ОЦЕНКА БИОРЕЗОРБИРУЕМОСТИ КАРБОНАТСОДЕРЖАЩИХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ГИДРОКСИАПАТИТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ОБРАБОТКИ
Доан Ван Дат, Ле Ван Тхуан
Белгородский государственный национальный исследовательский университет НИУ «БелГУ», г. Белгород.
Научные руководители - ,
Введение
Живые организмы могут создавать удивительные способы для получения различных неорганических природных биоматериалов [1]. Среди них особое значение имеет биоапатит, так как он является наиболее важным неорганическим компонентом твердых тканей у позвоночных [2, 3]. В кристаллическом виде он присутствует в костях, зубах, оленьих рогах и сухожилиях млекопитающих, чтобы придать этим органам стабильность, твердость и другие необходимые функции [2, 4, 5]. Гидроксиапатит (ГАП) синтетический кристаллохимический аналог биоапатита. В настоящее время материалы на основе ГАП широко применяются в стоматологии, реконструктивно-восстановительной костной хирургии, ортопедии [6]. Однако при создании материалов для замещения дефектов костной ткани естественно стремление приблизить структуру и свойства синтетического материала к таковым у биологической костной ткани. Ряд детальных исследований [7, 8] показал, что ГАП в живых организмах не находится в чистом виде, а всегда содержит в своей структуре примеси, преимущественно карбонат-ионы, благодаря их способности адаптироваться к постоянно меняющимся условиям внутренней среды. Карбонатные группы, содержащиеся в кости (около 4-8 % по массе), находятся в нестабильном положении, замещая либо ОН–-группы (А-тип замещения), либо (РО4)3–-группы (В-тип замещения) [9]. Как известно, скорость резорбции имплантационного материала в значительной степени влияет на регенерацию костной ткани [10]. Поэтому при разработке синтетических остеопластических материалов важной задачей является достижение максимальной близости их химического и фазового состава к соответствующим тканям млекопитающих, а также получение оптимальных резорбционных характеристик таких материалов. При синтезе карбонатзамещенного гидроксиапатита (КГАП) путем осаждения из водных растворов для достижения необходимой степени кристалличности и удаления побочных продуктов реакции в большинстве известных работ [11, 12] полученные образцы КГАП обычно термообрабатывают при высоких температурах.
В связи с этим целью настоящей работы являлось изучение влияния температуры обработки на биорезорбируемость синтетических наноразмерных гидроксиапатитов, модифицированных карбонат-ионами.
Материалы и методы исследования
Кристаллический наноразмерный гидроксиапатит, модифицированный карбонат-ионами, был получен с помощью «мокрого синтеза» в работе [13].
Полученные осадки отделяли от маточного раствора фильтрованием, затем сушили при 950С в сушильном шкафу до постоянной массы.
Далее образцы КГАП подвергали термической обработке в течение 2 ч в муфельной печи при 100, 300, 600, 900 оС. В дальнейшем обсуждении этим образцам были присвоены обозначения КГАП_100, КГАП_300, КГАП_600, КГАП_900 соответственно.
Величины удельной поверхности определяли методом низкотемпературной адсорбции и термодесорбции азота (метод БЭТ) на газо-адсорбционном анализаторе ТriStar II 3020).
Резорбируемость определяется статическим методом – путем аналитического определения концентрации катионов кальция при растворении образцов в растворе, моделирующем состав межтканевой жидкости (simulated body fluid-SBF) [14], при рН=7,4 с разным временем экспозиции. Определение биорезорбируемости статическим методом выполняли следующим образом. На аналитических весах взвешивали навески КГАП по 0,2г с точностью ±0,0020г, затем помещали в химические стаканы емкостью 100 мл, содержащие 50 мл раствора SBF с рН=7,4, перемешивали и оставляли на определенное время. Концентрацию ионов Са2+ измеряли с помощью иономера ИПЛ-113 при использовании кальций-селективного электрода «ЭКОНИКС Са».
Результаты и их обсуждения
Результаты определения удельной поверхности, объема и среднего размера пор образцов КГАП приведены в табл. 1.
Табл. 1.
Физико-химические характеристики образцов КГАП, обработанных при различных температурах
Удельная поверхность, м2/г | Объем пор, см3/г | Средний размер пор, Ао | |
КГАП_100 | 142.95 | 0.48 | 121.9 |
КГАП_300 | 142.95 | 0.52 | 172.31 |
КГАП_600 | 64.41 | 0.38 | 236.16 |
КГАП_900 | 0.15 | 0.02 | 101.12 |
В результате проведенных экспериментов установлено, что при повышении температуры обработки от 100 до 300оС удельная поверхность практически не меняется и составляет 142,95 м2/г. Однако при дальнейшем повышении температуры обработки наблюдается резкое снижение величин удельной поверхности. Так, при повышении температуры до 600 оС удельная поверхность уменьшается на 55%, а при температуре 900оС удельная поверхность достигает минимальной величины. Не исключено, что установленный факт связан с уменьшением объема пор частиц КГАП при нагревании (табл. 1). Это свидетельствует о том, что синтезированные порошки КГАП могут снижать резорбируемость, а, следовательно, и биоактивность материала по мере возрастания температуры обработки.
Биорезорбируемость исследуемых образцов оценивали по выходу кальция в раствор через заданные промежутки времени. Выход кальция рассчитывали, как отношение массы Са2+, выходящего в раствор, к массе кальция, содержащегося в исследуемом образце. Результаты определения резорбируемости КГАП, представлены на рис 1.
а)
б)
Рис. 1. Резорбируемость образцов КГАП в растворе SBF: а) в течение 3 часов экспозиции; б) в течение 2 недель.
Результаты исследования резорбируемости КГАП в растворе SBF показали, что повышение температуры обработки во всех случаях приводит к ухудшению резорбции экспериментальных образцов в период времени от 0 до 180 мин. Максимальная величина резорбции наблюдается у образца КГАП_100, у которого выход Са2+ составляет 1,34% через 5 мин. и 1,74% через 180 мин. после помещения навески в модельный раствор (рис. 1а). КГАП_300 имеет резорбируемость несколько ниже, чем КГАП_100, а резорбция образца КГАП_600 вполне закономерно значительно уступает КГАП_100. Наименьшая резорбируемость была отмечена у образца КГАП_900, у которого выход кальция составил 0,92% через 5 мин. и 1,22% через 180 мин. экспозиции.
По исследованию резорбируемости образцов КГАП в течение более длительного времени видно, что в первые две суток все образцы продолжают резорбироваться, при этом наблюдается резкое увеличение значения резорбции КГАП_900. На следующие сутки величины резорбции КГАП варьируются из-за метастабильного равновесия. После четырех суток резорбция КГАП сильно падала и достигала постоянных равновесных значений через 10 суток. Это может быть связано с разной скоростью растворения и рекристаллизации в различные промежутки времени экспозиции.
Полученные результаты резорбируемости были воспроизводимы и хорошо коррелировали со значениями удельной поверхности полученных образцов наноразмерного карбонатсодержащего гидроксиапатита.
Вывод
В ходе исследования выявлено влияние температуры обработки на биорезорбируемость полученных наноразмерных карбонатсодержащих гидроксиапатитов. Установлено, что повышение температуры обработки приводит к уменьшению величин удельной поверхности, следовательно и биорезорбируемости образцов КГАП.
Список использованных литератур
Mann, S., Biomineralization principles and concepts in bioinorganic materials chemistry. Oxford University Press: New York, USA, 2001; pp. 216. Lowenstam, H. A., and Weiner, S., On biomineralization. Oxford University Press: New York, USA, 1989; pp. 324. Vallet-Regi?, M., and Gonzalez-Calbet, J. M., Calcium phosphates as substitution of bone tissues. Prog. Solid State Chem. 2004, 32, 1-31. Weiner, S., and Addadi, L., Design strategies in mineralized biological materials. J. Mater. Chem. 1997, 7, 689-702. Weiner, S., and Wagner, H. D., The material bone: structure-mechanical function relations. Ann. Rev. Mater. Sci. 1998, 28, 271-298. , // Системы внешней фиксации и регуляторный механизмы оптимальной биомеханики. Томск. STT. 2001. С. 477. 21Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of HA-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants // J. Mater. Res. Soc. 1998. v. 13, № 1. p. 94– 103. , , . Карбонатгидроксиапатит как фактор структурно-функциональной организации минерализованных тканей в норме и при патологии. Перспективы применения в костнопластической хирургии // Журн. Стоматология. 2009. № 2. С. 76-79. , Биокерамика на основе фосфатов кальция. М: Наука 2005;204. Mathur K. K., Tatum S. A., Kellman R. M. Carbonated apatite and hydroxyapatite reconstruction. Arch Facial Plast Surg 2003, 5:5, 379—383. , , Синтез и колебательные спектры гидроксилапатита кальция // Журн. неорг. химии. 1992. Т. 37, № 7. С.1455-1457. , , Изучение условий образования гидроксилапатита в системе CaCl2 – (NH4)2HPO4 – NH4OH – H2O (25 oC) // Журн. неорг. химии. 1992. Т. 37, № 4. С. 881-883. , , Доан Ван Дат, Ле Ван Тхуан. Синтез и исследование наногидроксиапатита, модифицированного карбонат-анионами // Экология – образование, наука, промышленность и здоровье: сборник докладов IV Международной научно-практической конференции. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. Ч.1. С. 312-316. T. Kokubo, H. Kushitani, S. Sakka, T. Kitsugi and T. Yamamuro. Solutions able to reproduce in vivosurface-structure changes in bioactive glass-ceramic A-W. J. Biomed. Mater. Res., 1990, 24, 721-734.
