бивалос» C12H6N2O8SSr2 на кристаллизацию КГА из модельного раствора синовиальной жидкости человека. Выявлены свойства Sr –
содержащего КГА синтезированного из модельного раствора синовиальной жидкости человека. Разработаны физико – химические основы способа получения гранул карбонатгидроксилапатита в матрице желатина. Установлены термопревращения композита на основе КГА и желатина и его модифированной формы на основе силикат -
ионов. Предложен новый подход к получению биомиметического кальций-фосфатного покрытия на сплавах титана из модельного раствора синовиальной жидкости человека. Выявлена биоактивность получаемых композитов на основе КГА в растворах с разным значение pH.
Практическая значимость
Полученные в работе данные могут быть использованы для установления процессов костной кристаллизации, для создания технологии получения КГА, Sr – содержащего КГА (патент № 2496150, патент №2526191, патент №2580633), гранул на основе КГА и желатина (патент №2552756), покрытий КГА на сплавах титана (патент №2532350). Результаты данного исследования могут быть использованы для получения керамических материалов для медицины, а именно для травматологии и
реконструктивно-восстановительной хирургии, стоматологии, разработки новых форм медицинских препаратов, способствующих адресной доставки лекарственных средств, травматологами и ортопедами при лечении больных страдающих остеопорозом и принимающих Sr - содержащие препараты.
Положения, выносимые на защиту
-
Результаты термодинамики фазовых превращений фосфатов кальция из модельного раствора синовиальной жидкости человека и экспериментальные условия кристаллизации КГА при варьировании ионно - электролитного состава, рН раствора.
-
Закономерности кристаллизации Sr – содержащего КГА в присутствии хлорида и ранелата стронция, основные фазовые переходы, структурные характеристики и реакционная способность полученных порошков.
3. Физико – химические основы получения гранулированного композита на основе
Са10(РО4)6(CO3)0,5OH и желатина. Связь реакционной способности полученных
композитов с составом и условиями осуществления синтеза.
4. Параметры получения биомиметических кальций - фосфатных
модифицированных покрытий на сплавах титана, их структурные характеристики.
Изучение физико – химических свойств покрытий при разных способах обработки
поверхности металла, воздействии внешних полей и высоких температур.
Достоверность и надежность
Результаты получены с применением широкого спектра современных
взаимодополняющих физико - химических методов исследования, воспроизводимостью параллельных экспериментов, а также согласием с имеющимися литературными данными.
Апробация работы конференции
Результаты работы представлены на следующих научных
конференциях: международном симпозиуме «Биокосные взаимодействия в природных и
антропогенных системах» (Санкт-Петербург, 2011, 2013, 2014); Всероссийской научной
школы. Превентивная медицина вызовы XXI века (Омск, 2011); III Всероссийской
молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы
исследования» (Миасс, 2011); Всероссийской научной конференций студентов,
аспирантов, сотрудников академии институтов и преподавателей вузов геологического
профиля. Уральская минералогическая школа (Екатеринбург, 2011, 2015);
Всероссийской научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулева студентов и молодых ученых с международным участием. Химия и химическая технология (Томск, 2012, 2014, 2015, 2016); XX International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia RCCT-2013; (Moscow, 2013); The 12th China-Russia Symposium on Advanced Materials and Technologies» (Kunming, Chinа, 2013); Школе-конференции молодых ученых «Неорганические соединения и функциональные материалы», посвященная памяти профессора С.В. Земского, (Новосибирск, 2013); Конференции «Сrystallogenesis and mineralogy» (Novosibirsk, 2013);. 2-ой Всероссийской конференции «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» (Новосибирск, 2013); II Международная Казахстанско-Российская конференция по химии и химической технологии (Караганда, 2012); Всероссийской молодежной конференции «Медицинские основы жизнедеятельности организма в норме, патологии и эксперименте», (Омск, 2012); Международной научной конференции"Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация как форма самоорганизации вещества" (Иваново, 2014); Международной научно-технической конференция аспирантов, магистрантов, студентов, творческой молодежи "Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства" (Омск, 2014); Международная
научная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» ( Ялта, 2015).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 31 работы, в том числе 9 статей в журналах из перечня ВАК, 5 патентов и 17 тезисов докладов. Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ в рамках научных проектов: 15-33-50314 молнр, 140331506 мола, 15-29-04839 офим, 12-03-98011-р_сибирь_а, Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно - педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 (№16.740.11.0602), программа «УМНИК» НИОКР № 011-010/2 от 25 мая 2010 г, ФГБОУ ВПО «ОмГУ им.Ф.М. Достоевского (грант «Молодых ученых ОмГУ»), премии Правительства Омской области для поощрения молодых деятелей науки за 2014 год, стипендия Президента РФ молодым ученым и аспирантам (СП-780.2015.4). Личный вклад автора состоит в критическом обзоре имеющихся литературных источников по теме работы, который позволил сформулировать задачи исследования и спланировать эксперименты. Основная часть результатов, приведенных в диссертации, получена непосредственно автором или при его личном участии. Физико-химические исследования частично проведены на базе ОНЦ СО РАН. Соискателем самостоятельно выполнена обработка, анализ и обобщение полученных данных.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 175 страницах и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов и обсуждения, выводов и списка литературы, включающего 157 ссылок, содержит 54 таблицы, 68 рисунков и 1 приложение.
Методы синтеза гидроксилапатита
Твердофазный синтез (урав. реакц. 1, 2) позволяет получать крупнокристаллический (агломераты до 30 мкм) материал заданной стехиометрии, но требует продолжительного отжига при высоких температурах — 1300С и Pн2о = 150 - 250 мм рт. ст. [2, 3]. Плохая спекаемость порошков гидроксилапатита приводит к низкой прочности получаемой керамики [10, 12]. В качестве исходных соединений при синтезе часто используют Са3(РО4)2, СаНРО4, Са2Р2О7, СаСО3, СаО и др. [2]: 6СаНРО4+ 4СаО Са10(РО4)6(ОН)2 + 2H2O t = 1300С (1) 4СаСO3 + 3Са2Р2O7+H2O(пар) Са10(РО4)6(ОН)2 + 4СО2 (2) На практике преобладают методы синтеза ГА в водном растворе, которые можно подразделить на три основные группы [2, 4 - 5]: 1) осаждение в растворах постоянного или переменного состава, 2) гидротермальный синтез, 3) гидролиз фосфатов кальция. Альтернативные "растворные" способы получения порошков гидроксилапатита включают в себя: золь - гель метод, электрокристаллизацию, распылительную сушку, механохимический синтез, метод эмульсий [3, 4-6]. 1.3. Осаждение гидроксилапатита в водных растворах При осаждении ГА из щелочных водных растворов получают мелкокристаллические осадки гидроксилапатита кальция [3, 6, 7 - 8, табл. 1]: Таблица 1 Способы получения ГА из раствора Исходные реагенты Условия синтеза Морфоповерхностные характеристки Осаждение:Ca(NО3)2(NH4)2HPО4 (0.5 М 1л) рН = 9.5 (NH4OH) Са/Р = 1.5 66 м2/г, агломерат 10-80 мкм из гранул 60 нм Сa(NО3)2 (1М), (NН4)2НРO4 (1 М) pH = 7-ll, (NH3, NH4N03) 115 м2/г Сa(NО3)2 (0.01-1М), (NН4)2НРO4 (0.01 - 1 М) рН = 7-10, (NH3) Са/Р = 1.5-1.67 42-100 м2/г, плоские иголки 15-30 х, 25-70 нм Сa(NО3)2 (0.13М, 2,5л),(NН4)2НРO4 (0.07 М,2,5л) рН = 8.5-9.5 (NH3)100С, 5ч, Са/Р =1.68 6 м2/г, гранулы 5мкм СаС12 (0.5 М), Na2НР04 (0.3 М) pH = 8.5-9.5 (NH3) 70С, 24ч, Са/Р = 1.65 40 м2/г СaCl2 (0.5 М, 7 л), Н3РO4 (0.5 М, 4 л) 100С, 18ч. Са/Р = 1.67 16.7 м2/г Сa(NО3)2 (0,167 М, 2 л), pH = 8.5 (NaOH) 95С. 24ч. Са/Р = 1.67 Гранулы 25 нм Са(ОН)2 Н3РО4 (0.5 М) 95 С, Са/Р = 1.67, рНйпаї = 7, 2-6 сут. 19-36 мг/г, 40-60 х 60-90 нм 10СаХ2 + 6М2НР04 + 8МОН = Саi0(РО4)6(ОН)2 + 20МХ + 6Н20 (3) где М = Na+, К+, NH4+, Н+; X = Cl-, NO3-, СН3СОО-, ОН-. Как правило, образованию ГА предшествует выпадение аморфного фосфата кальция [8 -12]. Степень кристалличности ГА, полученного осаждением, увеличивается с ростом температуры и времени остаривания осадка [13].
Гидротермальные методы позволяют получать достаточно совершенный кристаллический материал c соотношением Са/Р, близким к стехиометрическому Са/Р=1.67 [13 - 17]. При высоких температурах обычно получают игольчатые кристаллы ГА c размерами от нескольких нанометров до миллиметров, называемых вискерами [13, 17], их получение актуально в плане создания композиционных материалов с высокими значениями прочности и устойчивости к растрескиванию. Часто отдельно взятые волокна не обладают высокой механической прочностью. Методики получения вискеров можно подразделить на две группы [13, 14, 17]: (1) метод гомогенного осаждения с использованием мочевины (2) разложение хелатных комплексов (ЭДТА, лимонной кислоты).
В методах первой группы используется прием постепенного увеличения pH горячего раствора, содержащего ионы кальция и фосфат - ионы. В основе методов второй группы используется распад хелатных комплексов кальция в ходе термического воздействия в гидротермальных условиях, что приводит к образованию вискеров гидроксилапатита [15, 17]. В зависимости от методики, можно получать материал с различной степенью кристалличности, морфологией, стехиометрией (табл. 2).
Исходные реагенты Условия синтеза Морфология СаНР04 + NaOH 100-300С, 20 ч, Иглы 10-20 мкм СаСl2+ЭДТА+(NH4)2HP04+NH40H 200С, 30 ч,рН= 7 Агломераты вискеров ГАП, полученный осаждением 200С, 5 ч, 2 МПа Иглы 0.03 х 0.33 мкм Са(NО3)3+(NH4)2HPO4+ мочевина 120-150С 6ч Волокна 0.2 х 50 мкм -Са3(Р04)2+лимонная к-та, EDTA 200С, 1-10 ч,рН = 3- Вискеры 0.1-1 х 20-30 СаНРО4+мочевина 90С, 71 ч,рН= 4-7 Иглы 0.3 х 10 мкм Анализ литературных данных позволил сделать вывод, что сложность одновременного контроля большого числа управляемых параметров синтеза гидроксилапатита, методом осаждения, на практике может привести к плохой воспроизводимости морфологии и размеров получаемых частиц, к отклонению от требуемой стехиометрии. Основная «погрешность» синтеза связана с неконтролируемым проведением осаждения в растворе переменного состава: по мере протекания реакции происходит обеднение раствора ионами кальция и фосфата (исключение составляет сложно реализуемый метод постоянного состава раствора). При получении ГА методом гидролиза (рис. 2) плохо растворимых ортофосфатов кальция СаНРO4, СаНРО4H2О, ,-Са3(РO4)2, Са8H2(PO4)65H2O, Ca4(PO4)2O состав раствора можно считать квазиравновесным (задается произведениями растворимости твердых фаз) [18-30]. Основными параметрами, определяющими протекание процесса гидролиза, являются: 1) соотношение массы порошка к объему жидкости Тв/Ж, г/л (при малом количестве воды получаются цементные системы); 2) температура синтеза (высокие температуры 70С приводят к ускоренному росту игольчатых кристаллов ГА); 3) pH среды, скорость перемешивания. 40C, pH=7 600C ДКФД CaHP042H20 рН 6 ГА ТКФ (Ca,Mg)9(P04)6 (Ca,Na,Mg)10(PO4,CO3,HPO4)6(OH, F, Cl)2 A V і L \/ к \ АФК Cax(P04)v zH20 Mg , P207
Схема возможных взаимных превращений фосфатов кальция В зависимости от стехиометрии выбранного фосфата кальция, реакция гидролиза индивидуального соединения может приводить к подкислению (при Са/Р 1.67) или подщелачиванию (при Са/Р 1.67) исходного раствора [20]:
СаНРO4 + H2О = Са10(РО4)6(ОН)2 + H3PO4 (4) 3Ca4Р2О9 + Н2О = Са10(РО4)6(ОН)2 + 2Са(ОН)2 (5) Большинство ортофосфатов кальция являются "кислыми" накопление кислоты по реакции (4) приводит к быстрому торможению реакции, степень превращения индивидуального фосфата кальция при гетерогенной реакции гидролиза невысока [20]. Для обеспечения полноты протекания реакции гидролиза кислых фосфатов кальция, как правило, используют щелочные буферные растворы. Следует отметить явно выраженный топотактический аспект данных гидролитических реакций (эпитаксиальный рост нового слоя).
Так, например, гидроксилапатит, полученный гидролизом октакальциевого фосфата, подобно исходному Са8H2(PO4)65H2O, имеет пластинчатый габитус [31]. Кристаллические решетки октакальциевого фосфата и гидроксилапатита, растущего на нем, имеют закономерную взаимную ориентацию.
Подавляющее число работ [32 - 35] посвящено исследованию гидролиза трикальциевого фосфата - Са3(РО4)2, который является наиболее часто используемым компонентом кальций фосфатных цементов (как в смесях, так и в индивидуальном виде). Широкое применение находит резорбируемая керамика на основе и - ТКФ, используемая вместо традиционной ГА керамики в силу большей растворимости ТКФ в контакте с биологическими жидкостями организма [13]. Стехиометрия трикальциевого фосфата соответствует стехиометрии кальцийдефицитного гидроксилапатита (Са/Р = 1.5) [32 - 33]. Поэтому можно провести полную конверсию ТКФ в нестихиометричный ГА без введения в систему дополнительного количества щелочи (см. реакцию 6). В общем случае, реакция взаимодействия трикальциевого фосфата с водой зависит от pH раствора (рис. 3) [19, 23]:
Потенциометрическое определения ионов кальция с помощью ионоселективного электрода
Биокерамика, сделанная из непористого ГА, — хороший пример биоактивного материала, в то время как пористая биокерамика, состоящая из двухфазных ортофосфатов кальция (т. е. композитов - ТКФ + ГА или - ТКФ + ГА) либо из ГАДК или АФК, - пример биорассасывающихся материалов. К сожалению, биокерамика из ортофосфатов кальция обладает плохими механическими свойствами (высокая хрупкость), что не позволяет использовать ее в местах, подверженных механическим нагрузкам. Поэтому медицинское применение биокерамики на основе ортофосфатов кальция ограничивается лишь такими имплантатами, которые не подвергаются механическим нагрузкам. Примерами являются отдельные кости для хирургии среднего уха, заполнение костных дефектов в зубной или ортопедической хирургии, а также покрытие зубных имплантатов и металлических протезов [82].
Биоматериалы и биокерамика из ортофосфатов кальция выпускаются в различных видах: гранулы, блоки (плотные либо пористые), впрыскиваемые составы, самоотвердевающие цементы, покрытия на металлических имплантатах, композиты с полимерами и т. д. [86]. Пористая поверхность биокерамики обеспечивает большую поверхность соприкосновения между биоматериалом и растущей костью, что приводит к образованию большего количества химических связей. Установлено, что пористый ГА может замещаються костной тканью. Поэтому биокерамику стараются делать макропористой (размер пор более 100 мкм) путем добавления порообразователей, являющихся либо летучими, либо легко растворимыми соединениями (например, нафталин, сахароза, NaHCO3, NaCl, желатин, микрошарики из полиметилметакрилата). Для облегчения изостатического прессования цилиндрических образцов биокерамики при давлении 200 МПа порошок ортофосфатов кальция рекомендуется предварительно увлажнить путем добавления поливинилового спирта. Поскольку увеличение размера макропор биокерамики (были исследованы образцы с порами 150, 260, 510 и 1220 мкм) не привело к улучшению приживаемости имплантатов, нет особой необходимости производить биокерамику с очень большими порами. Кроме макропор, в любой керамике имеются и микропоры (размер пор менее 10 мкм), которые образуются при спекании порошков. Размеры микропор зависят от условий спекания (температуры и продолжительности процесса) [19]. При производстве биокерамики, обладающей заданными свойствами, очень важными являются стадии спекания и прокаливания. При термической обработке ортофосфатов кальция протекают следующие взаимосвязанные процессы: удаление всей влаги, карбонатов и других летучих соединений (аммонийных солей, нитратов, любых органических соединений), которые попали в ортофосфаты кальция в процессе химического синтеза; удаление всех летучих соединений приводит к уплотнению керамики и повышению ее плотности; рост кристаллов и уменьшение удельной поверхности; химическое разложение всех кислых ортофосфатов и их превращение в другие фосфаты (например, 2НРO2"4 Р204"7 + Н20) [82, 85, 86].
К настоящему времени установлено, что увеличение удельной поверхности и пористости биокерамики положительно влияет на кинетику образования кости и, следовательно, улучшает биоактивность (комплекс свойств материала, позволяющий создавать прочный непосредственный контакт с живой костью [87, 88]. Для понимания взаимосвязи между структурой и биоактивностью, а также с целью конструирования более качественных имплантатов очень важным является точный контроль общей пористости, размера пор, а также внутреннего пористого строения биокерамики [87, 88]. Таким образом, чтобы добиться восстановления костной ткани, биокерамические подложки должны отвечать определенным требованиям. Их поверхность не должна быть очень гладкой, иначе клеткам будет трудно закрепиться. Они должны быть пористыми с адекватным размером пор, чтобы в момент имплантации они могли быстро пропитываться кровью, которая обеспечивает диффузию клеток и питательных веществ. Они должны быть биоразлагаемыми, поскольку по мере формирования новой кости подложки должны постепенно рассасываться, что предотвратит необходимость их хирургического удаления [89 - 91]. Скорость рассасывания подложек должна максимально совпадать со скоростью роста новой кости [85]. Для клинического применения важными факторами являются легкость и безопасность введения в места костных дефектов.
Биокерамика на основе ортофосфатов кальция уже прошла клиническую апробацию во многих областях стоматологии и ортопедии. Имплантаты (как пористые, так и непористые) используются для наращивания альвеолярных отростков челюсти, экстренной замены зубов, а также в челюстно -лицевой хирургии. Другие области применения включают наращивание слуховых косточек, соединение позвонков и лечение костных дефектов [87, 88]. На сегодняшний момент на рынке существует большое количество различных видов биокерамики из ортофосфатов кальция, например результаты физико-химических исследований костезамещающих материалов из ортофосфатов кальция по сравнению с аналогичными свойствами костной ткани приведены в работе [88]. Промышленные и торговые марки наиболее важных образцов биокерамики на основе ортофосфатов кальция можно найти в литературе [89]. Живые клетки костной ткани имплантируют или высевают на искусственную биокерамическую структуру, называемую подложкой или матрицей, способной поддержать формирование трехмерных структур. Эти подложки являются базисом для последующего роста на них кости и обеспечивают специфическое окружение и "архитектуру" для роста костей.
Основные положения термодинамической модели образования минеральных фаз и расчет условий их осаждения
Расчет был произведен для водного раствора, моделирующий ионно-электролитный состав синовиальной жидкости человека, рН=6 – 8, ионная сила 0,173 - 0,176 ммоль/л, пересыщение ионов кальция и фосфат – ионов соответствовало физиологическим значениям (ФП), S = ФП10, S = ФП50 (табл. 5). Электростатическое взаимодействие учитывалось с помощью ионной силы раствора. При этом в изучаемых системах не учитывался микроэлементный и органический состав биологических растворов. Основными положениями термодинамической модели являются: 1. Прототипом синовиальной жидкости выступает раствор неорганический состав, температура, рН которого близки к физиологическим значениям взрослого среднестатистического человека. 2. Теоретической характеристикой возможности образования минеральных фаз, которые гипотетически могут образовываться в исследуемых модельных растворах, являются справочные значения произведений растворимости рПРS (табл. 6). Таблица 6 Термодинамические произведение растворимости фосфатов кальция при 298 К 144, 145 № 12 3 4 Малорастворимое соединение ПРS, 298 рПР8, 298 СаНР042Н20 2.34-10"7 6.6 Са4Н(Р04)з-2.5Н20 1.12-10 48 47.95 Саю(Р04)б(ОН)2 1.58-10"117 116.8 Саю(Р04)б (С03)о,5(ОН) 7.94-10 86 85,1 3. Ионная сила раствора в исследуемом интервале рН постоянная, равна среднему значению, рассчитанному для каждой изучаемой системы по формуле: где сІ - концентрация і - х ионов в растворе, моль/л; Zi - заряд i-х ионов в растворе. 4. Значения коэффициентов активности осадкообразующих ионов определены с помощью уравнения Девиса, для диапазона ионных сил 0,05 - 0,3 М. где А - коэффициент, зависящий от температуры, диэлектрической проницаемости растворителя (для водных растворов изменяется в диапазоне 0,51-0,52); а - константа, учитывающая минимальное расстояние на которое сближаются ионы - средний эффективный диаметр ионов, принимается равным 3 4 ; В - теоретический коэффициент, равный для водных растворов при 298 К (0,320,33)108. 5. Условные произведения растворимости малорастворимых веществ pKs рассчитаны с учетом гидролиза осадкообразующих ионов. 6. Участие катионов в реакциях гидролиза с образованием гидроксокоплексов пренебрежимо мало вследствие их малой устойчивости (Са2+, Mg2+) и комплексообразующей способности (Na+, К+). Поэтому их молярные доли равны единице. 7. Возможность образования труднорастворимого соединения оценивалась по величине значений индексов пересыщения (SI) и энергии Гиббса кристаллизации (G), характеризующих возможность образования малорастворимых соединений в модельных системах: SI = lg(S) =lg где а – активности катиона и аниона, – стехиометрические коэффициенты. При SI 0 и G 0 раствор является пересыщенным по отношению к термодинамически равновесному состоянию и происходит осаждение твердой фазы при данных условиях. 8. Физико-химические процессы являются равновесными и протекают в моделируемых растворах при постоянной температуре.
Сравнение значений индексов пересыщений исследуемых малорастворимых соединений, рассчитанных на основе условных произведения ратворимости показало, что во всех системах, в которых термодинамически возможна кристаллизация: Ca8H2(РО4)65Н2О, Са10(РО4)6 (ОН)2, Са10(РО4)6(CO3)0,5OH, при повышении пересыщения ионов кальция и фосфата в растворах наблюдается осаждение CaHРО42Н2О. (табл. 7).
Условия, при которых становится возможным осаждение той или иной твердой фазы, практически не изменяются при варьировании исходных концентраций осадкообразующих ионов (табл. 7). За исключением незначительного изменения pH начала осаждения брушита в данном диапазоне кислотности, который образуется при значении pH выше 7,1.
При повышении физилогического пересыщения в 10 и более раз вероятность образования брушита увеличивается, о чем свидетельствуют положительное значение индексов пересыщения (IS) и отрицательное значение энергии Гиббса ( G) (табл. 8, 9). Следовательно, величина пересыщения (при изменении ее в пределах от ФП до ФП50) не оказывает существенного влияния на условия и последовательность кристаллизации малорастворимых соединений кальция, а вероятно влияет на процентное соотношения фаз.
Таким образом, наибольшей вероятностью образования характеризуется гидроксилапатита, затем идут фазы - предшественники (октакальций фосфат, карбонатгидроксилапатит, брушит), из которых в дальнейшем при кристаллизации и вторичном осаждении формируется наиболее стабильный минерал - основной неорганический компонент костной и зубной ткани -гидроксилапатит.
Известно, что биогенные фосфаты кальция образуются из многокомпонентных биосред, химический состав которых крайне сложен [37 -45].
Так, костная ткань является карбонатгидроксилапатитом (КГА), а не чистым гидроксилапатитом, что стимулирует функцию остеобластов [54]. Современные материалы, применяемые в ортопедии и травматологии по возможности должны имитировать естественные ткани организма. Поэтому крайне желательным процессом является включение в структуру фосфатов кальция - ионов и веществ, входящих в состав биологических жидкостей.
Для изучения влияния концентрации карбонат - ионов и рН раствора на кристаллизацию гидроксилапатита были рассчитаны индексы пересыщения (IS) и энергия Гиббса кристаллизации (AG), построены поля устойчивости (табл. 10, 11).
Получено, что концентрация карбонат - ионов не оказывает значительного влияния на последовательность осаждения твердых фаз, по нашему мнению это объясняется состоянием протонированных форм ионов (карбонаты, гидрокарбонаты), находящимися в равновесии при данном значении кислотности
Кристаллизация карбонатгидроксилапатита в присутствии ранелата стронция (C12H6N2O8SSr2)
На основании данных РФА произведена оценка с использованием формулы Селякова – Шеррера размеров сформированных кристаллитов. Усредненный по всем направлениям размер кристаллитов (ОКР) составляет порядка 4 нм. Так как на рентгенограммах наблюдается анизотропия размеров частиц. В направлении [001] частицы крупнее, пики 002 (2 25.9о) и 004 (2 53.2о) (рис. 27) более узкие по сравнению с рефлексами от остальных семейств плоскостей. Объем элементарной ячейки для стронций содержащего карбонатгидроксилапатита уменьшается при увеличении времени синтеза, что может свидетельствовать об возможных изоморфных замещениях ионов кальция ионами стронция в структуре гидроксилапатита. Таким образом, в работе установлено, что получены кристаллиты кальцийдефицитного Sr-содержащего карбонатгидроксилапатита. Так как в модельный раствор синовиальной жидкости входят карбонат - ионы [137, 142, 146], то можно сказать, что образующееся соединение являться Sr – Ca – карбонат – фосфат - гидратом с возможной формулой Ca8-nSrnH2(PO)46H2ONaHCO3H2O [42].
Данные о содержании ионов стронция в твердых фазах были обработаны статистически с вероятностью Р = 0.95, и рассчитан доверительный интервал 3.3250 ± 0.3526, выяснено, что концентрации стронция в образцах принадлежат к одной генеральной совокупности. Наблюдаются лишь незначительные колебания концентраций ионов, обусловленные сложностью установления динамического равновесия «твердая фаза - раствор».
По результатам ИК-спектроскопии на спектрах полученных твердых фаз присутствуют следующие полосы поглощения колебаний связей неорганических групп характерных для гидроксилапатита, см"1 (рис. 28): колебания связей РО43" -1100 - 1090 - ассиметричное валентное колебание v3 Р-О, 968 - 962 -симметричное валентное Vi Р-О, 471 - деформационное v2 О-Р-О; колебания связей С032" ионов: 1550 и 1460 -1420 - ассиметричные валентные v3 С-О, соответствующие А - и В - типам замещения фосфатных тетраэдров в структуре апатита; колебания связей воды: 3570 - 3540 см_1валентные колебания ОН". Неразрешенные пики в области 1550 и 1460 -1420 см- свидетельствуют, что карбонат-ионы включены в структуру гидроксилапатита в позиция гидроксильных групп (ОН-) и (РО43) и продуктом синтеза является карбонатгидроксилапатит смешанного А и B типа. Отсутствие на ИК-спектрах колебаний, характерных для органической составляющей препарата (ранеловой кислоты), свидетельствует о хорошей диссоциации соли и высокой биодоступности ионов стронция, а также об индифферентности ранеловой кислоты в побочных процессах комплексообразования и адсорбции на поверхности образующихся кристаллов. Для полученных образцов определены удельные площади поверхности (табл. 28).
Установлено, что удельная площадь поверхности со временем изменяется немонотонно: первые три недели увеличивается, затем уменьшается. Такое поведение обусловлено сложностью установления динамического равновесия «осадок-раствор» и незначительными отличиями в концентрациях ионов стронция в образующихся осадках. В результате сравнения удельной поверхности карбонатгидроксилапатита, полученного из модельного раствора синовиальной жидкости человека (Sуд = 231±12 м2/г), с удельной поверхностью Sr карбонатгидроксилапатита выяснено, что в присутствии ионов стронция происходит её заметное снижение почти в 2 раза. Установленный факт хорошо согласуется с литературными данными о влиянии стронцийсодержащих компонентов на площадь удельной поверхности карбонатгидроксилапатита. Так, костная ткань пациентов, принимающих Sr-содержащие лекарственные препараты, характеризуется меньшей пористостью и большей плотностью [70 74], что обусловлено уменьшением доли внутренней поверхности кости. Сравнивая удельные поверхности Sr - содержащего КГА полученных при использовании различных агентов ионов стронция (хлорида и ранелата стронция), выяснено, что при синтезе в присутствии препарата образцы характеризуются более развитой поверхностью. Каждый полученный образец Sr - замещенного карбонатгидроксилапатита проанализирован с помощью термического анализа (табл. 29).