ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩЕГО НАНОГИДРОКСИАПАТИТА.
, к. т.н., проф.,
, к. б.н., доц.,
Ле Ван Тхуан, аспирант,
Доан Ван Дат, аспирант.
Белгородский госудрарственный национальный исследовательский университет НИУ БелГУ, 308015, г. Белгород, ул. ,
тел. (4722) 30-10-80
E-mail: *****@***edu. ru
Различные типы биоматериалов успешно используют в качестве костнозамещающих материалов, в том числе кальций-фосфатные керамики, которые хорошо известны, т. к. успешно применяются в биомедицинских целях [1]. Среди них, особое значение для изготовления имплантатов имеет гидроксиапатит (ГAП), Ca10(PO4)6(OH)2, так как его химический состав близок к костному минералу [2]. К недостаткам использования имплантатов из ГАП, в сравнении с биоактивными стеклами и стеклокерамикой, можно отнести его низкую реакционную способность восстановления существующей кости и недостаточную степень остеоинтеграции [3]. Недавние исследования показали, что биологическая активность синтетического гидроксиапатита может быть повышена путем ионных замещений, которые позволяют получать химические составы сходные с природным минералом кости [4-5]. Различные ионные замещения, как анионные (CO32-, SiO44-, F-, Cl-), так и катионные (Na+, K+, Mg2+, Sr2+), существуют в гидроксиапатитовом компоненте костной ткани.
Роль кремния в качестве важного микроэлемента в кости была впервые выявлена Carlisle [6]. Синтетические биоматериалы, которые имеют в своих структурах невысокие уровни Si, заметно демонстрируют повышенную биологическую активность по сравнению со стехиометрическим ГАП. Это увеличение биологической активности можно объяснить Si-индуцированными изменениями свойств материалов, а также непосредственным воздействием Si на физиологические процессы в кости и системе соединительной ткани [4]. В этом смысле включение кремния в структуру апатита может улучшить биологическую активность гидроксиапатита, в частности биорезорбируемость. Поэтому синтез гидроксиапатита, модифицированный силикат-ионом является перспективным направлением исследования.
Направленный синтез модифицированных гидроксиапатитов, в том числе и кремнийсодержащего наногидроксиапатита (Si-НГАП) представляет собой сложную физико-химическую задачу. Считается, что не только химический состав, но и морфология синтетических кристаллов биоапатитов является важной характеристикой, определяющей отклик организма на чужеродный материал [7]. Известно, что особенности кристаллической структуры и морфологии, физико-химические, физико-механические свойства, а также биорезорбируемость биоматериалов определяются технологией получения, в частности условиями обработки.
Целью данной работы является синтез и исследование влияния условий обработки на физико-химические и биологические свойства Si-НГАП.
Образцы кремнийсодержащего наногидроксиапатата были синтезированы методом осаждения из водного раствора [8]. В качестве реагентов были использованы насыщенный раствор гидроксида кальция, раствор ортофосфорной кислоты. В качестве реагента – «поставщика» аниона SiO44- выбрали тетраэтоксисилан. Полученные порошки повергались различным условиям обработки: без термообработки, термообработка при 250оС и электронно-лучевая стерилизация.
Рентгенофозовый анализ (РФА) проводили на дифрактометре Rigaku Ultima IV (Япония) c детектором D/teX Ultra. Сьемку проводили в режиме на отражение (геометрия Брегга-Брентано) с использованием Сu-Кα. излучения (длина волны λ=1.54178). Параметры работы генератора: ускоряющее напряжение 40 кВ, ток трубки 40 мА. Съемку рентгенограмм вели при углах 2Θ в диапазоне 5-85о с шагом 0.02о. Качественный анализ полученных рентгенограмм и профильный анализ спектров проводили с помощью программы PDXL Qualitative Analysis при использовании баз данных ICDD (2008). Размер области когерентного рассеяния (ОКР) кристаллов определили методом Williamson-Hall на основе данных РФА.
Определение удельной поверхности (Sуд) образцов по методу БЭТ проводили на автоматизированной сорбционной установке TriStar II 3020. Использовался объемный вариант сорбционного метода.
Биорезорбируемость исследуемых образцов оценивали по выходу кальция в модельный раствор через фиксированное время экспозиции. Выход кальция рассчитывали как отношение массы Са2+, выходящего в раствор, к исходной массе ионов кальция, содержащегося в исследуемом образце. Для этого точную навеску материала массой 0,2 ± 0,002 г помещали в химические стаканы с 50 мл физиологического раствора (0,9%-ный раствор NaCl) и инкубировали при температуре 37 оС в термостате. Через заданные промежутки времени измеряли концентрацию кальция с помощью иономера ИПЛ-113 с использованием кальций-селективного электрода «ЭКОНИКС Са».
В табл.1 приведены основные физико-химические характеристики исследуемых образцов Si-НГАП, подвергшихся разным условиям обработки.
Таблица 1. Физико-химические характеристики образцов Si-НГАП.
Образец | Обработка | Фаза | Кристалл-ичность, % | Средний размер кристаллов, нм | Sуд, м2/г (по методу БЭТ) |
Si-НГАП | нет | ГАП | 90,10 | 18,6 | 219,18 |
Si-НГАП | Термообработка 250 0С | ГАП | 98,09 | 31,7 | 134,58 |
Si-НГАП | Электронно-лучевая стерилизация | ГАП | 92,25 | 11,7 | 183,27 |
Определение фазового состава синтезируемых образцов производили сопоставлением результатов рентгенодифракционного анализа полученных образцов со значениями данных ICDD (2008). По данным РФА (рис.1) установлено, что все полученные образцы Si-НГАП принадлежат к той же пространственной группе, что и гидроксиапатит – гексагональной системы P63/m и являются однофазными. По характерному смещению пиков в сторону, соответствующую меньшим межплоскостным расстояниям (большим углам) и изменению параметров элементарной ячейки порошков Si-НГАП по сравнению с немодифицированным ГАП можно сделать вывод о встраивании в решетку силикат-ионов. Кристалличность и средний размер кристаллов образцов Si-НГАП составляют 90-98% и 11,7-31,6 нм, соответственно. Порошок Si-НГАП, термообработанный при 250 оС имеет самые большие значения по кристалличности и размеру кристаллов. Проведенное исследование показывает, что фазовая стабильность нанопорошков кремнийсодержащего гидроксиапатита сохраняется в данных условях обработки.
По результатам измерений объема газа, сорбируемого на исследуемом образце при давлении P/Po = 0.3189 с помощью прибора TriStar II 3020 по теории Брунауера — Эммета — Теллера (БЭТ) были рассчитаны удельные площади поверхности порошков Si-ГАП (табл. 1).
Рис. 1. Порошковая рентгенограмма Si-НГАП-нет. Штрих-диаграмма соответствует стандартному гидроксиапатиту.
Видно, что вличина удельной поверхности нетермообработанного Si-НГАП превышает почти в 1,5 раз по сравнению с термообработанным и стерилизованным образцами. Это можно объяснить агломерацией частиц и увеличением их размеров при термообработке и лучевой стерилизации. Таким образом, условие термообработки существенно влияет на удельную поверхность синтетических Si-НГАП, и как следствие, на их биорезорбируемость.
На рис. 2 представлен результат исследования биорезорбируемости порошков Si-НГАП, подвергшихся разным условиям обработки.
Рис. 2. Биорезорбируемость образцов Si-НГАП
Результат исследования биорезорбируемости показал, что максимальная величина резорбции наблюдалась у нетермообработанного образца, для которого выход Са2+ составляет через 5 мин 1,43 масс. %, а через 180 мин 1,75 масс. %. (рис. 2). Порошок Si-НГАП, обработанный при 250 оС имеет самую маленькую величину резорбции, в 1,2 и 1,5 раза меньше по сравнению с стерилизованного образцом и нетермообработанным соответственно.
Важно отметить, что все графики, приведенные на рис. 2,. имеют два участка (первый от 5 до 15 мин, второй – 15-180 мин.) с разными углами наклона, что указывает на разную скорость растворения образца в данный период времени. В начальном диапазоне времени (0 - 15 мин) скорость растворения максимальная, а затем наблюдается уменьшение скорости растворения. Это можно связать с различной динамикой равновесных процессов в определенный интервал времени. Полученные данные по изучению биорезорбируемости в физиологическом растворе хорошо согласуются с вариациями значений удельной поверхности Si-НГАП. Чем выше значение удельной поверхности, тем лучше резорбируются данные образцы и наоборот.
Таким образом, методом осаждения из водных растворов синтезирован наноразмерный однофазный кремнийсодержащий гидроксиапатит. Исследовано влияние условий обработки на физико-химические и биологические характеристики Si-НГАП. Установлено, фазовый состав порошков Si-НГАП, полученных данным методом практически не зависит от условий обработки, все образцы являются однофазными. Кристалличность и средний размер кристаллов синтезируемых образцов составляют 90 -98% и 11,7-31,6 нм, соответственно. Нетермообработанный Si-НГАП имеет повышенную удельную поверхность по сравнению с термообработанным и стерилизованным образцами, и обладает наиболее высокой биорезорбируемостью.
Список литературы:
1. R. E. Unger, A. Sartoris, K. Peters, A. Motta, C. Migliaresi, M. Kunkel, U. Bulnheim, J. Rychly, C. J. Kirkpatrick, Tissue-like self-assembly in cocultures of endothelial cells and osteoblasts and the formation of microcapillary-like structures on three-dimensional porous biomaterials, J. Biomater. 28 (2007) p. 3965–3976.
2. M. Salarian, M. Solati-Hashjin, S. S. Shafiei, R. Salarian, Z. A. Nemati, Template-directed hydrothermal synthesis of dandelion-like hydroxyapa-tite in the presence of cetyltrimethylammonium bromide and polyethylene glycol, J. Ceram. Int. 35 (2009) p. 2563–2569.
3. , , Вересов и исследование анионмодифицированных апатитов // Международный научный журнал. 2007. Т45. №1. с. 130-132.
4. A. E. Porter, N. Patel, J. N. Skepper, S. M. Best, W. Bonfield, Comparison of in vivo dissolution processes in hydroxyapatite and silicon-substituted hydroxyapatite bioceramics, J. Biomater. 24 (2003) p. 4609–4620.
5. I. R. Gibson, S. M. Best, W. Bonfield, Chemical characterization of silicon-substituted hydroxyapatite, J. Biomed. Mater. Res. 4 (1999) 422–428.
6. S. R. Kim, J. H. Lee, Y. T. Kim, D. H. Riu, S. J. Jung, Y. J. Lee, S. C. Chung, Y. H. Kim, Synthesis of Si, Mg substituted hydroxyapatites and their sintering behaviors, J. Biomater. 24 (2003) p. 1389–1398.
7. Данильченко и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения // Весник СумДУ. Серия: Физика, математика, механика. — 2007. — №2. — С. 33-59.
8. Патент 2500840 RU. Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита // и др.- дата приоритета 16.06.2012, опубл. 10-12-2013.
