Определение возможности и условий осаждения брушита из водных растворов при варьировании параметров кристаллизационной среды

Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно

действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/

Поступила в редакцию 19 октября 2010 г. УДК 544-971; 532.785.

Определение возможности и условий осаждения брушита

из водных растворов при варьировании параметров кристаллизационной среды

© ,+ *

и

Кафедра неорганической химии. Омский государственный университет им. .

Пр. Мира, 55а. г. Омск, 644077. Россия. Тел.: [phone]. E-mail: anna. *****@***ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: гидрофосфат кальция дигидрат (брушит), кристаллизация, термодинамика осаждения, индекс пересыщения, энергия Гиббса, кислотность среды.

Аннотация

На основании результатов теоретического расчета и данных экспериментального исследования процесса кристаллизации малорастворимых фосфатов кальция в водных растворах заданного ионного состава при варьировании параметров среды и условий синтеза определены границы области монофазного осаждения гидрофосфата кальция дигидрата (брушита), а также изучены термодинами-ческие и кинетические закономерности фазообразования в рассматриваемых системах.

Введение

Гидрофосфат кальция дигидрат [CaHPO4·2H2O, аналог природного минерала брушита] является одним из неорганических соединений, которое имеет важное биологическое значение. Это обусловлено тем, что он часто встречается в составе патогенных минеральных образований различной локализации в организме человека (зубные, слюнные и почечные камни, хондрокальцинозные отложения на суставах, кристаллы, выделяющиеся при кристалурии, в холестириновых тромбах и др.) [1-9]. Кроме того, брушит обнаружен в кариозных повреждениях зубов [5, 9]. Согласно существующим представлениям [4-7], его образование может являться промежуточным этапом при разрушении эмали (эрозия зубной эмали), а также в процессе минерализации кости.

Синтетический гидрофосфат кальция дигидрат обладает свойством биосовместимости и проявляет биологическую активность при взаимодействии с физиологическими жидкостями [5, 7, 8]. Данные характеристики брушита могут быть использованы при разработке мате-риалов биомедицинского назначения, таких как самозатвердевающие цементы, гранулы с контролируемой скоростью резорбции, композиционные и керамические материалы на его основе для восстановления пораженных участков живых тканей [6].

Участие в процессах формирования и деградации твердых тканей, биосовместимость, биоактивность брушита обуславливают необходимость изучения закономерностей и особенностей его кристаллизации. Поскольку непосредственное изучение фазообразования в биологических системах in vivo не представляется возможным, на сегодняшний день широко используются так называемые «мокрые» методы кристаллизации [5, 9]. При этом в зависи-мости от требуемых свойств образующегося вещества условия проведения эксперимента могут значительно различаться [5, 8, 10, 11]. В настоящей статье представлены результаты теоретического и экспериментального исследования влияния параметров кристаллизационной среды и условий синтеза на возможность и закономерности процесса осаждения двуводного гидрофосфата кальция, его морфологию и дисперсный состав.

Экспериментальная часть

Термодинамический расчет. На начальном этапе исследования был проведен термодинамичес-кий расчет с целью определения возможности и условий осаждения малорастворимых соединений кальция. В качестве систем для изучения закономерностей кристаллизации были выбраны водные растворы, содержащие ионы кальция, фосфат-, нитрат-ионы и аммоний. Концентрацию кальция и фосфат-ионов варьировали в пределах от 10 до 200 ммоль/л, при этом содержание противоионов в системе соответствовало равновесной стехиометрической концентрации после диссоциации нитрата кальция и гидрофосфата аммония в водной среде. Участие нитрат-ионов и аммония в химических равновесиях не учитывалось, ввиду слабой комплексообразующей способности и растворимости образуемых ими соединений. Учет роли данных ионов сводился к описанию их влияния на неидеаль-ность раствора вследствие электростатических взаимодействий ионов, описываемых посредством ионной силы раствора. Расчет коэффициентов активности ионов проводили по уравнению второго приближения теории Дебая-Гюккеля [12].

В ходе расчетов также варьировали величину кислотности среды в пределах от 0 до 14 с шагом в 0.1. При этом ступенчатый гидролиз фосфат-ионов в растворе учитывали введением значения мольных долей тех форм аниона, которые входят в состав малорастворимого соединения, в уравнения для условных произведений растворимости веществ.

Согласно существующим данным [5-9], в водных растворах, содержащих ионы кальция и фосфат-ионы, могут образоваться следующие малорастворимые соединения: Ca(H2РО4)2·Н2О (моно-кальциевый фосфат моногидрат), Ca(H2РО4)2 (монокальциевый фосфат), CaHРО4·2Н2О (брушит, гид-рофосфат кальция дигидрат), Ca8H2(РО4)6·5Н2О (октакальция фосфат, ОКФ), Са10(РО4)6(ОН)2 (гидро-ксилапатит, ГА), β-Са3(РО4)2 (трикальция фосфат, ТКФ), Ca(OH)2. В ходе расчетов для определения возможности и условий осаждения перечисленных веществ были использованы значения термодина-мических произведений растворимости (рKºs), соответствующие данным базы констант нестойкости комплексов SC-database [SCQUERY Version 1.37 (1993)] (табл. 1).

Табл. 1. Произведения растворимости соединений кальция при 298 К

Малорастворимое соединение	Kos, 298	рKos, 298
Ca(H2РО4)2·Н2О	7.24∙10-2	1.14
Ca(H2РО4)2	7.24∙10-2	1.14
CaHРО4·2Н2О	2.34∙10-7	6.59
Ca8H2(РО4)6·5 Н2О	2.51∙10-97	96.6
β-Ca3(РО4)2	1.26∙10-29	28.9
Са10(РО4)6(ОН)2	1.58∙10-117	116.8
Ca(OH)2	6.50∙10-6	5.19

Теоретическое определение возможности и условий осаждения названных малорастворимых соединений кальция в водных средах проводилось на основании данных расчетов термодинамических параметров, характеризующих степень отклонения системы от равновесия.

Значения индексов пересыщения (SI) системы по каждому из соединений [13] рассчитывали по уравнению (1) для определения условий их образования и областей устойчивости:

=> SI = lg(Ω) (1)

где Ω – пересыщение, возникающее в растворе для данной соли; IAP – произведение активностей осадкообразующих ионов в степенях стехиометрических коэффициентов;

– термодинамическое произведение растворимости малорастворимого соединения;

ν – количество ионов, входящих в состав малорастворимого соединения.

Движущую силу процесса кристаллизации характеризовали по изменению свободной энергии Гиббса (∆G) при переходе системы от пересыщенного состояния к равновесию [12]:

(2)

∆G – энергия Гиббса кристаллизации малорастворимого соединения из раствора, Дж/моль;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К; Т – температура, К.

Изменением энергии Гиббса однозначно определяется константа равновесия реакций (К), идущих при постоянном давлении. Ее значение для реакции осаждения малорастворимых соединений кальция вычисляли по уравнению [12]:

(3)

Если SI > 0, ∆G < 0 и K > 0, то в данных условиях термодинамически вероятно осаждение твердой фазы из раствора.

Экспериментальное моделирование. Кристаллы брушита получали при смешении разбавлен-ных растворов нитрата кальция и гидрофосфата аммония в результате протекающей в системе реакции осаждения:

Ca(NO3)2 + (NН4)2HPO4 + 2Н2О → CaHPO4·2H2O↓ + 2NН4NO3

Изучение системы проводили при эквимолярных концентрациях растворов Ca(NO3)2 и (NН4)2HPO4 при комнатной температуре (22-25 °С). В ходе эксперимента варьировали следующие параметры: (а) концентрации реагентов: 10, 25, 50, 75, 100, 150 или 200 мМ; (б) время кристаллизации (от 1 до 10 суток); (в) рН (от 4.00 до 10.00); (г) порядок и (д) скорость сливания растворов реагентов.

После отстаивания гетерогенной системы в течение выбранного промежутка времени раствор фильтровали под вакуумом. Осадок высушивали при температуре ~80 °С до постоянной массы для полного удаления химически не связанной воды. Взвешивали полученную твердую фазу и изучали методами РФА (Дрон-3М), ИК-Фурье-спектроскопии (ФТ-801, таблетки KBr) и оптической микро-скопии. В жидких фазах фиксировали конечное значение рН и определяли химическими методами остаточные концентрации ионов кальция (РД 52.24.403-94) и фосфат-ионов (ГОСТ 18309–72).

Результаты и их обсуждение

1. Термодинамический расчет возможности фазообразования в исследуемых системах

Первоначально были рассчитаны значения произведений растворимости Ks/ исследуе-мых малорастворимых соединений с учетом ионной силы и процессов гидролиза. При сравнении Ks/ со значениями термодинамических констант Ks° определено, что в растворах заданного качественного и количественного ионного состава термодинамически возможна кристаллизация следующих соединений: CaHРО4·2Н2О; Са10(РО4)6(ОН)2; Ca8H2(РО4)6·5Н2О, β-Са3(РО4)2 и Са(ОН)2 (для них Ks/ > Ks°). Однако, условия, при которых становится возможным осаждение той или иной твердой фазы, различны в зависимости от исходных концентраций ионов (табл. 2).

Табл. 2. Значения рН начала осаждения малорастворимых

фосфатов кальция в исследуемых системах

Соединения кальция	С (Са2+, НРО42-) , ммоль/л
10	25	50	75	100	150	200
рНнач. ос.
Са10(РО4)6(ОН)2	5.0	4.8	4.8	4.9	5.0	5.2	5.4
CaHРО4·2Н2О	5.4	5.0	4.8	4.7	4.7	4.8	5.0
Ca8H2(РО4)6·5Н2О	5.8	5.7	5.7	5.8	5.9	6.2	6.5
β-Са3(РО4)2	5.6	5.5	5.5	5.6	5.7	5.9	6.1
Са(ОН)2	12.9	12.9	13.1	13.3	13.5	13.9	-

Оценка величины пересыщения исследуемых систем относительно малорастворимых соединений кальция (по значениям SI) показала, что в области низких концентраций ионов Са2+ и НРО42- (С < 50 ммоль/л) система пересыщена только относительно ГА и, начиная с рН = 5.0, согласно данным термодинамических расчетов, возможна его кристаллизация из раствора. При С = 50 ммоль/л и рН = 4.8 среда насыщена одновременно относительно двух фосфатов кальция: кислого – CaHРО4·2Н2О и основного – Са10(РО4)6(ОН)2, в данных усло-виях вероятно осаждение смеси солей. Дальнейшее повышение содержания осадкообразую-щих ионов в растворе приводит к увеличению значения рН начала осаждения ГА и расширению области термодинамической устойчивости брушита. При этом возникают условия, в которых возможно образование только двуводного гидрофосфата кальция как наиболее стабильной фазы (рис. 1). Таким образом, в исследуемых системах кристаллизация брушита может протекать в узком интервале рН (~4.7-6.0), причем данный диапазон тем шире, чем выше концентрации исходных растворов реагентов.

Рис. 1. Зависимости индексов пересыщения малорастворимых фосфатов кальция от рН среды (концентрации Са2+ и НРО42- в системе (1) – 50 ммоль/л, (2) – 200 ммоль/л).

* Области термодинамической устойчивости I – брушита, II – брушита и апатита

(кристаллизуется брушит), III – апатита, брушита, а также ОКФ и ТКФ (кристаллизуется апатит).

При рН > 6.0 наибольшую степень пересыщения, а, следовательно, и вероятность осаждения, имеет ГА. Возрастание кислотности среды сопровождается увеличением значения SI основного фосфата кальция, который достигает максимума при рН ~11 (рис. 2).

Рис. 2. Зависимости энергии Гиббса кристаллизации фосфатов кальция от рН среды

(концентрации Са2+ и НРО42- в системе 200 ммоль/л)

Пересыщение по Ca8H2(РО4)6·5Н2О и β-Са3(РО4)2 в слабокислой и нейтральной средах (вплоть до рН ≤ 8) оказывается более низким по сравнению с таковыми для CaHРО4·2Н2О и Са10(РО4)6(ОН)2, что указывает на метастабильное состояние ТКФ и ОКФ в процессе крис-таллизации и низкую вероятность их осаждения, даже в смеси с фосфатами кальция другого стехиометрического состава. Дальнейшее увеличение щелочности среды приводит к сниже-нию вероятности кристаллизации брушита и росту пересыщения в системе по ТКФ, ОКФ и ГА. По убыванию значений SI (для случая, когда рН > 8) исследуемые фосфаты кальция можно ранжировать следующим образом: Са10(РО4)6(ОН)2 > β-Са3(РО4)2 > Ca8H2(РО4)6·5Н2О > CaHРО4·2Н2О. В данных условиях ОКФ, ТКФ и брушит – метастабильные фазы по отношению к ГА.

Значение рН начала осаждения гидроксида кальция лежит в сильнощелочной области и в значительной степени зависит от концентрации осадкообразующих ионов в системе: увеличение значения кислотности среды, при котором возможна кристаллизация Са(ОН)2, происходит при росте концентраций ионов Са2+ и НРО42- в системе, а в случае, когда = 200 ммоль/л, образование малорастворимого гидроксида кальция становится невоз-можным.

Данные расчета энергии Гиббса кристаллизации подтверждают полученные результаты. Осаждение Ca(H2РО4)2·Н2О, Ca(H2РО4)2 характеризуется положительными значениями ∆G, что указывает на невозможность в исследуемых условиях самопроизвольного выделения названных соединений в виде твердой фазы. Большими отрицательными значениями энергии Гиббса и высокими значениями констант скоростей характеризуются процессы кристалл-лизации, протекающие при переходе систем от пересыщенного состояния к равновесному, с участием следующих фосфатов кальция: CaHРО4·2Н2О, Са10(РО4)6(ОН)2, Ca8H2(РО4)6·5Н2О, β-Са3(РО4)2. Полученные данные указывают на то, что в рассматриваемых условиях реакции их кристаллизации могут протекать практически полностью.

При переходе от разбавленных растворов к системам с большей концентрацией наблюдается значительное снижение энергии Гиббса процесса кристаллизации ГА, ТКФ и ОКФ (рис. 3). Это изменение достигает порядка 4-6.5 кДж/моль при увеличении концент-рации ионов кальция и фосфат-ионов в системе в 20 раз. При этом движущая сила процесса осаждения брушита слабо меняется в зависимости от концентрации осадкообразующих ионов в среде и достигает максимального значения (-6.78 кДж/моль) при = 50-75 ммоль/л.

Рис. 3. Зависимости максимальных значений энергии Гиббса кристаллизации

фосфатов кальция от концентраций ионов Са2+ и НРО42- в исходной системе

Таким образом, на основании результатов теоретического расчета установлено, что в системах с концентрациями фосфат-ионов и ионов кальция от 10 до 200 ммоль/л и рН от 0 до 14 наиболее вероятно осаждение двух фосфатов кальция: при рН ~4.7-6.0 и С ≥ 50 ммоль/л – брушита, при рН > 6.0 и С < 50 ммоль/л – ГА. ТКФ и ОКФ являются метастабильными фазами в изучаемых условиях.

Однако из практики известно, что на процесс кристаллизации и характеристики осаждаемой твердой фазы влияют не только термодинамические условия, но и кинетические факторы и особенности протекания реакции. Большое значение, при этом имеют как парамет-ры среды, так и условия проведения процесса: скорость и порядок приливания растворов реагентов, а также время остаривания осадка. В алгоритме теоретического расчета невоз-можно учесть перечисленные факторы. Поэтому для верификации результатов термодинами-ческих вычислений и установления влияния условий синтеза на фазообразование проведено экспериментальное моделирование изучаемых систем.

2. Экспериментальное исследование закономерностей кристаллизации

Изучение влияния величины исходной концентрации реагентов. Одним из наиболее важных параметров, влияющих на процесс кристаллизации, его направление, скорость, а также природу и свойства образующегося малорастворимого соединения, является концент-рация осадкообразующих ионов. В области низких исходных концентраций Ca2+ и HPO42- в кальциево-фосфатной системе, согласно данным, полученным в ходе термодинамических расчетов, возможно осаждение ГА, тогда как по мере повышения начальных концентраций осадкообразующих ионов возрастает пересыщение системы относительно CaHРО4·2Н2О, β-Са3(РО4)2 и Ca8H2(РО4)6·5Н2О и термодинамически вероятно образование смеси фосфатов. Теоретически установленные закономерности были проверены в ходе эксперимента.

Методами РФА, ИК-Фурье-спектроскопии и оптической микроскопии определено, что в начальный момент времени (при сливании реагентов) из растворов с концентрациями 10 и 25 ммоль/л кристаллизуется двуводный гидрофосфат кальция. При созревании осадка под маточным раствором мелкие ромбические кристаллики брушита преимущественно трансформируются в ГА, что указывает на большую его стабильность в исследуемых условиях и согласуются с данными термодинамического расчета. Порошки, полученные после отделения от жидкой фазы и высушивания, бифазные и состоят из смеси брушита и ГА (рис. 4, 5).

В системе, в которой исходные концентрации осадкообразующих ионов составляют 50 ммоль/л, по данным ИК-Фурье-спектроскопии и оптической микроскопии кристаллизуется брушит с примесью ГА (рис. 4, 5). Однако на дифрактограммах полученной в данных условиях твердой фазы проявляются только рефлексы CaHРО4·2Н2О и отсутствуют пики Са10(РО4)6(ОН)2, что, вероятно, связано с низким содержанием основного фосфата кальция в составе осадка (менее 5% от массы всей твердой фазы).

Рис. 4. ИК спектры образцов из систем: 1 – С(Са2+, НРО42-)исх = 10 мМ, 2 – С(Са2+, НРО42-)исх = 25 мМ, , 3 – С(Са2+, НРО42-)исх = 50 мМ

Рис. 5. Дифрактограммы осадков из систем: 1 – С(Са2+, НРО42-)исх = 10 мМ, 2 – С(Са2+, НРО42-)исх = 25 мМ, 3 – С(Са2+, НРО42-)исх = 50 мМ

При еще более высоких исходных концентрациях ионов кальция и фосфат-ионов (С ≥ 75 ммоль/л) в исследуемых системах происходит кристаллизация фазы только брушита. Образующиеся на начальном этапе частицы имеют форму тонких удлиненных пластинок, расходящихся от центра лучами (рис. 6А). Выдерживание под маточным раствором осажден-ного вещества приводит к разделению кристаллов и их укрупнению. При этом наибольший рост происходит в направлении одной из осей, таким образом, что соотношение длины кристалла к его ширине составляет примерно 10:1 (характерная особенность кристаллов брушита [10]). При этом средний размер частиц двуводного гидрофосфата кальция, получен-ных осаждением в системах, в которых ≥ 75 ммоль/л, составляет 17.5-22.5 мкм.

Рис. 6. Фотографии частиц брушита, полученных из раствора с Сисх = 75 ммоль/л:

А – в момент сливания, Б, В – после 2 суток созревания

Контроль рН исследуемых систем в момент сливания реагентов и после 48 часов кристаллизации позволил установить различия в природе процессов осаждения, протекающих при различных начальных концентрациях Са2+ и НРО42- (рис. 7). Так, по мере их повышения рН систем снижается, причем наиболее значительное изменение кислотности среды наблю-дается в диапазоне = 10-50 ммоль/л. В этом же интервале концентраций происходит сдвиг рН системы после 48 часов кристаллизации в более кислую сторону, что объясняется связыванием ОН--ионов в форму ГА и включением их в состав твердой фазы. В условиях, когда ≥ 75 ммоль/л, связывание протонов (в составе гидрофосфат-ионов) при осаждении брушита обуславливает рост конечного значения рН среды.

Анализ жидких фаз, отделенных от осадков через двое суток, позволил установить, что остаточное содержание Са2+ и НРО42- в растворах слабо растет при увеличении их исходных концентраций в системах. Это вероятно связано с различием растворимости брушита и ГА, кристаллизующихся в определенных концентрационных условиях. При этом степень проте-кания реакции осаждения по Са2+ и НPO42- стремится к единице, содержание этих ионов в осадках линейно возрастает, а соотношение Са/P в полученных образцах изменяется от 1.36 до 1.00. При малых исходных концентрациях (С = 10 и 25 ммоль/л) Са/P-коэффициент отклоняется от единицы в большую сторону, что указывает на совместное присутствие брушита и ГА в составе твердой фазы. При больших начальных концентрациях реагентов соотношение Са/Р в осадке близко к 1.00, что характерно для CaHPO4·2H2O.

Рис. 7. Зависимости исходного и конечного значений рН системы от концентраций растворов реагентов

* I – Область кристаллизации смеси брушита и апатита, II – область кристаллизации брушита

Изучение влияния величины исходной концентрации реагентов на процесс фазообра-зования показало, что при низких содержаниях ионов в системе (С = 10-50 ммоль/л) через 48 часов из растворов кристаллизуется смесь брушита и гидроксилапатита; при более высоких концентрациях (С ≥ 75 ммоль/л) происходит осаждение только СаНРО4∙2Н2О. Следовательно, для получения кристаллов двуводного гидрофосфата кальция могут быть использованы раство-ры, содержащие эквимолярные концентрации Са2+ и PO43- ≥ 75 ммоль/л. В случае менее кон-центрированных систем получение микрометровых кристаллов брушита возможно сразу пос-ле сливания реагентов.

Полученные в ходе эксперимента результаты хорошо согласуются с данными термо-динамического расчета.

Изучение системы при различном времени кристаллизации. Равновесие в реакциях осаждения малорастворимых соединений в большинстве случаев устанавливается достаточно быстро. Однако когда в системе могут протекать одновременно несколько параллельных, конкурирующих или последовательных реакций, приводящих к соединениям с различной кинетической и термодинамической устойчивостью, период времени, в который достигается состояние равновесия, может быть достаточно протяженным. Так, в растворах, содержащих Ca2+ и PO43-/HPO42-/H2PO4-, возможны следующие реакции осаждения:

Ca2+(aq) + HPO42-(aq) + 2 Н2О → СаНРО4·2Н2О(s)

8 Ca2+(aq) + 6 HPO42-(aq) + 9 Н2О → Ca8H2(РО4)6·5Н2О(s) + 4 H3O+

9 Ca2+(aq) + 6 HPO42-(aq) + 7 H2O → Са9(HPO4)(РO4)5(OН)(s) + 6 H3O+

10 Ca2+(aq) + 6 HPO42-(aq) + 10 H2O → Са10(РO4)6(OН)2(s) + 8 H3O+.

При этом, согласно результатам проведенного термодинамического расчета и литера-турным данным [2], двуводный гидрофосфат кальция, ОКФ и ТКФ являются метастабиль-ными фазами по отношению к ГА, с образованием которого, при соответствующих условиях, могут протекать процессы рекристаллизации и переосаждения. Поэтому для определения времени установления равновесия при кристаллизации брушита и устойчивости равновесного состояния проведено исследование системы, в которой концентрации ионов кальция и фосфат-ионов выбраны равными 50 ммоль/л, при различном времени остаривания.

Методами РФА и ИК спектроскопии определено, что осадки, полученные при осаждении в течение от 1 до 10 суток, монофазные и образованы брушитом. При этом после одних суток кристаллизации частицы осадков представляют собой мелкие пластинки, которые растут на начальном этапе созревания (в течение 48 часов). Изменения массы образцов, образующихся в системе при выдерживании более двух суток, не наблюдалось. Анализ надосадочных жидкостей показал, что наибольшие изменения состава фаз происходят в течение 48 часов выдерживания осадка под маточным раствором. Следовательно, равновесие в исследуемой системе устанавливается за двое суток кристаллизации, после чего ее состояние не изменяется.

Исследование влияния рН среды на природу кристаллизующейся фазы.

Кислотность среды является одним из факторов, который определяет направление преимущественного протекания процесса осаждения в системах, содержащих фосфат-ионы и ионы кальция, а также обуславливает природу, состав, морфологию и другие свойства конечного продукта реакции. Согласно результатам термодинамического расчета осаждение брушита возможно в узком интервале рН (~4.7-6.0), в щелочной среде наибольшей термоди-намической стабильностью обладает ГА, в переходной (слабокислой – слабощелочной) области термодинамически вероятна совместная кристаллизация смеси фосфатов кальция различного стехиометрического состава. Для верификации результатов расчетов проведен синтез малорастворимых ФК при различных значениях рН (в интервале от 4 до 10).

Анализ результатов, полученных при изучении в течение двух суток процесса кристал-лизации в системе с исходными концентрациями ионов кальция и фосфата равными 50 ммоль/л, показал, что осаждение брушита происходит в достаточно узком интервале рН от 5.00 до 6.00. При этом в начальный момент времени образуются мелкие кристаллики бруши-та, которые при созревании осадка растут и превращаются в тонкие прозрачные удлиненные пластины. В диапазоне рН = 6.00-7.00 наблюдается совместное осаждение брушита и ГА. При дальнейшем увеличении рНисх происходит образование нестехиометрического ГА, который кристаллизуется в виде сплошной непрозрачной корки с белесым оттенком, растрескиваю-щейся при высыхании.

Данные физико-химических исследований осадков находятся в согласии с результатами химических анализов жидких фаз (табл. 2). Отмечено, что твердая фаза в изучаемых условиях образуется, начиная с рН = 5.00. В интервале рН от 5.00 до 6.00 происходит значительный рост массы осадка. Это может быть вызвано возрастанием пересыщения системы относитель-но брушита за счет увеличения доли гидрофосфат-ионов в растворе. Дальнейшее повышение рН создает условия, в которых система пересыщена относительно смеси фосфатов кальция (кислого и основного), а при рН > 7.00 в большей степени по ГА. Эти же причины обуславли-вают резкие изменения содержания ионов Са2+ и РО43- в составе осадков, их стехиометрии, а также степени протекания реакции осаждения (τ).

Изучение влияния порядка сливания растворов. Ввиду возможности протекания в кальциево-фосфатной водной среде нескольких реакций осаждения, помимо прочих условий на природу кристаллизующегося вещества влияет порядок прибавления реагентов. Для определения направления процесса кристаллизации проведены две серии экспериментов, в ходе которых (а) добавляли раствор нитрата кальция к раствору гидрофосфата аммония и (б) соблюдали обратный порядок смешения растворов реагентов.

Установлено, что в зависимости от варьируемых условий природа кристаллизующегося вещества различна. Анализ полученных твердых фаз методами ИК спектроскопии и оптической микроскопии, позволил установить, что при приливании раствора Ca(NO3)2 к раствору (NН4)2HPO4 образуются кристаллы брушита. При обратном порядке смешивания реагентов в составе твердых фаз совместно присутствуют пластинчатые кристаллы брушита и агрегаты различной формы, построенные из кристаллитов гидроксилапатита. Соотношения Са/P в полученных образцах близко к 1.00. Однако в случае обратного порядка сливания растворов реагентов данная величина больше единицы. Очевидно, что это вызвано присутст-вием примеси апатита.

Табл. 2. Характеристики осадка, надосадочной жидкости и процесса

кристаллизации брушита при варьировании рН среды

рНисх	Конечное содержание в растворе, ммоль/л	Расчетное содержание в осадке, ммоль/л	Са2+/PO43- в осадке	Масса осадка, г	τ(Ca2+)	τ(РО4 3-)
Са2+	РО43-	Са2+	РО43-
5.0	32.0	32.9	18.0	17.1	1.05	0.38	0.36	0.34
5.5	31.2	31.9	18.8	18.1	1.04	0.46	0.38	0.36
6.0	4.9	11.6	45.1	38.4	1.17	3.32	0.90	0.77
6.5	2.5	14.9	47.5	35.1	1.35	3.25	0.95	0.70
7.0	1.8	14.9	48.2	35.1	1.37	3.04	0.96	0.70
8.0	0.6	16.7	49.4	33.3	1.48	3.02	0.99	0.67
9.0	0.2	16.2	49.8	33.8	1.49	3.03	1.00	0.69
10.0	0.1	16.5	49.9	33.5	1.50	3.05	1.00	0.68

Определение влияния скорости сливания реагентов. Существенное влияние на состоя-ние (аморфное/кристаллическое), размер и морфологию кристаллов осаждаемого малораст-воримого соединения оказывает скорость смешивания реагентов. Согласно [13], кристалл-лические осадки формируются при сливании реагентов по каплям, тогда как при быстром добавлении осадителя происходит образование аморфных фаз.

Поэтому проведены эксперименты, в ходе которых растворы, содержащие Са2+ и гидрофосфат-ионы (концентрация в растворе 50 ммоль/л), смешивали быстро либо по каплям. Оказалось, что скорость сливания растворов реагентов не влияет на фазовый состав осадков. Все образцы, полученные в данной серии экспериментов, кристаллические и представлены брушитом. Однако размер его кристаллов различен. По сравнению с пластинами брушита, образовавшимися при быстром приливании осадителя (раствора нитрата кальция), кристалл-лики, полученные при приливании по каплям, имеют меньшие размеры. Вероятно, это связа-но с тем, что пересыщение системы, возникающее при добавлении новых порций осадителя, снимается в результате зарождения новых кристаллов, а не роста уже образовавшихся.

Заключение

В целом результаты теоретического и экспериментального исследования процессов фазообразования в системе Са(NO3)2 – (NH4)2HPO4 – H2O хорошо согласуются и дополняют друг друга. В ходе проведенного комплексного исследования спонтанной кристаллизации малорастворимых фосфатов кальция, контролируемой, как известно, факторами как термо-динамической, так и кинетической природы, оценены движущая сила процесса осаждения брушита, установлено влияние ряда факторов на закономерности фазообразования в системе Са(NO3)2 – (NH4)2HPO4 – H2O, выявлены его особенности. На основании полученных резуль-татов необходимо дальнейшее исследование кристаллизации двуводного гидрофосфата кальция в присутствии органических и неорганических веществ биологического происхож-дения для выяснения механизмов их влияния на процессы минерализации in vivo.

Выводы

1.  По результатам термодинамического расчета установлено следующее.

a)  в системах с концентрациями фосфат-ионов и ионов кальция от 10 до 200 ммоль/л и рН от 0 до 14 наиболее вероятно осаждение двух фосфатов кальция:

Ø  при рН ~ 4.7-6.0 и С ≥ 50 ммоль/л – брушита,

Ø  при рН > 6.0 и С < 50 ммоль/л – гидроксилапатита.

b)  Трикальция фосфат и октакальция фосфат – метастабильные фазы в изучаемых условиях.

2.  В ходе экспериментального изучения системы Са(NO3)2 – (NH4)2HPO4 – H2O, содержащей эквивалентные количества ионов Са2+ и НРО42- определено следующее.

a)  При низких концентрациях (10-50 ммоль/л) в момент сливания растворов Са(NO3)2 и (NH4)2HPO4 кристаллизуется брушит, который по мере созревания в системе трансформируется в гидроксилапатит; при более высоких концентрациях исходных растворов реагентов (> 50 ммоль/л) осаждается брушит.

b)  Равновесие между жидкой фазой и осадком устанавливается за двое суток.

c)  Кристаллизация брушита происходит в интервале рН = 5.00-6.00 при приливании раствора Са(NO3)2 к раствору (NH4)2HPO4.

d)  Размер и морфология образующихся частиц брушита зависят от скорости сливания реагентов:

Ø  при приливании реагентов по каплям осадки состоят из мелких иголь-чатых кристаллов брушита,

Ø  при быстром сливании растворов образуются крупные удлиненные плас-тины двуводного гидрофосфата кальция.

Благодарности

НИР выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 14.740.11.0548-0723).

Литература

[1]  , , Костровский фазового состава слюнных камней и кристаллохимия слагающих их минералов. Рентгенография и кристаллохимия минералов. 2003. С.189-191.

[2]  Tohda H., Yamakura K., Yanagisawa T. High-resolution electron microscopic study of salivary calculus. Journal Of Electron Microscopy. 1995. Vol.44. No.5. P.399-404.

[3]  Abraham J., Grenon M., Sanchez H. J., Perez C., Barrea R. A case stady of elemental and structural composition of dental calculus during several stages of maturation using SRXRF. Journal Of Biomedical Materials Research. 2005. Vol.75. No.3. P.623-628.

[4]  Баринов и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины. Успехи химии. 2010. Т.79. №1. С.15-32.

[5]  , , Третьяков неорганических биоматериалов на основе фосфата кальция. Российский химический журнал. 2004. Т.48. №4. С.52-64.

[6]  Dorozhkin S. V., Epple M. Biological and Medical Significance of Calcium Phosphates. Angew. Chem. Int. Ed. 2002. Vol.41. P.3130-3146.

[7]  , Комлев на основе фосфатов кальция. М.: Наука. 2005. 204с.

[8]  Dorozhkin S. V. Calcium orthophosphate cements and concretes. Materials. 2009. No.2. Р.221-291.

[9]  Данильченко и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения (обзор). Вестник СумДУ. Серия Физика, математика, механика. 2007. №2. С.33-59.

[10]  , Каткова синтез оксалатов и фосфатов кальция. Образование и трансформация кристаллических фаз. Сыктывкар. 2005. С.16-30.

[11]  Ракин фосфатов кальция в распределенной диффузионной колонке. Рентгенография и кристаллохимия минералов. Материалы ХV Международного совещания. СПб. 2003. С.305-306.

[12]  Васильев химия. Книга 1. Титриметрические и гравиметрические методы анализа. М.: Дрофа. 2003. 368с.

[13]  Mullin J. W. In: Crystallization, 3rd Ed. Butterworth-Heinemann. Oxford. 1993. P.118-122.