Исследование влияния условий кристаллизации на физико-химические свойства химически модифицированных фосфатов кальция тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Солоненко Аниа Петровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ

02.00.04 - физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Тюмень-2014

005549318

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор

Голованова Ольга Александровна

Официальные оппоненты: Федосеев Виктор Борисович

доктор химических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского», профессор кафедры физического материаловедения

Русейкина Анна Валерьевна

кандидат химических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный университет», доцент кафедры неорганической и физической химии

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт металлургии и материаловедения имени A.A. Байкова Российской академии наук (Лаборатория керамических композиционных материалов, № 20)

Защита состоится «01» июля 2014 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.274.11, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный университет», по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Перекопская, 15а, аудитория 410.

С диссертацией можно ознакомиться в информационно-библиотечном центре Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный университет» и на сайте http://d21227411.utmn.ru/defenses/year/2014.

Автореферат разослан «/У» 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.В. Нестерова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Фосфаты кальция (ФК) широко применяются в качестве компонентов материалов, предназначенных для восстановления дефектов костной ткани. Многолетний опыт их использования диктует необходимость корректировки механических и химических характеристик синтетических конструкций для обеспечения эффективной интеграции с организмом. В этой связи актуальны исследования, нацеленные на создание новых форм ФК, модифицирование их состава, изменение физико-химических свойств.

Известно, что характеристики веществ во многом определяются условиями их получения. Так, стехиометрию состава, морфологию, дисперсность, реакционную способность, растворимость, термическую стабильность ФК удается варьировать за счет изменения условий кристаллизации, введения в состав реакционных сред добавок. С этой позиции активно изучаются водные растворы, содержащие ионы Са2+, Н2Р047НР0427Р043~, Н70Н". При этом до настоящего момента не выполнялись систематические исследования термодинамики фазовых превращений в подобных системах, не проводился теоретический анализ возможных равновесий и процессов кристаллизации ФК в условиях варьирования в широком диапазоне рН среды и концентраций исходных реагентов. Данные термодинамического моделирования (наряду с результатами натурных экспериментов) необходимы для целостного понимания физико-химической сущности процессов, связанных с фазовыми и химическими превращениями соединений кальция в водных растворах, выявления закономерностей формирования материалов с заданным составом и свойствами.

Вместе с тем актуальны комплексные экспериментальные исследования, направленные на установление природы процессов кристаллизации в сложных кальциево-фосфатных системах. В качестве последних перспективно использование растворов Ca(N03)2-(NH4)2HP04-H20, Ca(N03)2-(NH4)2HP04-Na2Si03-H20 и Са(Ы0з)2-(КН4)2НР04-желатин-Н2О. Изучение закономерностей образования в данных средах малорастворимых ФК и изменения их свойств позволит обосновать эффективность использования силикат-ионов (активных участников процессов минерализации in vivo), желатина (ближайшего аналога костного белка коллагена) и брушита (СаНР04-2Н20, более растворимого ФК в сравнении с гидроксиапатитом (ГА)) для модифицирования физико-химических характеристик используемых на сегодняшний день гидроксиапатитовых биоматериалов.

Цель работы заключалась в установлении связи между физико-химическими свойствами фосфатов кальция и условиями их кристаллизации в кальциево-фосфатных водных растворах.

Задачи исследования:

1) Изучить термодинамику фазовых превращений соединений кальция в системах Ca(N03)2-(NH4)2HP04-H20 с различным рН и Са/Р-коэффициентом при 298 К.

2) Исследовать влияние условий кристаллизации (варьирование рН, Са/Р, концентрации исходных реагентов) на состав, структуру и свойства формирующейся твердой фазы.

3) Определить природу фазовых превращений, происходящих в веществах при воздействии высоких температур.

4) Установить кинетические закономерности растворения химически модифицированных фосфатов кальция в физиологическом растворе (0.9% N301) при 310 К.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

1) Впервые изучена термодинамика фазовых превращений в системах Са0Юз)2-О1Н4)2НРО4-Н2О с рН=0-14 и Са/Р= 1.00-2.00 при 298 К и определены условия кристаллизации в них СаНР04-2Н20, Са10(РО4)6(ОН)2 и их смесей.

2) Предложен новый способ получения смесей брушита и нестехиометрического карбонатгидроксиапатита (нКГА) Б-типа с Са/Р-~1.50 путем совместного осаждения в слабокислых разбавленных системах состава Са0Ю3)2-0МН4)2НРО4-Н2О.

3) Впервые установлено, что в водно-желатиновых системах кристаллизация протекает по пути образования аморфного фосфата кальция (АФК) и октакальция фосфата (ОКФ) в смеси с термодинамически более устойчивыми ФК. В результате, в вязких средах формируются композиты на основе нескольких ФК, количество органической составляющей в которых снижается по мере роста рН растворов.

4) Реализован новый подход, позволяющий получать нКГА, содержащий до 7 масс. % силикат-ионов и изоморфно включенные примеси С032~, НР042-, Н20, степень замещения которыми повышается при уменьшении рН реакционной системы.

5) Впервые показано, что снижение скорости растворения в 0.9% №С1 при 310 К происходит в ряду: смеси на основе брушита и нКГА > силикатзамещенный нКГА > композиты на основе ФК и желатина.

Практическая значимость. Полученные в диссертации данные по термодинамике фазовых превращений соединений кальция в системах Са(М0з)2-(МН4)2НР04-Н20 с различными рН, Са/Р-коэффициентом и концентрациями реагентов могут быть использованы при разработке и оптимизации технологий получения брушита, ГА и их смесей. Результаты исследования процесса кристаллизации, а также состава, структуры и физико-химических свойств химически модифицированных ФК могут быть применены при создании новых керамических материалов и цементных масс для травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты термодинамического анализа равновесий в системах Са(М0з)2-(ЫН4)2НР04-Н20 с различным рН и Са/Р-коэффициентом при 298 К.

2. Условия кристаллизации в водных растворах двухкомпонентных смесей на основе гидрофосфата кальция и нКГА с варьируемым содержанием компонентов.

3. Закономерности формирования в водно-желатиновых средах органоминеральных композитов и зависимости их физико-химических свойств от условий осаждения.

4. Данные физико-химического исследования влияния условий кристаллизации на состав, структуру и физико-химические свойства силикатзамещенных нКГА.

5. Закономерности начального этапа растворения порошков химически модифицированных ФК в физиологическом растворе (0.9% ЫаС1) при 310 К.

Достоверность и надежность полученных результатов обеспечена применением отработанных методик расчетов, экспериментов по кристаллизации и измерений, использованием комплекса взаимодополняющих Методов исследования, воспроизводимостью результатов повторных измерений, а также согласием с имеющимися литературными данными.

Апробация работы. Результаты работы представлены на следующих научных конференциях: Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2012, 2013); Международная конференция «Кинетика и механизм кристаллизации» (Иваново, 2010, 2012); Всероссийская молодежная конференция «Медицинские основы жизнедеятельности организма в норме, патологии и эксперименте» (Омск, 2012); Всероссийская научная школа «Превентивная медицина: вызовы XXI века» (Омск, 2011); IV Международный симпозиум «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах» (Санкт-Петербург, 2011); XVII Международное совещание «Кристаллохимия, рентгенография и спектроскопия минералов — 2011» (Санкт-Петербург, 2011); V Всероссийская конференция студентов и аспирантов с международным участием «Химия в современном мире» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийская молодежная научная конференция «Минералы: строение, свойства, методы исследования» (Миасс, 2011); Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2010).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 18 работ, в том числе 8 статей в журналах из перечня российских рецензируемых научных журналов и 10 тезисов докладов.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (№№ 14.740.11.0548-0723, 16.740.11.0602), ФГБОУ ВПО «ОмГУ им. Ф.М. Достоевского» (грант «Молодым ученым ОмГУ»), Министерства по делам молодежи, физической культуре и спорта Омской области (грант победителю Молодежного форума «РИТМ/2012»),

Личный вклад автора состоит в критическом обзоре имеющихся литературных данных по теме работы, на основании которого сформулированы задачи исследования и спланированы 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 выполнены обработка, анализ и обобщение полученных данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы (240 наименований). Общий объем диссертации составляет 171 страницу, включая 58 рисунков и 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи, обозначена научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена обзору литературы. В ней приведены общие сведения о составе, структуре, свойствах и способах получения некоторых ФК. Особое внимание уделено проблеме изоморфных замещений и влиянию примесей на морфологию, реакционную способностью, физико- и биохимические свойства соединений. Описаны элементный и фазовый состав, структура и свойства костной ткани. С позиции возможности замещения поврежденных ее участков рассмотрены различные типы биоматериалов на основе ФК, в том числе стеклокерамики и синтетические органоминеральные композиты. Приведены сведения об их механических свойствах и биологическом поведении. В отдельную часть литературного обзора включено описание методов оценки биоактивности, биосовместимости и остеозамещающих свойств синтетических материалов, названы подходы к исследованию кинетики деградации и отражены существующие представления о механизме растворения.

Во второй главе изложены основные методики исследований.

Эксперименты по кристаллизации ФК различной стехиометрии проводили в водных растворах при комнатной температуре (1=295^-298 К). В качестве исходных реагентов использовали Са(Ы0з)2'4Н20 (х.ч.), (ЫН4)2НР04 (ч.д.а.), Ка28Ю3-5Н20 (ч.), желатин (марка П-11), ЫН4ОН (ч.д.а.), НЫ03 (ч.д.а.), ЫаОН (ч.д.а.), дистиллированную воду. В ходе экспериментов варьировали состав среды и условия кристаллизации согласно таблице 1. Каждый опыт проводили в трехкратной повторности.

Для приготовления систем с Са/Р=1.70 к раствору Са(М03)2 добавляли 5 мл ЫН4ОН (конц.), после чего к полученной смеси со скоростью 4.5-^5.0 мл/мин при постоянном перемешивании приливали раствор (МН^НРОд. Обратный порядок смешения реагентов и высокую скорость их сливания соблюдали при получении осадкообразующих сред с Са/Р=1.00. Водно-желатиновые растворы готовили аналогичными способами, смешивая фосфатный раствор с кальциевым, содержащим биополимер. Добавку кремния в третьей серии экспериментов вводили к (КГЩЬНРО^ Корректировку кислотности среды осуществляли при помощи НЖ)3 (1:1) или МаОН (20%) после полного прибавления компонентов системы. По истечении 48 часов полученные осадки отфильтровывали под вакуумом, сушили при 353 К, взвешивали, подвергали помолу в фарфоровой ступке и исследовали с применением группы физико-химических методов.

Условия кристаллизации ФК

№ п/п Состав системы Условия экспериментов

1 Ca(N03)2-(NH4)2HP04 -Н2О (а) Ca/P=1.00, cca(N03)2 = 0.010, 0.025, 0.050, 0.20 M, pH=5.50 (±0.05); (б) Ca/P=1.70, C(N„4bHp04 = 0.02 M, pH=6.00, 9.00,12.00 (±0.05).

2 Ca(N03)2-(NH,)2HP04 -желатин-Н20 Сжел=0.5-2.0 г/л, (а) Ca/P=1.00, Сисх= 0.20 M, pH=5.50 (±0.05); (б) Ca/P=1.70, C(NH4)2Hpo4 = 0.02 M, pH=6.00,9.00, 12.00 (±0.05).

3 Ca(N03)2-(NH4)2HP04-Na2Si03-H20 Ca/P=1.70, CCa(NO3h = 0.034M, ^Na2Si03 ~~ CNl:¡s¡0í /(C(NH4)2Hpo4 +CNa2si0j) - 0.5—30 %, pH=9.00, 12.00 (±0.05)

Рентгенофазовый анализ (РФА) твердых фаз проводили на дифрактометре «D8 Advance» (Bruker) с расшифровкой дифрактограмм в программном комплексе «EVA» (Bruker). Количественный фазовый анализ смесей ФК и расчет размеров кристаллитов (областей когерентного рассеяния — ОКР, L) выполняли в программе «TOPAS 3.0» (Bruker). ИК-спектры поглощения осадков регистрировали на ИК-Фурье-спектрометре «ФТ-801» (СИМЕКС), пробы готовили прессованием в таблетки с КВг. Количественное определение содержания Са, Р и Si в образцах проводили методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) на спектрометре «710-ES» (Varían). Удельную поверхность порошков измеряли по методу БЭТ на приборе «Сорбтометр». Анализ дисперсионного состава осадков выполняли методом лазерной дифракции на лазерном дифракционном анализаторе размеров частиц «SALD-2101» (Shimadzu). Морфологию частиц исследовали с применением оптической микроскопии (микросокоп «МБР-1»), Закономерности процессов термопревращения веществ, слагающих образцы, изучали методами термогравиметрии («STA-449C Jupiter», Netzsch) и гравиметрии (муфельная печь «LF-7/13-G2», LOIP; масса навески 0.3000±0.0002 г). Процесс растворения ФК изучали при потенциометрическом контроле рСа и рН в 0.9% NaCl. Измерения выполняли в термостатируемой ячейке при 310 К в течение 2 часов в условиях постоянного перемешивания и неизменного объема жидкой фазы. Морфологический и функционально-групповой состав осадков после растворения определяли методами оптической микроскопии и ИК-Фурье-спектроскопии.

В третьей главе обсуждаются результаты теоретического и экспериментального исследования процессов кристаллизации в средах Ca(N03)2-(NH4)2HP04-H20, наиболее часто используемых для синтеза ФК.

Первый раздел посвящен термодинамическому анализу равновесий в кальциево-фосфатных системах различного количественного состава и

кислотности. Для получения информации о закономерностях протекания процессов кристаллизации Са(Н2Р04)2Н20, СаНР04-2Н20, Ca8H2(P04)6-5H20, Саю(Р04)б(0Н)2 и Са(ОН)2 по формулам (1)-(4) рассчитывали величины условных произведений растворимости (ПР5'), индексов пересыщения (SI), изменения свободной энергии Гиббса (AG) и констант равновесия реакций осаждения (Косажд). При вычислениях соотношение концентраций исходных компонентов (ССа(ко3ь ^(nh4j2hpo4 , Са/Р) варьировали в пределах 1.00-^-2.00, концентрации Ca(N03)2 и (NH4)2HP04 задавали равными от 0.010 до 0.20 моль/л, в изучаемый диапазон pH включали значения от 0 до 14. В расчетах использовали значения констант ионизации и произведений растворимости соединений при температуре 298 К.

ПР.' = (СМ„ • W -(Сх„- • ах._ ■Ух„-Г, (1)

где См»*; Сх„_ _ общая концентрация иона в системе, моль/л; ам«+, ах»— мольная доля иона в системе; YM«+, Yx- — коэффициент активности иона в системе, рассчитанный по уравнению Девиса; шип — стехиометрические коэффициенты при ионе в формуле вещества.

1

£2 =

^ ПР \т+п

ИР*1 -SI = lg(£2), (2)

ПР5

где Л — пересыщение, возникающее в системе для данной соли, ПР5° — термодинамическое произведение растворимости малорастворимого соединения.

пт Пр'

АО=-ЯТ1пО = —— 1п—Ь (3)

ш + п ПР° 4 '

где Я — универсальная газовая постоянная, Т — температура в градусах Кельвина.

Ав

Кссажд. =ехр|-—|. (4)

В первой серии вычислительных экспериментов в интервале от 0.010 до 0.20 моль/л варьировали концентрации (С) исходных реагентов в системе Ca(N03)2-(NH4)2HP04-H20, при этом соблюдали равенство Са/Р=1.00.

По результатам расчетов установлено, что в растворах заданного качественного и количественного ионного состава при 298 К термодинамически возможна кристаллизация Саю(Р04)б(0Н)2, СаНР04-2Н20, Са8Н2(Р04)6-5Н20 и Са(ОН)2 (для них ПР5' > ПРД SI > 0, AG < 0, Косажд' > 0). Условия образования твердых фаз определяются величинами исходных концентраций ионов. Так, при С < 0.050 моль/л брушит и ОКФ менее устойчивы по сравнению с ГА (рис. 1а). Кристаллизация ГА термодинамически возможна во всем изучаемом диапазоне кислотности среды, начиная с рН = 5.0. Повышение содержания осадкообразующих ионов в растворе вызывает увеличение значения рН начала осаждения ГА и расширение области устойчивости брушита. При этом возникают условия, в которых система пересыщена только относительно гидрофосфата кальция и

термодинамически возможно его монофазное осаждение (рис. 16, область 16). Кристаллизация в исследуемых системах брушита, как единственной или основной фазы, может протекать в узком интервале рН (= 4.7^6.0), причем данный диапазон тем шире, чем выше концентрации исходных реагентов в растворах.

Пересыщение по Са8Н2(Р04)б-5Н20 в слабокислой и нейтральной средах (вплоть до рН=6.(Н8.0, в зависимости от концентрации осадкообразующих ионов в растворах) оказывается более низким по сравнению с таковыми для СаНР04-2Н20 и Саш(Р04)б(0Н)2, что указывает на неустойчивое состояние соли и малую вероятность ее кристаллизации в том числе в смеси с ФК другого стехиометрического состава.

Значение рН начала осаждения Са(ОН)2 лежит в сильнощелочной области (рН >12). При этом величины АО, 51 и КоСажд гидроксида кальция значительно меньше таковых для СаНР04 2Н20, Са10(РО4)6(ОН)2 и Са8Н2(Р04)6-5Н20, в связи с чем его образование в изучаемых условиях маловероятно.

Рисунок 1. Зависимости от pH изменения свободной энергии Гиббса для процесса кристаллизации малорастворимых ФК в системах, где концентрации ионов кальция и фосфатов равны: а - 0.010, 6 — 0.20 моль/л.

* Области термодинамтеской устойчивости 1а - ГА, 16 - брушита, IIa - брушита и ГА (преимущественно кристаллизуется ГА), Пб — брушита и ГА (преимущественно кристаллизуется брушит), III — ГА, брушита и ОКФ (преимущественно кристаллизуется ГА).

Во второй серии вычислительных экспериментов в интервале от 1.33 до 2.00 варьировали величину Са/Р в системе Ca(N03)2-(NH4)2HP04-H20. Концентрацию гидрофосфата аммония фиксировали на уровне 0.020 моль/л.

Расчет показал, что в изучаемых условиях возможно образование Са10(РО4)6(ОН)2, СаНР04-2Н20, Са8Н2(Р04)6-5Н20 и Са(ОН)2 (для них ПР5' > ПР8°, SI > 0, AG < 0, Косажд > 0). Термодинамическая устойчивость веществ и природа процессов кристаллизации инвариантны по отношению к величине Са/Р в заданном интервале значений и определяются кислотностью среды. Сравнение AG, SI, Косажд, рассчитанных для ФК различного стехиометрического состава, показало, что, начиная с рН=4.9, возможна кристаллизация ГА. Во всем интервале кислотности среды ОКФ и брушит - менее устойчивые фазы по отношению к Са10(РО4)6(ОН)2. Однако в слабокислой и нейтральной средах

CoJPO,)6<OH)2 Ca¡H2(PO}k-2Hfl СаНР0,-2И,0 ■ Са(ОН)2

дс (р№=5-7) значения AG, SI и Косажд

.□-D-o-D-a солей относительно близки (рис. 2), в связи с чем в данных условиях возможна их совместная кристаллизация. При этом ввиду больших абсолютных значений AG и SI преобладающим компонентом в данных смесях должен быть основный ФК.

В целом по итогам теоретического анализа равновесий установлено, что в системах Ca(N03)2-(NH4)2HP04-H20 при варьировании значений

соотношения Са/Р, концентраций реагентов и pH термодинамически вероятна кристаллизация:

1) Ca/P = 1.00, С < 0.050 М, pH = 4.8 - 6.0

2) Са/Р = 1.33 - 2.00, pH = 5.0 - 7.0

Са/Р= 1.00, С >0.050 М,рН = 4.7-6.0 (6)

Са/Р = 1.00-2.00, С <0.050 М,рН> 7.5 (7)

Для верификации расчетных данных выполнено экспериментальное исследование процессов осаждения в названных условиях. Результаты физико-химического анализа продуктов кристаллизации в кальциево-фосфатных средах приведет.! во втором разделе третьей главы.

Экспериментальное исследование состава, дисперсности и морфологии продуктов кристаллизации. В условиях, при которых по данным термодинамических расчетов Саю(Р04)6(0Н)2 и СаНР04-2Н20 обладают близкими значениями AG, SI и Косажд , кристаллизация, согласно результатам РФА и ИК-Фурье-спектроскопии, протекает по пути образования смесей, содержащих до 90 масс. % брушита и нКГА Б-типа (таблица 2).

Таблица 2

Условия кристаллизации и характеристики твердых фаз

Рисунок 2. Зависимости от рН среды изменения свободной энергии Гиббса для процесса кристаллизации малорастворимых соединений кальция (Са/Р=1.70).

смесей брушита и ГА

брушита

ГА

(5)

№ Условия wEpv,%* Ca/P Sw., м2/г Dmodab MKM

I Ca(N03)2-(NH4)2HP04- pH = 12.00 0 1.67 ±0.01 130 ± 7 - 140

II H20, Ca/P=1.70 pH = 6.00 ~ 17 1.34 ±0.13 69 ±4 -70

III С = 0.010 M -28 1.27 ±0.09 66 ±2 - 170

IV Ca(N03)2-(NH4)2HP04- С = 0.025 M ~61 1.16 ± 0.05 29 ±2 - 110

V H20, Ca/P=1.00 С = 0.050 M -90 1.07 ±0.03 14 ± 1 -60

VI С = 0.20 M 100 1.00 ±0.02 4 ± 1 -50

* Рассчитано по данным РФА в программе «TOPAS 3.0» (Bruker).

Исследования изменения морфологии частиц твердых фаз в процессе созревания под маточным раствором показали, что в условиях, соответствующих образованию смесей, на начальных этапах кристаллизации формируются пластинчатые кристаллы брушита (рис. 3, фото П-У-1). С течением времени происходит его частичная трансформация в ГА (рис. 3, фото П-У-2,3). Это указывает на выполнение брушитом роли фазы-предшественника в процессе кристаллизации основного ФК из водных растворов. В составе сухих осадков фиксируются частицы двух типов: агрегаты ГА, построенные, согласно данным РФ А, из нанокристаллитов (ОКР ~ 13 нм) (рис. 3, фото 1-3), и пластины брушита (средний диаметр, 01Г11<1 ~ 50 мкм) (рис. 3, фото У1-3). Различия морфологии частиц твердых фаз обуславливают зафиксированную тенденцию изменения площади удельной поверхности двухфазных образцов (таблица 2).

ИИ 111-2 111-3 VI-1 VI-2 VI-3

Рисунок 3. Микрофотографии частиц 1 - кристаллизовавшихся после корректировки pH, 2 - после 48 часов созревания, 3 - в составе сухого образца (120-ти кратное увеличение).

* Римскими цифрами обозначены условия осаждения согласно таблице 2.

Фазовые превращения в продуктах кристаллизации при высоких температурах. При воздействии высоких температур (до 1373 К) кристаллические фазы претерпевают ряд последовательных превращений, схемы которых составлены на основании данных исследования образцов методами ТГА и ИК-Фурье-спектроскопии и представлены в таблице 3.

Установлено, что смеси характеризуются невысокой термической устойчивостью. При этом, согласно данным ИК-Фурье-спектроскопии, деструкция нКГА из состава смесей протекает с образованием фазы только Р-Саз(Р04)2. Следовательно, в слабокислых средах совместно с брушитом кристаллизуется нКГА, Са/Р которого имеет значение близкое к 1.50.

Процессы, происходящие при прокаливании образцов

ДТ,К Процесс, вызывающий убыль массы

I 298- 353 Удаление химически не связанной воды [нКГА-^Ш3-Н20]'Н20(тв) 2^10с°с > нКГАТ^ЩЧОз• Н20(тв) + + Н20 «,) + <} [СаНР04-2Н20]Н20(тв1 <80°с > СаНР04-2Н20 (тв) + Н20,г1 + 0

II 353- 503 Удаление слабосвязанной (адсорбированной) воды из состава твердой фазы и кристаллизационной воды из структуры брушита, формирование монетита нКГА №£,Ж>3 Н20(тв) ,0°-200°с > нКГА-МЩЧОз (тв) + Н20(г) + <3 СаНР04-2Н20 („■) >8°°с > СаНР04(гв) + 2Н20(Г, + (}

III 503- 633 Разложение нитрата аммония, включенного в состав образца ИН.КОз (т) 20°-260°с > N,0 (г) + Н20 (г) - С> N^N03 (ТВ ) >260°с > Ы2 м + 02 м + Н20 (г1 - 0

IV 633- 773 Плавление монетита с образованием пирофосфата кальция 2 СаНРО, (твЛ >360°с ) Са2Р207 (тв ) + Н20 (г) - 0

V >773 Удаление карбонат-ионов и разложение нКГА

Са9(Р04)г>х.у(НР04)у(С03)х(0Н)2.у Гтв) >500°с > Зр-Са3(Р04)2(та) + + хС02М+ 2 Н20 Гг)-0

Закономерности растворения смесей в 0.9% ЛаС/. В ходе экспериментов по растворению установлено, что при взаимодействии с изотоническим раствором происходит постепенный выход в жидкую фазу ионов из состава ФК. Это фиксируется по нарастанию содержания Са2+ в системе и изменению рН (рис. 4).

5.50 i---■---.-.-.--------i-■-----■-■-■

0 15 30 45 60 75 90 105 120 O 15 30 45 60 75 90 105 120

1 - ГА 100 % (Ca/P = 1.67) 3 - Смесь ГА + брушит (17%) 6 - Смесь ГА + брушит (90 %) 2-ГА 100% (Ca/P = 1.51) 4 - Смесь ГА + брушит (28 %) 7 - Брушит 100 К 5 - Смесь ГА + брушит (61%)

Рисунок 4. Зависимости pH (а) и концентрации ионов Са2+ в системе (б) от времени растворения смесей брушита и нКГА и чистых фаз в 0.9% NaCl.

Характеристики процесса растворения смесей и чистых фаз

wEpy, % 0/1.67* 0/1.51* i 17 28 61 90 100

мл{оль/л 0.13 0.24 ; 0.51 0.59 0.65 0.77 1.03

CPOt»W ммоль/л 0.090 0.34 i 1.70 1.84 1.96 2.26 2.34

Ca/P 1.44 0.71 0.30 0.33 0.33 0.34 0.44

pHmax 7.95 6.64 6.64 6.59 6.73 7.11 7.48

т/ мкмолъ ■ г 'УД-> 2 л ■ мин ■ м 0.91 2.3 4.7 6.6 17 37 99

* Величина Са/Р в образце ГА до растворения.

сса2*(тн)>Срол3+(кон) — концентрация ионов в растворе по окончании эксперимента (т= 120 мин); Са/Р - соотношение концентраций ионов в растворе по окончании эксперимента; рНшт - максимальное значение pH, достигаемое за время измерений; Кд. - скорость растворения образца, рассчитанная по кальцию и нормированная на величину его удельной поверхности, для т = 0.5 мин.

Из данных таблицы 4 видно, что по мере возрастания содержания СаНР04-2Н20 в составе образцов происходит закономерное увеличение максимального достигаемого значения концентрации ионов кальция, фосфат-ионов и pH среды, что может указывать на повышение растворимости материалов. Удельная скорость растворения смесей возрастает по мере увеличения доли брушита в них.

В условиях эксперимента зафиксировано вторичное осаждение Cai0(PO4)6(OH)2: в течение измерений визуально фиксируется опалесценция реакционной среды, на ИК-спектрах не растворившейся части образцов (рис. 5) усиливаются полосы ГА, что указывает на рост доли основного ФК в составе твердой фазы. Данный процесс вызывает снижение pH систем, наблюдаемое на кривых pH=f(T) при т>8 мин (рис. 4), и приводит к монотонному уменьшению скорости растворения во времени.

В четвертой главе приведены результаты сравнительного исследования процессов кристаллизации в водных и водно-желатиновых средах. Для изучения готовили системы: 1) Са/Р=1.00, рН=5.50 (±0.05) и 2) Са/Р=1.70, рН=6.00, 9.00, 12.00 (±0.05). Концентрацию желатина в растворах варьировали в диапазоне 0^2 г/л.

Экспериментальное исследование состава, дисперсности и морфологии продуктов кристаллизации. Установлено, что в процессе кристаллизации в водно-желатиновых системах в изучаемом диапазоне концентраций белка

Частота, см-'

1300 1100 900 700 500

Рисунок 5. ИК-спекгры смеси (W6py= 90%, Са/Р=1.07): 1 - до и 2 — после растворения в 0.9% NaCl.

(0.5-К2.0 г/л) природа формирующейся фазы определяется значением pH среды. Влияние на фазовый состав образцов количества органической добавки достоверно не установлено. Анализ фазового состава продуктов кристаллизации показал, что в водно-желатиновых растворах совместно с брушитом и нКГА осаждаются ОКФ и аморфный фосфат кальция (АФК, CaxHv(P04)znH20)* (таблица 5). Их присутствие в составе осадков вызвано, по-видимому, диффузионными затруднениями в вязких средах, за счет которых замедляются процессы перекристаллизации первоначально сформировавшихся метастабильных частиц.

Таблица 5

Состав минеральной части продуктов кристаллизации

0.5^2.0

Фазовый состав

5.50 Г~ Брушит Брушит + АФК 6.00 нКГА + брушит нКГА + ОКФ +АФК+ брушит 9.00 нКГА нКГА + АФК 12.00 _КГА__пКТА + АФК_

Согласно данным ИК-Фурье-спектроскопии, в водных и водно-желатиновых растворах с рН=9.00 формируется нКГА преимущественно А-типа (на ИК-спектрах присутствует плечо при 525 см" , SHO_POi и моды карбонат-ионов при 1540, 1450 см"' (v3) и 880 см"1 (v2)). В более щелочных средах (рН=12.00) кристаллизуется КГА Б-типа (на ИК-спектрах содержатся максимумы при 1460, 1422 см"1 (v3) и 875 см"1 (v2)). Смена механизма встраивания анионов может быть связана с повышением доли полностью депротонированной формы карбонат-ионов в щелочных средах.

Присутствие на ИК-спектрах твердых фаз, кристаллизовавшихся в водно-белковых растворах, полос колебаний функциональных группировок желатина (3300-3100 см"1 (v.v_;/), 2940 и 2880 см"1 (vc_„), 1650 см"1 (Sy -я > vc=o > v0_H)) свидетельствует о его включении в состав образцов, что связывается с участием органической компоненты в процессе фазообразования. При формировании ФК в среде, содержащей белок, зарождение новой фазы инициируется активными центрами (группировками -СООН, -NH2), входящими в состав органических молекул. Одновременное присутствие в системе большого числа центров кристаллизации, а также диффузионные затруднения массопереноса в вязких средах, вероятно, обуславливают преимущественное протекание стадии зарождения без существенного последующего роста образовавшихся частиц. Как следствие, кристаллиты нКГА в составе композитов имеют меньшие размеры в сравнении с таковыми для монофазного образца ГА (L=7 и 13 нм, соответственно).

* Формирование АФК наряду с нКГА, брушитом и ОКФ отмечается по плечу в районе 1225 см"1 на ИК-спектрах композитов.

Морфологических различий между образцами, кристаллизовавшимися в водных и водно-желатиновых растворах, не обнаружено. Желатин не оказывает влияния на форму и текстуру осаждающихся частиц ФК.

Фазовые превращения в продуктах кристаллизации при высоких температурах, согласно данным ТГА, гравиметрии и ИК-Фурье-спектроскопии, протекают в четыре этапа (рис. 6):

1) удаление воды и разложение легколетучих примесей, t = 298 - 553 К;

2) пиролиз желатина, t = 553 ^ 673 К;

3) формирование фазы пирофосфата кальция, t = 673 ^ 873 К\

4) выход карбонат-ионов из структуры ГА и его разложение, t> 873 К.

При этом в зависимости от условий кристаллизации, разложение нКГА из

состава образцов протекает по двум маршрутам. Так, образование ß-ТКФ в процессе термообработки органоминеральных агрегатов, полученных при pH = 6.00 и 9.00, указывает на то, что при кристаллизации в данных условиях формируется основный ФК, для которого Са/Р близко к 1.50. Кристаллизация смеси ГА и ß-ТКФ в результате прокаливания композитов, осажденных при рН= 12.00, указывает на то, что в щелочных водно-желатиновых растворах образуется нКГА, для которого значение Са/Р лежит в интервале 1.50^-1.67.

8 - Брушит - желатин (рН = 5.501

Рисунок 6. ТГ (а) и ДТА кривые (б) образцов, осажденных в водных и водно-желатиновых растворах (Сжед=1 г/л).

Количество органической компоненты, включающейся в состав осадков в процессе кристаллизации, оценено с применением метода ТГА по величинам массовых потерь на этапе пиролиза желатина. Установлено, что количество желатина в образцах не зависит от исходного количества белка в системе (в изучаемом диапазоне), но увеличивается при подкислении реакционной

ш, я

а • pH = 5.50

б » рН = 6.00

9 » pH = 9.00

г 1 рН = 12.00

среды (рис. 7). Вероятной причиной этого является способность желатина частично растворяться в щелочных средах, в результате чего меньшее его количество осаждается совместно с ФК.

Закономерности растворения композитов в 0.9% МаО. Растворение композиционных материалов в физиологическом растворе, согласно результатам экспериментов, в изучаемый период времени протекает инконгруэнтно (таблица 6). По результатам экспериментов для образцов, кристаллизовавшихся при одном значении рН и С,,„=0.5-2.0 г/л, не выявлено достоверных отличий в фиксируемых значениях

9 8 7 6 5 4 3 2 1

О ........=

Образцы сравнения

Рисунок 7. Потери образцов при 1 = 553 - 673 К.

Композиты

массы

^жел

Г С

PO.

(„.„„,, -РОГ(«о»), Са/р, рНтах, рНкон, К,,,., что обусловлено близостью

качественного и количественного составов образцов, формировавшихся в условиях одинаковой кислотности среды. Конечные концентрации осадкообразующих ионов (Са2+ и Р043~) в растворах достоверно превышают данные значения для чистых ФК (таблицы 4, 6), что может свидетельствовать о большей растворимости органоминеральных композитов. Величина скорости их деградации в среднем в 2 раза превышает данную характеристику стехиометрического ГА и нарастает при переходе к материалам, содержащим ОКФ и брушит. Вероятно, это обусловлено большей растворимостью АФК, ОКФ, нКГА и желатина по сравнению со стехиометрическим основным ФК.

Таблица 6

^^ pH 5.50 6.00 9.00 12.00

Параметр С =05 ^жел -2.0 г/л

Са/Р (в образце) 1.08 ±0.02 1.38 ±0.05 ; 1.64 ±0.04 1.81 ±0.03

С„ 2+, ,, ммолъ/л Ca (кон) 1.48 ±0.21 0.75 ± 0.05 ! 0.35 ±0.01 0.16 ±0.02

С„л!., ,, ммолъ/л Р()А (кон) 4.15 ±0.37 1.54 ±0.12 ; 0.43 ±0.01 0.15 ±0.02

Са/Р (в растворе) 0.36 ±0.06 0.49 ±0.03 ; 0.81 ±0.03 1.07 ±0.03

РНтах 7.20 ± 0.03 6.83 ± 0.04 ; 6.76 ±0.10 9.04 ± 0.05

рНко„ 5.97 ±0.03 6.36 ± 0.06 : 6.65 ± 0.04 8.84 ± 0.04

мкмолъ ■ г *удч 2 л ■ мин ■ м 76 ±4 17.9 ±0.2 4.2 ±0.8 1.6 ±0.2

' Параметры процесса растворения фаз ФК приведены в таблице 4.

При деградации композитов, кристаллизовавшихся из водно-желатиновых растворов с рН = 9.00, 6.00 и 5.50, в течение эксперимента отмечено вторичное осаждение ГА. Причем интенсивность опалесценции реакционной среды и изменение состава осадков, фиксируемое методом ИК-Фурье-спектроскопии, тем сильнее, чем выше содержание желатина и кислых ФК в составе образцов. Следовательно, возможность варьирования исходного состава органоминераль-

ных композитов за счет подбора рН и условий кристаллизации позволяет получать материалы с контролируемым уровнем скорости растворения и активности в отношении инициирования повторного осаждения.

В пятой главе содержатся результаты исследования влияния силикат-ионов на процессы фазообразования в кальциево-фосфатных системах, а также на состав, дисперсность, морфологию, термическую стабильность и растворимость формирующихся твердых фаз.

Экспериментальное исследование состава, дисперсности и морфологии продуктов кристаллизации. Кристаллизация в щелочных кальциево-фосфатных растворах, содержащих 0.5-К30 % силикат-ионов, протекает по пути образования ГА, кристаллиты которого имеют нанометровые размеры и вытянуты вдоль кристаллографической оси с (таблица 7). Причем по мере увеличения количества Na2Si03 в растворах асимметрия частиц нарастает.

Данные ИК-Фурье-спектроскопии свидетельствуют о наличии связи между изменениями морфологии, п.э.я. образцов и включением в структуру ГА изоморфных примесей. На ИК-спектрах порошков наряду с модами колебаний связей в составе Р043~ и ОН" проявляются полосы поглощения группировок НР042" (525 и -1225 см"1) и С032" (рН = 9.00: 877, 1420, 1460 и 1550 см"1; рН = 12.00: 872, 1430 и 1460 см"1). Это свидетельствует о формировании в изучаемых условиях нКГА. Вывод о включении в состав осадков SiO/" можно сделать по слабым пикам при 504 см"1 и 800 см"1. Небольшой рост их интенсивности наблюдается при увеличении содержания кремния в исходных реакционных средах. Происходящее одновременно с этим угасание мод колебаний ОН" ионов ГА (630 и 3570 см"1) указывает на преимущественное замещение фосфатов силикатами, в котором задействованы гидроксильные группировки. В таблице 8 приведены схемы названных типов замещений и условия их реализации. Направления изменения п.э.я. ГА коррелируют с зафиксированными тенденциями варьирования величин аис (таблица 7).

Таблица 7

Характеристики твердых фаз по данным РФА

рН xSl0i, % Фаза La, нм Lc, нм F a, Â с, А : v,â3

0 6.4 20.0 3.1 9.442±0.003 6.868±0.003 530.3

0.5 о 6.1 23.8 3.9 9.437±0.003 6.870±0.003 529.9

о cri 2.5 о 5.9 21.6 3.7 9.428±0.003 6.874±0.003 : 528.9

15 < U 5.1 20.9 4.1 9.422±0.004 6.877±0.004 528.7

30 4.5 20.2 4.5 9.415±0.004 6.883±0.004 528.4

CaI0(PO4)6(OH)2(PDF 9-432) 9.418 6.884 528.8

0 о 11.2 23.0 2.1 9.406±0.003 6.884±0.002 527.5

о 0.5 8.3 21.9 2.6 9.402±0.004 6.877±0.004 526.2

<ч 2.5 о 7.2 19.3 2.7 9.397±0.004 6.882±0.003 526.3

15 < u 5.7 18.0 3.2 9.411±0.003 6.890±0.003 528.5

30 5.1 16.7 3.3 9.419±0.006 6.894±0.005 529.7

Обозначения: La и Lc - размеры кристаллитов в направлениях кристаллографических осей а и с; F— форм-фактор, рассчитанный как отношение АД0; v - объем элементарной ячейки.

Таблица 8

Механизмы замещений, реализующихся в условиях кристаллизации_

Схема замещения

Изменения п.э.я.*

Условия реализации

Vi Ca2" + Р043" <= 'Л DCa + НРО42" /2 Са2+ + OIF <= DCa + (Пон, Н20)

2 он < - - cor

'А Ca2' + P043"<f= Vz О Ca + CO32" P043" + ОН~ Sid,4" + Рои

,2+

2-

\a, I с

I a, |c

9.00, 12.00 (Xsto-f> 2.5 %) 9.00, 12.00 (XSi04> 2.5 %) 9.00 12.00 9.00, 12.00

Обозначения: (Doh, H:0) - вакансии в позициях ОН-ионов, занятые молекулами воды.

* В сравнен™ с п.э.я. стехиометрического ГА (PDF № 9-432).

Включение изоморфных примесей приводит к снижению массовых долей кальция и фосфора в твердых фазах по мере повышения исходной концентрации Na2Si03 в реакционной среде. При этом количество Si (Si04 ) в осадках каждой рН-серии возрастает. Снижение доли кальция в образцах при реализации фосфат-силикатного замещения свидетельствует о существовании косвенной связи между количеством Са2+ и Si/Si044- в составе осадков. Согласно принятым представлениям (таблица 8) катион металла не задействован при ионной замене. Однако на основании результатов исследования можно предположить, что внедрение группировок Si04, несущих больший заряд и более крупных по сравнению с тетраэдрами Р04, за счет повышения дефектности структуры ГА способствует включению других примесных частиц в позиции фосфат- и гидроксил-ионов, что влечет за собой возникновение/усиление дефицита по кальцию. Причем данная связь реализуется в широком интервале кислотности среды (из области устойчивости ГА) и величиной pH определяется интенсивность сопряженных процессов, но не их возможность.

Фазовые превращения, протекающие при прокаливании силикатзамещенных нКГА, согласно данным ТГА и ИК-Фурье-спектроскопии, включают удаление адсорбционной воды {t, = 298 - 473 К) и карбонатов {t2 > 775 К). При этом потери в пределах 3.67 7.34 масс.% происходят на этапе выхода С03-групп из состава материалов. Результаты анализа состава прокаленных твердых фаз методами ИК-Фурье-спектроскопии и РФА показали, что маршрут термопреобразования зависит от величин молярных соотношений Са/Р, Ca/(P+Si), а также содержания силикат-ионов следующим образом:

Са/Р

Ca/(P+Si) WSl0<, масс. %

< 1.67

1.35-1.51

0.026-5.58

CamiPO^x^HPO.MSiO^OHbiCOa); — ß-Ca3(P04)2 + Ca10(PO4)6_x(SiO4)x(OH)2.:

■X

Са/Р

Ca/(P+Si) WSl0 , масс. %

1.67-И .80 1.67

0.17-3.43

Ca10.n/2(PO4)6.x.y.n(HPO4)x(SiO4)y(CO3)„(OH)2 '=1373А" > Ca10(PO4)6.x(SiO4)x(OH)2.x

(=1373А-

Са/(Р+81) < 1.67 Са10.а/2(РО4)б-х-у-п (НР04)Х(8Ю4)У(С03)П(0Н)2

\^,масс.% >3^43 Са5(Р04)2БЮ4

Наибольшей термической стабильностью характеризуются силикатзамещенные нКГА, кристаллизовавшиеся при рН = 12.00 и Х^ =0.5-10%.

Исследование закономерностей растворения силикатзамещенных нКГА в 0.9% ИаС1 показало, что в течение изучаемого периода данный процесс протекает инконгруэнтно (таблица 9). По мере увеличения содержания кремния в образцах из обоих рН-групп относительно количества ионов кальция и фосфатов, растет число молей 5Ю44~, выделяющихся в раствор. Это указывает на активное участие силикат-ионов в процессе резорбции. На этом основании с учетом кислотно-основных свойств анионов предположена следующая последовательность перехода в раствор ионов из структуры кремнийсодержащего нКГА: 1) ОН-, 2) Са2+, 3) БЮЛ 4) Р0437НР042~, 5) СО/". При этом интенсивность выхода карбонатов определяется их положением в структуре основного ФК: группировки С032~ быстрее покидают положения ОН-ионов, чем Р04-тетраэдров. Об этом свидетельствует практически полное исчезновение полос карбонатов со спектров не растворившейся части кремнийсодержащих нКГА А-типа, и слабое снижение их интенсивности в образцах нКГА Б-типа.

Таблица 9

Характеристики процесса растворения силикатзамещенных нКГА

pH Wsi04, % Са/Р в Концентрация в растворе по окончании измерений, мМ Са/Р в Ca2*:PO/-:SiO/~ мкмоль ■ г

образце растворе

Со2* ро/- SiO/~ л ■ мин ■ м

6 0 1.34 0.59 1.94 0 0.30 1 : 3 4.7

0 1.51 0.24 0.34 0 0.71 5:7 2.3

0.026 1.49 0.72 0.67 0.064 1.07 11:11:1 8.3

9 0.14 1.48 0.69 0.57 0.069 1.21 10 : 8 : 1 6.1

3.38 1.50 0.64 0.41 0.31 1.56 2:1:1 8.2

5.58 1.51 0.84 0.38 0.42 2.21 2:1:1 10.5

0 1.67 0.13 0.090 0 1.44 7 : 5 0.91

0.17 1.67 0.45 0.47 0.075 0.96 6:6:1 3.6

12 0.88 1.69 0.39 0.076 0.11 7.50 5:1:2 2.2

4.75 1.83 0.41 0.030 0.35 13.7 14 : 1 : 12 . 3.2

7.36 1.95 0.69 0.027 0.48 25.6 26 : 1 : 18 5.4

За счет введения в структуру основного ФК до 7 масс. % БЮ4-групп возможно 2-5 кратное повышение удельной скорости растворения вещества.

выводы

1. Установлены термодинамические закономерности процессов кристаллизации соединений кальция в системах Ca(N03)2-(NH4)2HP04-H20 с различным pH и Са/Р-коэффициентом при 298 К. Теоретически определены условия осаждения Саю(Р04)б(0Н)2, СаНР04-2Н20 и смесей данных солей.

2. Экспериментально исследованы процессы кристаллизации в многокомпонентных системах Ca(N03)2-(NH4)2HP04-H20, Ca(N03)2-(NH4)2HP04-Na2Si03-H20 и Са(1чЮ3)2-(ЫН4)2НР04-желатин-Н20. Установлено, что состав формирующейся в них твердой фазы зависит от величины pH, концентрации исходных реагентов, а также присутствия и количества примеси (Na2Si03, желатин). Получены новые данные о зависимости физико-химических свойств твердых фаз (дисперсного состава, удельной площади поверхности, п.э.я.) от условий осаждения.

3. Изучены фазовые превращения химически модифицированных ФК в температурном интервале 298-1373 К. Установлено, что термическое поведение образцов определяется наличием в их составе брушита и желатина, а для силикатзамещенных нКГА - сочетанием значений молярных соотношений Ca/P, Ca/(P+Si) и содержанием силикат-ионов.

4. Выполнено сравнительное изучение процесса растворения химически модифицированных ФК в 0.9% NaCl при 310 К. Показано, что на начальном этапе растворение протекает инконгруентно, при этом удельная скорость процесса зависит от состава образцов и снижается в ряду: смеси брушита и нКГА > силикатзамещенный нКГА > композиты на основе ФК и желатина.

5. Обоснована эффективность химического модифицирования ГА за счет введения в его состав различных количеств силикат-ионов или смешения с более растворимым компонентом (брушитом или желатином) для изменения термической устойчивости и способности переходить в раствор. Подбор условий кристаллизации дает возможность получать материалы с заданной скоростью растворения в физиологических жидкостях.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в российских рецензируемых научных журналах:

1. Солоненко, А.П. Синтез и физико-химическое исследование смесей состава гидроксилапатит - брушит / А.П. Солоненко, O.A. Голованова // Журнал неорганической химии. - 2014. - Т. 59, № 1. - С. 12-20. - 0,92 / 0,46 п.л.

2. Солоненко, А.П. Термические эффекты в композитных материалах на основе фосфатов кальция / А.П. Солоненко, O.A. Голованова // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2013. - Т. 56, № 1—2. — С. 33—38. — 0,69 / 0,35 п.л.

3. Солоненко, А.П. Синтез силикатзамещенных гидроксилапатитов различного стехиометрического состава / А.П. Солоненко, OA. Голованова // Вестник Омского университета. -2013. -№ 4. -С. 149-153.-0,81 / 0,41 п.л.

4. Солоненко, А.П. Композиты на основе фосфатов кальция и желатина, полученные при варьировании pH среды / А.П. Солоненко, O.A. Голованова // Вестник Омского университета. — 2013. — №4. — С. 154—159. — 0,69 / 0,35 п.л.

5. Солоненко, А.П. Физико-химическое исследование систем состава «гидроксилапатит — брушит», полученных совместным осаждением / А.П. Солоненко [и др.] // Вестник Омского университета. — 2012. — № 2. — С. 135-142. -0,92 /0,12 п.л.

6. Голованова, O.A. Изучение процессов кристаллизации в системе Ca(N03)2 - (NH4)2HP04 - Na2Si03 / Si(OEt)4 / желатин - H20 / O.A. Голованова, M.B. Фильченко, А.П. Солоненко // Вестник Омского университета. — 2011. —№ 4. — С. 131-138.-0,92/0,31 п.л.

7. Солоненко, А.П. Термодинамическое моделирование процессов образования ортофосфатов кальция / А.П. Солоненко, O.A. Голованова // Бутлеровские сообщения.-2011.-Т. 24,№2.-С. 106-112.-0,81/0,41 п.л.

8. Солоненко, А.П. Определение возможности и условий осаждения брушита из водных растворов при варьировании параметров кристаллизационной среды / А.П. Солоненко, O.A. Голованова, B.C. Ишутина // Бутлеровские сообщения. -2010. -Т. 21, № 8. - С. 17-27. - 1,27 / 0,64 п.л.

Публикации в другж научных изданиях:

9. Солоненко, А.П. Порошковые материалы на основе смесей гидроксилапатита и брушита, полученные совместным осаждением из водных растворов / А.П. Солоненко // Сборник материалов X Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». - Москва, 2013. - С. 209-211. - 0,23 / 0,23 п.л.

10. Солоненко, А.П. Сравнительное физико-химическое исследование брушита и гидроксилапатита, осажденных в водно-желатиновом растворе / А.П. Солоненко // Сборник материалов IX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». - Москва, 2012. - С. 254-256. -0,23 / 0,23 п.л.

11. Солоненко, А.П. Биорезорбируемые материалы на основе желатина и ортофосфатов кальция / А.П. Солоненко, O.A. Голованова, М.В. Фильченко, B.C. Ишутина // Материалы VII международной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения». —Иваново, 2012. — С. 216.-0,11 / 0,025 п.л.

12. Солоненко, А.П. Смеси гидроксилапатит - брушит, полученные совместным осаждением / А.П. Солоненко, O.A. Голованова, B.C. Ишутина, М.В. Фильченко // Материалы Всероссийской молодежной конференции «Медицинские основы жизнедеятельности организма в норме, патологии и эксперименте». - Омск, 2012. - С. 108. - 0,23 /0,12 п.л.

13. Томашевский, И.А. Исследование термической стабильности синтетических ортофосфатов кальция / И.А. Томашевский, А.П. Солоненко, O.A. Голованова // Тезисы докладов Всероссийской научной школы «Превентивная медицина: вызовы XXI века». - Омск, 2011.-С. 165-168.-0,35/0,12 п.л.

14. Фильченко, М.В. Исследование возможности модификации состава и свойств гидроксилапатита путем осаждения в присутствии силикат-ионов / М.В. Фильченко, O.A. Голованова, А.П. Солоненко // Материалы IV Международного симпозиума «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах». — Санкт-Петербург, 2011. — С. 433^136. - 0,35 / 0,12 п.л.

15. Солоненко, А.П. ИК-спектроскопическое исследование нестехиометрического гидроксилапатита и его смесей с брушитом после растворения в средах различного состава / А.П. Солоненко, М.В. Фильченко, O.A. Голованова // Материалы XVII международного совещания «Кристаллохимия, рентгенография и спектроскопия минералов-2011». - Санкт-Петербург, 2011. - С. 189-190. - 0,12 / 0,04 п.л.

16. Солоненко, А.П. Термодинамический расчет возможности фазообразования в системе Ca(N03)2 - (NH4)2HP04 - Н20 с различным исходным соотношением Са/Р / А.П. Солоненко, O.A. Голованова // Материалы III Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования». - Миасс, 2011. - С. 266-269. - 0,35 /0,18 пл.

17. Солоненко, А.П. Определение условий кристаллизации брушита / А.П. Солоненко, B.C. Ишутина, O.A. Голованова // Материалы VI международной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании». — Иваново, 2010. - С. 220. - 0,12 / 0,04 пл.

18. Солоненко, А.П. Исследование минеральной фазы, образующейся из системы Ca(N03)2 — (NH4)2HP04 — NH4OH — Н20 при варьировании pH / А.П. Солоненко, М.В. Фильченко // Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке». - Томск, 2010. - С. 44-47. - 0,23 / 0,13 п.л.

Подписано в печать 07.05.2014. Формат бумаги 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 94.

Издательство Омского государственного университета 644077, Омск-77, пр. Мира, 55а Отпечатано на полиграфической базе ОмГУ 644077, Омск-77, пр. Мира, 55а



Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского»

На правах рукописи

04201459276

Солоненко Анна Петровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ

02.00.04 - физическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

химических наук

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук,

профессор О.А. Голованова

Омск-2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................5

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.........................................................................10

1.1. Фосфаты кальция................................................................................................10

1.1.1. Общие сведения о составе, структуре и свойствах..............................10

1.1.2. Характеристика индивидуальных фосфатов кальция..........................14

1.1.2.1. Дикальция фосфат дигидрат (минерал брушит).....................14

1.1.2.2. Октакальция фосфат...................................................................16

1.1.2.3. Трикальция фосфат....................................................................19

1.1.2.4. Гидроксиапатит..........................................................................21

1.2. Состав, структура и свойства костной ткани..................................................29

1.3. Биоматериалы на основе фосфатов кальция....................................................32

1.3.1. Плотная и пористая керамика................................................................35

1.3.2. Стеклокерамические биоматериалы......................................................37

1.3.3. Композиционные биоматериалы............................................................39

1.3.4. Полифазные материалы..........................................................................45

1.3.5. Кальций-фосфатные цементы................................................................46

1.4. Исследование биоактивности материалов на основе фосфатов кальция, кинетики и механизма их растворения............................................................49

1.5. Выводы по литературному обзору...................................................................57

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ..........................................................59

2.1. Методология исследования кристаллизации в кальциево-

фосфатных системах .........................................................................................59

2.2. Определение химического состава надосадочной жидкости........................61

2.3. Физико-химическое исследование твердых фаз.............................................62

2.3.1. Методика рентгенофазового анализа....................................................63

2.3.2. Методика ИК-Фурье-спектроскопии.....................................................63

2.3.3. Методика определения элементного состава методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно

связанной плазмой...................................................................................64

2.3.4. Методика определения среднего размера частиц методом лазерной дифракции................................................................................64

2.3.5. Методика измерения площади удельной поверхности.......................65

2.3.6. Методика изучения морфологии частиц методом

оптической микроскопии..................................................................65

2.3.7. Методика термогравиметрического анализа........................................66

2.3.8. Методика термической обработки твердых фаз...................................66

2.4. Исследование закономерностей растворения твердых фаз...........................66

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В СЛАБОКИСЛЫХ КАЛЬЦИЕВО-ФОСФАТНЫХ СИСТЕМАХ.........................68

3.1. Термодинамическое исследование кристаллизации в кальциево-фосфатных системах........................................................................................................68

3.1.1. Описание алгоритма расчета термодинамических параметров процессов кристаллизации в кальциево-фосфатных системах..........68

3.1.2. Результаты расчета термодинамических параметров процессов кристаллизации в кальциево-фосфатных системах.............................71

3.2. Экспериментальное исследование кристаллизации в слабокислых кальциево-фосфатных системах.......................................................................79

3.2.1. Состав, дисперсность и морфология продуктов кристаллизации......79

3.2.2. Фазовые превращения в продуктах кристаллизации при

высоких температурах............................................................................84

3.2.3. Закономерности растворения твердых фаз в 0.9 % №С1....................88

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

В КАЛЬЦИЕВО-ФОСФАТНЫХ СИСТЕМАХ В ПРИСУТСТВИИ ЖЕЛАТИНА..............................................................................................................93

4.1. Состав, дисперсность и морфология продуктов кристаллизации.................93

4.2. Фазовые превращения в продуктах кристаллизации при высоких температурах..............................................................................................................104

4.3. Закономерности растворения твердых фаз в 0.9 % №С1...............................112

Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В КАЛЬЦИЕВО-ФОСФАТНЫХ СИСТЕМАХ В ПРИСУТСТВИИ СИЛИКАТ-ИОНОВ.............................................................................................120

5.1. Состав, дисперсность и морфология продуктов кристаллизации...........120

5.2. Фазовые превращения в продуктах кристаллизации при высоких температурах.................................................................................................133

5.3. Закономерности растворения твердых фаз в 0.9 % ЫаС1..........................138

ВЫВОДЫ..............................................................................................................146

Обозначения и сокращения.................................................................................147

Список литературы...............................................................................................148

ВВЕДЕНИЕ

Фосфаты кальция (ФК) широко применяются в качестве компонентов материалов, предназначенных для восстановления дефектов костной ткани. Многолетний опыт их использования диктует необходимость корректировки механических и химических характеристик синтетических конструкций для обеспечения эффективной интеграции с организмом. В этой связи актуальны исследования, нацеленные на создание новых форм ФК, модифицирование их состава, изменение физико-химических свойств.

Известно, что характеристики веществ во многом определяются условиями их получения. Так, стехиометрию состава, морфологию, дисперсность, реакционную способность, растворимость, термическую стабильность ФК удается варьировать за счет изменения условий кристаллизации, введения в состав реакционных сред добавок. С этой позиции активно изучаются водные растворы, содержащие ионы Са2+, Н2Р04"/НР042"/Р043', Н7(Ж. При этом до настоящего момента не выполнялись систематические исследования термодинамики фазовых превращений в подобных системах, не проводился теоретический анализ возможных равновесий и процессов кристаллизации ФК в условиях варьирования в широком диапазоне рН среды и концентраций исходных реагентов. Данные термодинамического моделирования (наряду с результатами натурных экспериментов) необходимы для целостного понимания физико-химической сущности процессов, связанных с фазовыми и химическими превращениями соединений кальция в водных растворах, выявления закономерностей формирования материалов с заданным составом и свойствами.

Вместе с тем актуальны комплексные экспериментальные исследования, направленные на установление природы процессов кристаллизации в сложных кальциево-фосфатных системах. В качестве последних перспективно использование растворов Са(Ж>з)2 - (ЫНОгИРС^ - Н20, Са(Ж>3)2 - (Ш4)2НР04 -Ыа^Юз - Н20 и Са(Ы03)2 - (Ш4)2НР04 - желатин - Н20. Изучение закономерностей образования в данных средах малорастворимых ФК и изменения их свойств позволит обосновать эффективность использования силикат-ионов

(активных участников процессов минерализации in vivo), желатина (ближайшего аналога костного белка коллагена) и брушита (СаНР04-2Н20, более растворимого ФК в сравнении с гидроксиапатитом (ГА)) для модифицирования физико-химических характеристик используемых на сегодняшний день гидроксиапатитовых биоматериалов.

Цель работы заключалась в установлении связи между физико-химическими свойствами фосфатов кальция и условиями их кристаллизации в кальциево-фосфатных водных растворах.

Задачи исследования:

1. Изучить термодинамику фазовых превращений соединений кальция в системах Ca(N03)2 - (ЫЩЬНРС^ - Н20 с различным pH и Са/Р-коэффициентом при 298 К.

2. Исследовать влияние условий кристаллизации (варьирование pH, Са/Р, концентрации исходных реагентов) на состав, структуру и свойства формирующейся твердой фазы.

3. Определить природу фазовых превращений, происходящих в веществах при воздействии высоких температур.

4. Установить кинетические закономерности растворения химически модифицированных фосфатов кальция в физиологическом растворе (0.9 % NaCl) при 310 К.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

1. Впервые изучена термодинамика фазовых превращений в системах Ca(N03)2 - (NHO2HPO4 - Н20 с pH = 0 - 14 и Са/Р = 1.00 - 2.00 при 298 К и определены условия кристаллизации в них СаНР04-2Н20, Caio(P04)6(OH)2 и их смесей.

2. Предложен новый способ получения смесей брушита и нестехиометрического карбонатгидроксиапатита (нКГА) Б-типа с Са/Р ~ 1.50 путем совместного осаждения в слабокислых разбавленных системах состава Ca(N03)2 - (NH4)2HP04 - Н20.

3. Впервые установлено, что в водно-желатиновых системах кристаллизация протекает по пути образования аморфного фосфата кальция (АФК) и октакальция фосфата (ОКФ) в смеси с термодинамически более устойчивыми ФК. В результате, в вязких средах формируются композиты на основе нескольких ФК, количество органической составляющей в которых снижается по мере роста рН растворов.

4. Реализован новый подход, позволяющий получать нКГА, содержащий до

2 2

7 масс. % силикат-ионов и изоморфно включенные примеси СОз ', НРО4 Н2О, степень замещения которыми повышается при уменьшении рН реакционной системы.

5. Впервые показано, что снижение скорости растворения в 0.9 % №С1 при 310 К происходит в ряду: смеси на основе брушита и нКГА > силикатзамещенный нКГА > композиты на основе ФК и желатина.

Практическая значимость. Полученные в диссертации данные по термодинамике фазовых превращений соединений кальция в системах Са(ЫОз)2 -(ЫН4)2НР04 - Н20 с различными рН, Са/Р-коэффициентом и концентрациями реагентов могут быть использованы при разработке и оптимизации технологий получения брушита, ГА и их смесей. Результаты исследования процесса кристаллизации, а таюке состава, структуры и физико-химических свойств химически модифицированных ФК могут быть применены при создании новых керамических материалов и цементных масс для травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты термодинамического анализа равновесий в системах Са(ЪЮз)2 - (ЫН4)2НР04 - Н20 с различным рН и Са/Р-коэффициентом при 298 К.

2. Условия кристаллизации в водных растворах двухкомпонентных смесей на основе гидрофосфата кальция и нКГА с варьируемым содержанием компонентов.

3. Закономерности формирования в водно-желатиновых средах органоминеральных композитов и зависимости их физико-химических свойств от

условий осаждения.

4. Данные физико-химического исследования влияния условий кристаллизации на состав, структуру и физико-химические свойства силикатзамещенных нКГА.

5. Закономерности начального этапа растворения порошков химически модифицированных ФК в физиологическом растворе (0.9 % №С1) при 310 К.

Достоверность и надеэ/сность полученных результатов обеспечена применением отработанных методик расчетов, экспериментов по кристаллизации и измерений, использованием комплекса взаимодополняющих методов исследования, воспроизводимостью результатов повторных измерений, а также согласием с имеющимися литературными данными.

Апробаг{ия работы. Результаты работы представлены на следующих научных конференциях: Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2012, 2013); Международная конференция «Кинетика и механизм кристаллизации» (Иваново, 2010, 2012); Всероссийская молодежная конференция «Медицинские основы жизнедеятельности организма в норме, патологии и эксперименте» (Омск, 2012); Всероссийская научная школа «Превентивная медицина: вызовы XXI века» (Омск, 2011); IV Международный симпозиум «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах» (Санкт-Петербург, 2011); XVII Международное совещание «Кристаллохимия, рентгенография и спектроскопия минералов - 2011» (Санкт-Петербург, 2011); V Всероссийская конференция студентов и аспирантов с международным участием «Химия в современном мире» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийская молодежная научная конференция «Минералы: строение, свойства, методы исследования» (Миасс, 2011); Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2010).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 18 работ, в том числе 8 статей в журналах из перечня российских рецензируемых

научных журналов и 10 тезисов докладов.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (№№ 14.740.11.0548-0723, 16.740.11.0602), ФГБОУ ВПО «ОмГУ им. Ф.М. Достоевского» (грант «Молодым ученым ОмГУ»), Министерства по делам молодежи, физической культуры и спорта Омской области (грант победителю Молодежного форума «РИТМ/2012»).

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю д.г.-м.н., проф. O.A. Головановой; заведующему кафедрой аналитической химии ФГБОУ ВПО «ОмГУ им. Ф.М. Достоевского» д.х.н., проф. В.И. Вершинину за ценные советы и рекомендации по выполнению отдельных блоков работы; студентам химического факультета ФГБОУ ВПО «ОмГУ им. Ф.М. Достоевского» М.В. Фильченко и B.C. Ишутиной за активное участие в получении результатов; сотрудникам ИППУ СО РАН (к.х.н. В.А. Дроздову, к.х.н. H.H. Леонтьевой, к.х.н. A.B. Шиловой, К.С. Буяльской, Г.Г. Савельевой, И.В. Муромцеву, Н.В. Антоничевой, к.х.н. М.В. Тренихину) за помощь в выполнении физико-химических исследований; сотрудникам кафедры органической химии ФГБОУ ВПО «ОмГУ им. Ф.М. Достоевского» д.х.н., проф. A.C. Фисюку и инженеру-исследователю Ю.П. Богзе за содействие при проведении исследований методом ИК-Фурье-спектроскопии, к.х.н. Н.В. Поендаеву и В.Б. Беляеву за помощь при постановке ряда экспериментов.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Фосфаты кальция 1.1.1. Общие сведения о составе, структуре и свойствах

В системе СаО - Р2О5 в зависимости от условий может образовываться 11 незамещенных ФК с атомным соотношением Са/Р в пределах от 0.5 до 2.0 [1 - 4]: Са(Н2Р04)2Н20 (монокальция фосфат моногидрат, МКФМ), Са(Н2Р04)2 (монокальция фосфат, МКФ)*, СаНР04-2Н20 (дикальция фосфат дигидрат, ДКФД, брушит), СаНР04 (дикальция фосфат, ДКФ, монетит)*, Са8Н2(Р04)65Н20 (октакальция фосфат, ОКФ), а-Са3(Р04)2 (а-трикальция фосфат, а-ТКФ)*, ß-Ca3(P04)2 (ß-трикальция фосфат, ß-ТКФ, витлокит)*, CaxHy(P04)z-nH20 (аморфный фосфат кальция, АФК), Са10-х(НРО4)х(РО4)б-х(ОН)2.х (0<х<1, кальцийдефицитный или нестехиометрический гидроксиапатит, нГА), Саю(Р04)6(0Н)2 (гидроксиапатит, ГА), Са4(Р04)20 (тетракальция фосфат, ТеКФ)* (табл. 1, рис. 1).

а

HjPO,

200

0 10 20 30 40 50 60 PjO,

СаО. мол. %

У 1400 |

S 1200 1

Н 1000 800 600 400

—i-т

2630 °С

СоО + Ж

Р-СР+ Ж CtPj + Ж

. р2о5*ж

рго5+срг

♦ ж

CtP+a-CjP

CiP + ot-Cjp a-CjP + a-C3F a-CjP + (i-CjP

р-с-р+ж"

ß-C2P + Ж ^Pj + Ж

Ж

а-СР + Ж

Рисунок 1. Фазовые диаграммы равновесия в системах (а) Н3Р04 - Са(ОН>2 - Н20, (б) СаО - Р2О5 [1, 2]

Все химически чистые ФК - кристаллические вещества белого цвета и средней твердости. В одной из классификаций [1, 2] их подразделяют на две группы: 1) низкотемпературные, т.е. синтезированные при невысоких температурах и не подвергавшиеся термической обработке;

2) высокотемпературные, т.е. соединения, которые не могут быть получены осаждением из водных растворов без дополнительных термических воздействий (помечены *, см. выше).

При синтезе низкотемпературных ФК методом кристаллизации, из-за тройного ионного равновесия, которое существует в водном растворе, содержащем фосфат-ионы, сдвиг рН приводит к изменению относительных концентраций четырех полиморфных форм ортофосфорной кислоты (НзР04/Н2Р047НР0427Р043") и, следовательно, химического состава и количества ФК, которые формируются в результате прямого осаждения [5]. Поэтому в зависимости от условий кристаллизации (главным образом, величины рН), в том числе и в биологических средах in vivo, возможно образование солей различного стехиометрического состава.

В живых системах наиболее часто встречаются минеральные агрегаты, построенные из нГА или замещенного ГА, возможны включения брушита и/или ОКФ [1, 3, 4, 6 - 11]. Высокотемпературные ФК не обнаружены в составе минерализованных твердых тканей или патогенных новообразований. Однако а-, р-ТКФ, Ca4(P04)20, СаНР04, Са(Н2Р04)2 широко используются в медицинских целях в составе керамических, цементных и композиционных материалов [1, 5, 12 - 19]. Применение перечисленных соединений основано на подобии их состава и структуры данным характеристикам минеральной компоненты твердых тканей человека.

Атомная структура всех рассматриваемых ФК построена вокруг сетки ортофосфат-ионов (Р04 "), что придает им высокую стабильность / устойчивость. При этом, согласно данным [1, 20] ФК могут классифицироваться в соответствии