Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно

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

Поступила в редакцию 12 июня 2017 г. УДК???.

Изучение поверхностных свойств

брушита при сорбции аминокислот

© Голованова*+ Ольга Александровна и

Кафедра неорганической химии. Омский государственный университет им. . Проспект Мира, 55-А. г. Омск, 644077. Россия. E-mail: *****@***ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: брушит, адсорбция, аминокислота, растворение, заряд поверхности.

Аннотация

В работе изучена адсорбция аминокислот на поверхности брушита. Проведен синтез брушита. По результатам РФА и ИК-спектроскопии установлено, что осадки представлены фазой брушита. Осуществлено динамическое растворение твердой фазы брушита, при варьировании рН. Показано, что с понижением рН раствора растет скорость растворения твердой фазы брушита. Исследована адсорбция аминокислот в широком интервале варьирования их концентраций и pH раствора. Рассмотрено влияние pH раствора на значение максимальной адсорбции аминокислот на брушите. Проведено определение знака заряда поверхности твердой фазы брушита. Осуществлен расчет значений свободной энергии Гиббса.

Объём аннотации посылаемой в печать статьи должен быть 200-250 слов. Количество слов в аннотации можно узнать в MS Word 2003 выделив текст, войти в информационной панели в Сервис и затем в Статистику. В MS Word 2007, выделяют весь текст аннотации и на нижней информационной панели нажимают на секцию “Число слов”, в возникшем статистическом окошке смотрят численное значение.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Введение

Фосфаты кальция входят в состав физиогенных и патогенных минеральных образова-ний. Физиогенные образования входят в состав тех или иных органов и выполняют различные функции, они генетически обусловлены, их место в организме строго определено. Патогенные минеральные образования возникают в результате нарушения функционирования всего организма или его отдельного органа. Известно, что на ранних этапах формирования пато-генных агрегатов кристаллизуется двуводный гидрофосфат кальция, аналог природного минерала брушита [1-3].

В организме животных и человека брушит, встречается главным образом, совместно с другими ФК в составе патогенных минеральных образований разного расположения (зубные, слюнные,  почечные  и другие камни) [2].

В работах [5-11] исследователи описывали, что ФК имеют превосходную биологи-ческую активность и были широко использованы в восстановлении костей или в виде ортопедических дополнений, в качестве основного неорганического материала состава твердых тканей тела.

Взаимодействие органической и минеральной составляющих имеет важное значение в таких процессах биогенной кристаллизации, как формирование костного матрикса млеко-питающих, а также зарождение и рост патогенных образований.

В одной из классификаций их подразделяют на две группы: низкотемпературные, высокотемпературные [12, 13].

Из числа биосовместимых низкотемпературных ФК наибольший интерес представляют гидроксилапатит (ГА) и дикальциевый фосфат дигидрат (ДКФД) СaHPO4∙2H2O. ДКФД, в природе выражен минералом брушитом, наиболее растворим из биосовместимых ФК, ГА – менее растворим. При 60-100 оС брушит постепенно превращается в СаНРО4 (ДКФ) дикальций фосфат. В работе [14] были рассмотрены устойчивости фосфатов кальция и Са/Р коэффициент.

Существует ряд предположений, согласно которым в основе процессов минерализации лежит адсорбционное взаимодействие свободных аминокислот и связанных в белковые молекулы с неорганическими компонентами биожидкостей [2]. Механизм их взаимодействия до конца не изучен.

В связи с этим актуальны исследования, направленные на изучение закономерностей адсорбции аминокислот на неорганической составляющей патогенных новообразований.

Целью данной работы является изучение особенностей адсорбции аминокислот на брушите, при варьировании рН раствора.

Экспериментальная часть

Синтез брушита. Проводят путем осаждения из водного раствора при комнатной температуре методом спонтанной кристаллизации по уравнению (1): CaX2 + M2HPO4 + 2Н2О → CaHPO4∙2Н2О↓ + 2MX (1).

Осадок получают смешением разбавленных растворов нитрата кальция Ca(NO3)2·4H2O и гидрофосфата аммония (NН4)2HPO4 с эквимолярными концентрациями при комнатной температуре (22-25 °С). При проведении синтеза к 250 мл раствора, содержащего (NН4)2HPO4, быстро приливают 250 мл раствора Ca(NO3)2 с эквимолярной концентрацией (50 ммоль/л). Суммарный объем смеси составляет 500 мл. После смешения растворов рН системы корректируют до значения 5.50±0.05 при помощи растворов NaOH (20%) и/или HNO3 (1:1).

После отстаивания гетерогенной системы в течение двух суток раствор фильтруют под вакуумом с помощью водоструйного насоса. Отбирают часть надосадочной жидкости для проведения химических анализов, измеряют рН равновесного раствора. Осадок на фильтре промывают водой (V = 50 мл) по окончании фильтрования и высушивают в сушильном шкафу при температуре ~80 єС до постоянной массы для полного удаления несвязанной воды, а затем при комнатной температуре (в эксикаторе). Высушенный осадок переносят в маркированную емкость и взвешивают на аналити-ческих весах.

Определение знака заряда  частиц золей брушита методом капиллярного анализа. При погру-жении в воду куска фильтровальной бумаги, стенки капилляров бумаги заряжаются отрицательно. Это позволяет определить знак заряда коллоидных частиц. Отрицательно заряженные частицы подни-маются вверх по капиллярам.

Динамическое растворение. На аналитических весах на сухом часовом стекле берут навеску образца брушита массой 0.1000 г. Изучение процесса растворения проводят при постоянном пере-мешивании раствора. Через выделенные промежутки времени отмечают величину рСа. По окончания измерений не растворившийся осадок отфильтровывают через складчатый фильтр, сушат в сушильном шкафу при температуре ~80 оС до полного удаления химически несвязанной воды. Высушенный осадок переносят в маркированную емкость и взвешивают на аналитических весах.

Для измерения рН использовали метод прямой потенциометрии. Измерения проводят в стек-лянном стакане, который предварительно обрабатывается. Погрешность измерения ±0.01 ед. рН.

Определение концентрации ионов кальция в ходе эксперимента проводили методом прямой потенциометрии с использованием ионоселективного электрода и по градуировочному графику опре-деляли значение концентрации ионов Са2+.

Определение фосфат-ионов проводили по методу молибденовой сини. ГОСТ 18309-72. На приборе КФК-2, пользуясь красным светофильтром (лэфф = 690 нм) и кюветами с толщиной слоя 2 см. Определение повторяют трижды и по средним величинам оптических плотностей строят градуиро-вочный график: D = f{С(РО43-)}, рассчитывают уравнение регрессии. Погрешность определений нахо-дится в пределах 2-4 отн. %.

Рентгенофазовый анализ (РФА). Для изучения минерального (фазового) состава синтезирован-ных твёрдых фаз брушита. Дифрактограммы были получены «методом порошка» на рентгеновском стационарном аппарате ДРОН-3 [15]. Идентификация фаз производилась с использованием междуна-родной картотеки ASTM и таблиц [16]. Чувствительность метод РФА для данных измерений состав-ляла 3%.

Метод инфракрасной спектроскопии использован с целью получения дополнительной инфор-мации о составе полученных образцов. ИК-спектры получали на спектрофотометре ФСМ 2201. Мате-матическую обработку всех данных осуществляли с использованием статистических программ Static2 и Statistica 10 из статистического пакета StatSoft. Чувствиительность метода ИК-спектроскопии для данных измерений составляет < 5%.

Метода измeрeния площaди удeльной повeрхноcти синтетических фосфатов кальция. Измeрeниe удeльной повeрхноcти обрaзцов по мeтоду БЭТ (SБЭТ-N2) проводили c примeнeниeм мeтодики одно-точeчной aдcорбции cтaндaртного гaзa при опрeдeлeнном рaвновecном дaвлeнии нa aдcорбционном приборe Cорбтомeтр, ИК CО РAН (ОНЦ CО РAН, г. Омcк). Прeдeл допуcкaeмой отноcитeльной погрeшноcти измeрeний удeльной повeрхноcти в рeжимe многокрaтного измeрeния нe болee 5%.

Адсорбционный эксперимент. Навеску брушита массой 0.5 г помещают в колбу и заливают раствором аминокислоты. Варьируется концентрация аминокислоты: 2, 4, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30 ммоль/л и варьируется  рН 5.00-8.00±0.05 (кроме 6.50) с шагом 0.50. Проводят встряхивание в течение 30 минут, после чего оставляют на 48 часов. По истечении указанного времени содержимое колб фильтруют и определяют содержание аминокислот в фильтрате методом перевода аминокислот в раст-воримые медные соли и их последующем фотометрическом определение, измеряют рН после адсорб-ции, определяют массы осадков.

Определение концентрации аминокислот в ходе эксперимента проводили методом фотометри-ческого определения аминокислот. Сущность метода состоит в том, что для определения концентра-ции аминокислот используется анализ, основанный на переводе аминокислот в растворимые медные соли и их последующем фотометрическом определении. Для измерений используется фотоэлектрока-лориметр КФК-2. Определение оптической плотности стандартных растворов проводятся в интервале длин волн, включающем величину 670 нм. Для измерений строят калибровочный график. Опре-деление неизвестной концентрации аминокислоты проводили с помощью градуировочного графика.

Результаты и их обсуждение

1. Результаты синтеза кристаллов брушита

Методами РФА и ИК-спектроскопии установлено, что осадки, полученные после 48 часов кристаллизации, представлены фазой брушита (рис. 1), принадлежащих моноклинной сингонии (2 тета соответствует 11.172, 29.411, 35.419). Рассчитанный размер кристаллитов равен D = 48.06 мкм [17], что согласуется с данными  [3].

ИК-спектры, образцов содержат весь спектр полос характерных для брушита (рис. 2) и имеют сложную структуру. Отмечено наличие полос поглощения валентных (1135, 1060, 986 см-1) и деформационных (653, 578, 527 см-1)  колебаний группы НРО42-, а также полос характерных для колебаний воды 3531, 3484, 1646 см-1.

Методом БЭТ рассчитали удельную поверхность брушита и ее значение составило 9.0 м2/г.

Анализ надосадочной жидкости и расчет Са/Р коэффициента показал, что Са/Р для синтезированного брушита равен 1.02, для  идеального брушита это значение составляет Са/Р = 1.00.

Рис. 1. Дифрактограмма синтезированного образца брушита при рН = 5.50±0.05 (48 часов)

Рис. 2. ИК-спектр образца брушита, синтезированного при рН = 5.50±0.05 (48 часов)


2. Результаты исследования свойств брушита

Методом динамического растворения осуществлен перевод синтезированных образцов брушита из твердой фазы в жидкую, при варьировании рН.

Полученная экспоненциальная зависимость рСа от времени, которая соответствует реакции первого порядка, когда скорость изменения количества "активных центров растворения" (С(t)) в раст-воряемом материале пропорциональна их количеству в данный момент (1):

                                       (1)

где коэффициент k не зависит от времени.

На данной стадии растворения скорость изменения концентрации со временем уменьшается (2):

                               (2)

Поэтому в качестве количественной меры можно рассматривать начальную скорость растворения, определенную как тангенс угла наклона линейного участка прямой, построенной в координатах рСа = f (t) [2].

По полученным данным была построена зависимость (рис. 3).

Кинетические кривые были обработаны и данные сведены в табл. 1.



Рис. 3. Кинетические кривые растворения осадков брушита

в водном растворе при разном значении рН


Табл. 1. Параметры растворения брушита в зависимости от варьирования рН в водном растворе


pH

Уравнение

K, c-1

V, моль/л·мин

5.00

pCa = 4.093 + 0.0425·eхр(-0.016t)

0.9632

0.016

0.960

5.50

pCa = 4.073 + 0.0425·eхр(-0.014t)

0.9620

0.014

0.840

6.00

pCa = 4.060 + 0.0464·eхр(-0.012t)

0.9795

0.012

0.720

6.50

pCa = 4.048 + 0.0707·eхр(-0.011t)

0.9506

0.011

0.660

7.00

pCa = 4.084 + 0.0627·eхр(-0.009t)

0.9880

0.009

0.540

7.50

pCa = 4.082 + 0.0371·eхр(-0.005t)

0.9756

0.005

0.300

8.00

pCa = 4.095+0.0233·eхр(-0.003t)

0.9488

0.003

0.180


Видно, что существует обратная закономерность между скоростью растворения и рН раствора, а именно при понижении рН раствора растет скорость растворения. Расчет масс образцов после растворения позволил определить их потери (табл. 2).

Табл. 2. Потеря масс образцов брушита при растворении


pH

5.00

5.50

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

△m, %

27.0

22.6

18.0

17.2

16.8

13.0

8.7


Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными по скоростям растворения, а именно максимальная скорость растворения твердой фазы соот-ветствует набольшей ее потере. Для  установления данного факта был определен состав образцов после растворения с помощью РФА. Дифрактограммы показывают, что фазовый состав фаз не изменился. 

Заряд поверхности твердой фазы брушита по методу капиллярного анализа при рН = 5.00, 6.50, 8.00±0.05  показал, что поверхность заряжена положительно.

3. Результаты адсорбционного эксперимента

В результате проведения адсорбционного эксперимента были получены изотермы адсорбции аминокислот на брушите (рис. 4). По виду кривых можно сделать вывод, что адсорбция достигает насыщения. Это дает возможность при Сак = 0.030 моль/л сравнивать значения адсорбции при варьировании рН раствора, для поиска значений максимальной адсорбции (табл. 3).


а)


б)

в)

г)


Рис. 4. Изотермы адсорбции аминокислот на брушите:

а – глицин, б – аргинин, в – аланин, г – аспарагиновой кислоты


Видно, что для глицина, аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот характерна максимальная адсорбция при рН = 7.50±0.05, а для аргинина при рН = 8.00±0.05. При данных значениях рН раствора данные аминокислоты находятся в заряженных ионных формах.

Для определения уравнения описывающего адсорбцию, проведена обработка экспериментальных данных с позиции теории Лэнгмюра (3) и теории Фрейндлиха (4) (табл. 4):

                                       (3)

где Г∞ – величина предельной адсорбции, моль/кг; b – константа адсорбционного равновесия; С – равновесная концентрация адсорбата, моль/л.

                                               (4)

где а – коэффициент пропорциональности, n – показатель степени, n<1.

Табл. 3. Значение максимальной адсорбции аминокислот при варьировании рН


рН

5.00

5.50

6.00

7.00

7.50

8.00

Глицин

Г, моль/кг

0.500

0.550

0.500

0.700

0.800

0.750

Аланин

0.400

0.500

0.450

0.500

0.550

0.450

Аспарагиновая кислота

0.450

0.500

0.500

0.500

0.550

0.500

Глутаминовая кислота

0.750

0.750

0.800

0.700

0.850

0.800

Аргинин

0.500

0.400

0.400

0.450

0.450

0.600


Табл. 4. Уравнения, описываемые моделями Лэнгмюра и Фрейндлиха,

для адсорбции аминокислот на брушите при варьировании рН раствора


Аминокислота

Гмакс, моль/кг

pHмакс

Уравнения по модели

R2

Лэнгмюра

Фрейндлиха

Лэнгмюра

Фрейндлиха

Глицин

0.800

7.50

0.6551

0.8993

Аланин

0.550

7.50

0.9834

0.9809

Аспарагиновая

кислота

0.550

7.50

0.8803

0.9732

Глутаминовая

кислота

0.850

7.50

0.8639

0.9368

Аргинин

0.550

8.00

0.8267

0.8005


Полученные значения Г∞ адекватны, так как все практические величины Г меньше Г∞. Как видно из табл. 4, адсорбция глицина, аспарагиновой и глутаминовой кислот имеют хорошую корреляцию в линейных координатах модели Фрейндлиха в большей степени, а аланин и аргинин, напротив, в линейных координатах модели Лэнгмюра.

Далее был осуществлен расчет изменения энергии Гиббса по формуле (5) (табл. 5):

                                       (5)

где R – универсальная газовая постоянная, R = 8.314 кДж/(кмоль·К);

К – константа адсорбционного равновесия.

Табл. 5. Значение свободной энергии Гиббса для глицина


рН

5.00

5.50

6.00

7.00

7.50

8.00

Глицин

-△ G, кДж/моль

12.39

11.84

11.87

12.73

13.38

13.14

Аланин

9.077

9.924

9.682

9.855

10.35

9.347

Аспарагиновая

кислота

9.617

10.17

9.855

10.17

10.76

10.17

Глутаминовая

кислота

12.55

12.75

14.79

12.42

14.82

14.38

Аргинин

10.25

10.44

10.31

10.62

10.64

11.40


Видно, что значения свободной энергии Гиббса соответствуют значениям максимальной адсорбции. Значения свободной энергии Гиббса говорят о том, что адсорбция идет по факту физический адсорбции.

Анализ заряда поверхности твердой фазы брушита, после адсорбции (Сак = 4 ммоль/л), при рН = 5.00, 6.50, 8.00 ± 0.05  показал, что при добавлении даже небольших количеств аспарагиновой кислоты и глутаминовой кислоты, которые находятся при данных значениях рН раствора в виде отрицательно заряженных цвитер-ионов, происходит перезарядка поверхности. Это можно объяснить процессом адсорбции аминокислот на поверхности брушита. При добавлении аргинина, при данных условиях он находится в виде положительно заряженного цвиттер-иона, перезарядки поверхности не происходит. При адсорбции глицина и аланина не происходит перезарядки поверхности, на всем промежутке рН раствора, хотя при данных условиях, они находятся последовательно в трех формах: положительно заряженного иона, нейтрального цвиттер-иона и отрицательно заряженного иона (табл. 6).

Табл. 6. Знак заряда брушита в присутствии аминокислот одинаковой концентрации


Аминокислота

рН

Знак заряда поверхности брушита

Глицин

5.00

+

6.50

+

8.00

+

Аланин

5.00

+

6.50

+

8.00

+

Аспарагиновая кислота

5.00

-­­­­

6.50

-

8.00

-

Глутаминовая кислота

5.00

-

6.50

-

8.00

-

Аргинин

5.00

+

6.50

+

8.00

+


Для подтверждения факта адсорбции приведены результаты ИК‑спектроскопии. На ИК-спектре образца после адсорбционного эксперимента (рис. 5) в области 2800‑3000 см-1 проявляются полосы, соответствующие колебаниям связей С-Н в метиленовых группировках органической составляющей. Полосу колебаний при 1650 см-1 следует рассматривать как суммарную, отражающую колебания связей С=О, N-H, O-H в молекулах аминокислоты и ОН-ионов в составе брушита.



Рис. 5. ИК-спектр образца после адсорбционного эксперимента (48 часов)


Также зафиксировано появление специфических полос поглощения связанных с колебаниями связей N–Н и С–N, которые проявляются в областях 3500‑3300, 1650‑1500, 1360‑1000 см-1, что подтверждает возможность адсорбции аминокислот на брушите.

Выводы

Осуществлен синтез брушита, строение которого подтверждено методами РФА и ИК-спектроскопии. Изучено его динамическое растворение в водном растворе с разным значе-нием рН. Получено, что значение знака заряда поверхности брушита положительное.
Исследована  адсорбция  аминокислот на брушите и показано, что для глицина, аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот максимальная адсорбция происходит при рН = 7.50 ±0.05, а для аргинина при рН = 8.00±0.05.
Установлено, что адсорбция для глицина, аспарагиновой и глутаминовой кислот описывается моделью  моделью Фрейндлиха, а для аланина и аргинина адсорбция – моделью Лэнгмюра. Рассчитанные  значения свободной энергии Гиббса адсорбции согласуются со значениями максимальной адсорбции.

Благодарности

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фунда-ментальных исследований (грант № 16-33-00684 мол_а).

Литература

, Комлев на основе фосфатов кальция. М.: Наука. 2005. 204с. Солоненко влияния условий кристаллзации на физико-химические свойства химически модифицированных фосфатов кальция. Дис. кандидата хим. наук. Омск. 2014. 171с. Y. H. Hsu, I. G. Turner, A. W. Miles. Mechanical characterization of dense calcium phosphate bioceramics with interconnected porosity. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2007. Vol.18. Р.2319-2329. Голованова минералы в организме человека. Омск: Изд-во ОмГУ. 2006. 400с. L. C. Chow, E. D. Eanes. Calcium phosphate cements. Basel. 2001. Vol.18. P.17-42. P. Sepulveda, J. R. Jones, L. L. Hench. Bioactive sol gel foams for tissue repair. J. Biomed. Mater. Res. 2002. Vol.59. P.340-348. G. A. Silva, O. P. Coutinho, P. Ducheyne, R. L. Reis. Materials in particulate form for tissue engineering. II. Applications in bone. J. Regen. Med. 2007. Vol.1. P.97-106. Z. Zhang, D. G. Dalgleish, H. D. Goff. Effect of pH and ionic strength on competitive protein adsorption to air/water interfaces in aqueous foams made with mixed milk proteins. Colloids Surf. B Biointerf. 2004. Vol.34. P.113-121. M. Vallet-Regн, J. M. Gonzбlez-Calbet. Calcium phosphates as substitution of bone tissues. Prog. Solid Stat. Chem. 2004. Vol.32. P.1-31. Z. Zhang, Dalgleish D. G., H. D. Goff. Effect of pH and ionic strength on competitive protein adsorption to air/water interfaces in aqueous foams made with mixed milk proteins. Colloids Surf. B Biointerf. 2004. Vol.34. P.113-121. S. Langstaff, M. Sayer, T. J. Smith, S. M. Pugh. Resorbable bioceramics based on stabilized calcium phosphates. II. Evaluation of biological response. Biomaterials. 2001. Vol.22. Р.135-150. , , Третьяков неорганических биоматериалов на основе фосфатов кальция. Российский химический журнал. 2004. Т.48. №4. С.52-64. Солоненко влияния условий кристаллзации на физико-химические свойства химически модифицированных фосфатов кальция. Дис. кандидата хим. наук. Омск. 2014. 171с. M. Vallet-Regн, J. M. Gonzбlez-Calbet. Calcium phosphates as substitution of bone tissues. Prog. Solid Stat. Chem. 2004. Vol.32. P.1-31. D. G. Assimos, R. P. Holmes. Urol. Clin. North. Am. 2000. Vol.27. No.2. P.255-268. G. G. Bailly, R. W. Norman, C. Thompson. Urology. 2000. Vol.56. No.1. P.40-44. , , Панова и кристаллохимия. Омск: Изд-во ОмГУ. 2013. 38с.

In the English version of this article, the Reference Object Identifier – ROI: jbc-02/17-50-6-77

Study of the surface properties

of brushite during sorption of amino acids

© Olga A. Golovanova,*+ and Konstantin K. Golovchenko

Inorganic Chemistry Department. Omsk F. M. Dostoevsky State University. Prospekt Mira, 55-А.

Omsk, 644077. Russia. E-mail: *****@***ru

____________________________________

*Supervising author; +Corresponding author

Keywords: brushite, adsorption, amino acid, dissolution, surface charge.

Abstract

In this paper studied the adsorption of amino acids on the surface of brushite. Brushite was sintthesized. According to the results of XRD and IR spectroscopy established that precipitation is represented by the phase of brushite. Implemented dynamic dissolution of the solid phase of brushite, by varying the pH. It is shown that with a decreasing of pH of the solution, with an increases the dissolution rate of the solid phase of brushite. Investigated the adsorption of amino acids in a wide range of variation in their concentrations and the pH of the solution. The effect of pH on the maximum adsorption of amino acids on brushite. The results of IR spectroscopy is shown to confirm adsorption. A definition of the sign of the surface charge of the solid phase of brushite. Calculates the values of the Gibbs free energy, it was found that they correspond to the values of the maximum adsorption.

Объём аннотации посылаемой в печать статьи должен быть 200-250 слов. Количество слов в аннотации можно узнать в MS Word 2003 выделив текст, войти в информационной панели в Сервис и затем в Статистику. В MS Word 2007, выделяют весь текст аннотации и на нижней информационной панели нажимают на секцию “Число слов”, в возникшем статистическом окошке смотрят численное значение.