Коллоидно-химические аспекты синтеза гидроксиапатита, модифицированного силикат-ионами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

9 15-5/714

На правах рукописи

ЛЕ ВАН ТХУАН

КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СИНТЕЗА ГИДРОКСИАПАТИТА, МОДИФИЦИРОВАННОГО СИЛИКАТ-ИОНАМИ

Специальность 02.00.11. - Коллоидная химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Трубицын Михаил Александрович

Официальные оппоненты: Плетнёв Михаил Юрьевич,

доктор химических наук, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий (МИТХТ) им. М.В. Ломоносова», заведующий кафедрой коллоидной химии

Полуэктова Валентина Анатольевна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова", доцент кафедры неорганической химии института строительного

материаловедения и техносферной безопасности

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет», г. Воронеж

Защита состоится 30 сентября 2015 года в 12.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.05 в БГТУ им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://gos_att.bstu.ru Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан 14 августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дороганов Е. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Одним из актуальных направлений научных исследований коллоидной химии является разработка коллоидно-химических принципов создания наноструктурированных систем и наноразмерных биоматериалов медицинского назначения.

Синтетический нанокристаллический гидроксиапатит (ГАП-

Саю(Р04)б(0Н)2) является кристаллохимическим аналогом минеральной составляющей костных тканей животных и людей. В силу сходства химического состава материалы на его основе находят широчайшее применение в различных областях медицины (стоматологии, ортопедии и хирургии) в виде керамики, цементов, композитов, имплантатов и т.д. Однако, последние результаты клинической апробации биоматериалов, полученных с использованием ГАП, показывают, что такие материалы, наряду с явными преимуществами обладают рядом недостатков: недостаточной скоростью биорезорбции in vivo, слабым стимулирующим воздействием на рост новой костной ткани (скорость остеоиндукции).

Одним из перспективных способов повышения биорезорбируемости и остеоиндукции биоматермалов на основе ГАП является химическое модифицирование гидроксиапатита биогенными элементами. Известно, что силикат-ионы являются естественной компонентой межтканевой жидкости. Кремний это жизненно важный микроэлемент для формирования кости и поддержания нормальной ее структуры, также он необходим для процесса минерализации костной ткани. Было установлено, что синтетические кальций-фосфатные биоматериалы, содержащие кремний в своих структурах, обладают повышенной биологической активностью по сравнению с незамещенным ГАП, способствуют улучшению пролиферации остеобластов, росту внеклеточного матрикса, а также ускорению минерализации костной ткани. В связи с этим, получение гидроксиапатита, модифицированного силикат-анионами, входит в научный круг интересов многих исследователей.

Управляемый синтез модифицированных гидроксиапатитов, в том числе и нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита (Si-ГАП) представляет собой сложную физико-химическую задачу. Считается, что не только химический состав, но и морфология, поверхностные особенности синтетических кристаллов гидроксиапатитов являются важными характеристиками, определяющими отклик организма на имплантируемые материалы. Кристаллическая структура, морфология и биорезорбируемость, а также коллоидно-химические свойства этих материалов в значительной степени зависят от метода получения. Однако большинство существующих методов синтеза не позволяет получить стабильный монофазный нанокристаллический кремнийсодержащий гидроксиапатит с заданными свойствами. Поэтому разработка коллоидно-химических основ получения монофазного нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита с регулируемой морфологией, стабильными коллоидно-химическими свойствами и биорезорбируемостью в настоящее время является актуальным направлением исследования.

Работа выполнена в рамках договора об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения № 13.025.31.0006 от 07.09.2010г. «Биосовместимые композиционные и кальцийсодержащие остеопластические и лечебно-профилактические материалы для медицины».

Целью настоящего исследования является разработка коллоидно-химических основ получения нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита с заданным химическим составом и структурой, а также комплексное исследование коллоидно-химических свойств, обеспечивающих его применение как эффективного биоматериала медицинского назначения.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- разработать новый способ синтеза нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита с требуемыми структурно-морфологическими и коллоидно-химическими характеристиками;

- установить влияние параметров синтеза на структурно-морфологические и коллоидно-химические характеристики БьГАП;

- исследовать коллоидно-химические свойства продукта;

- тестировать медико-биологические свойства продукта;

- разработать технологию производства нанокристалического 5ьГАП;

- провести опытно-промышленную апробацию 81-ГАП.

Научная новизна работы:

Выявлены коллоидно-химические закономерности гомогенного осаждения нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита из водных растворов, а также описан механизм формирования фазы ЗьГАП, заключающийся в гидролизе тетраэтоксисилана, образовании промежуточных продуктов, таких как силикат кальция, фосфат кальция, гидроксиапатит и превращении их в фазу 81-ГАП;

Получены математические модели, позволяющие систематизировать влияние параметров синтеза на структурно-морфологические и коллоидно-химические характеристики нанокристаллического 81-ГАП;

Рассчитана кажущаяся энергия активации процесса роста кристаллов 81-ГАП, отмечено изменение формы кристаллов из игольчатой в сфероидальную при увеличении температуры синтеза от 60 °С до 80 °С;

Определена закономерность возрастания сорбционной активности 51-ГАП по отношению к меди (II) и альбумину при увеличении степени замещения фосфат-ионов силикат-ионами;

Разработана и апробирована новая методика определения биорезорбируемости, позволяющая достоверно моделировать процессы регенерации костной ткани в живом организме и корректно оценивать эффективность разрабатываемых кальций-фосфатных биоматериалов. Определено влияние степени замещения фосфат-ионов силикат-ионами на характер биорезорбируемости БьГАП.

Практическая значимость работы. Разработан и запатентован способ получения монофазного нанокристаллического кремнийсодержащего

гидроксиапатита. Получены математические модели, позволяющие выбрать параметры растворного синтеза и проводить направленно получение высокодисперсных порошков Si-ГАП с кристаллами требуемого размера, формы и химического состава. Предложенная методика определения биорезорбируемости может быть рекомендована как адекватный прием предварительного тестирования биоматериалов in vitro. Разработан технологический регламент и организовано опытно-промышленное производство нанокристаллического Si-ГАП с улучшенными физико-химическими характеристиками. Результаты исследования биосовместимости, биорезорбируемости и сорбционных свойств Si-ГАП подтверждают возможность использования их в качестве биоматериалов медицинского назначения.

Значимость результатов диссертации подтверждается внедрением технологии получения нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита как компонента остеопластических материалов для восстановления дефектов костных тканей на основе минерального сырья, профилактических биоматериалов и эндодонтических материалов для стоматологии на ЗАО «ОЭЗ «ВладМиВа», а также использованием их в учебном процессе НИУ «БелГУ» на кафедре общей химии при преподавании дисциплины «Общая, неорганическая и аналитическая химия» для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Биохимия».

Методы исследований. В работе использованы современные физико-химические методы исследований: рентгенофазовый и

микрорентгеноспектральный анализы, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, инфракрасная спектроскопия, лазерный анализ размера частиц, низкотемпературная адсорбция азота (БЭТ), электрофорез, спектрофотометрический метод и методы статистической обработки информации. Основные положения работы, выносимые на защиту:

способ получения нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита;

- результаты исследования коллоидно-химических процессов, протекающих при формировании фазы Si-ГАП методом осаждения из водных растворов;

- выявленные закономерности влияния параметров синтеза на структурно-морфологические и коллоидно-химические характеристики нанокристаллического Si-ГАП;

- методика определения биорезорбируемости;

- зависимость резорбируемости и сорбционной способности образцов Si-ГАП от степени замещения фосфат-ионов силикат-ионами;

- технология производства нанокристаллического Si-ГАП медицинского назначения.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на ежегодных всероссийских научно-практических конференциях «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов» (Томск, 2011, 2012, 2013, 2014); IV Международной научно-практической конференции «Экология - образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2011); Международной научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования» (Москва, 2012), III Международной научно-

практической конференции «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине» (Томск, 2013), VII Всероссийской конференции молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием по химии и нанотехнологиям «Менделеев-2013. Нанохимия и наноматериалы» (Санкт Петербург, 2013), Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2014), Всероссийской научной конференции с международным участием «Сорбционные и ионообменные процессы в нано- и супрамолекулярной химии» (Белгород, 2014), а также представлены на Петербургской технической ярмарке и получена золотая медаль в номинации «Лучший инновационный проект в области индустрии наносистем» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в

19 работах, в том числе 5 статей опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи в международных журналах, индексируемых в SCOPUS, 2 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК Украины и Казахстана, 10 статей в сборниках трудов конференций и всероссийских журналах. Получен 1 патент.

Личный вклад автора. Автором проведен анализ литературных данных, определены цель и основные задачи работы. Все результаты, приведенные в диссертации, получены самим автором или при его непосредственном участии. Автором осуществлено обоснование методов и реализовано получение представленных в работе материалов, обоснованы и проведены экспериментальные методики по исследованию полученных образцов. Совместно с научным руководителем проведен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту.

Достоверность результатов работы основана на практическом внедрении в производство и учебный процесс, использовании современных экспериментальных методов исследования в Центре коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» (НИУ «БелГУ») и программного обеспечения при анализе полученных результатов, получении результатов, не противоречащих современным научным представлениям и закономерностям.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 179 наименований и 8 приложений. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, включающего

20 таблиц, 49 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, представлены положения, выносимые на защиту, новизна и практическая значимость, описана структура диссертации. Приведены сведения о публикациях и апробации работы.

Первая глава посвящена обзору литературы. Рассмотрены кристаллохимическая структура, состав, свойства и области применения

гидроксиапатита как химического аналога биоапатита в кальцинированных тканях живых организмов, приведены сравнительные коллоидно-химические свойства микро-, нанокристаллического гидроксиапатита. В обзоре выявлены особенности химического модифицирования силикат-ионами как эффективного способа повышения биорезорбируемости гидроксиапатита, а также рассмотрены коллоидно-химические аспекты синтеза нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита. Описаны особенности адсорбции белков на гидроксиапатитовых материалах.

Вторая глава содержит описание основных экспериментальных методик, использованных в работе.

В третьей главе представлены результаты исследований коллоидно-химических процессов, протекающих при формировании фазы БьГАП, влияния параметров синтеза на структурно-морфологические и коллоидно-химические характеристики полученных продуктов, коллоидно-химических и медико-биологических свойств нанокристаллического ЗьГАП.

Кремнийсодержащие гидроксиапатиты могут быть представлены формулой -Саю(Р04)б-х(5Ю4)х(0Н)2-х, где х - степень замещения фосфат-ионов силикат-ионами. Для обеспечения необходимого содержания кремния и кальция в синтетическом кремнийсодержащем гидроксиапатите степень замещения фосфат-ионов силикат-ионами в синтезируемом продукте должна быть в пределах х = 1-2, а молярное отношение Са/(Р+81) близким к 1,67. Однако, если природный биоапатит, отвечающий этим характеристикам, успешно формируется в костях человека и животных, то получение подобного монофазного синтетического БьГАП, как следует из данных зарубежных и отечественных авторов, до сих пор остается нерешенной научно-методической задачей.

В настоящей работе образцы БьГАП синтезировали методом гомогенного осаждения из насыщенного раствора гидроксида кальция, растворов ортофосфорной кислоты и тетраэтоксисилана (ТЭОС ) при рН > 9 по уравнению реакции (1):

ЮСа(ОН)2 + (6-х) НэРСХ, + х(С2Н,0)^1 = Са,о(РО.,)^,(8Ю.|)*(ОН)2-4 + 4хС2Н5ОН + (18-Зх)Н20 (1)

Использование указанных реагентов имеет следующие преимущества: побочными веществами являются вода и этиловый спирт, которые легко удаляются; не требуется дополнительного подщелачивания для подержания необходимого уровня рН>9; в конечном продукте не содержатся токсичные для организма ионы ЫОз" и КИ-Ц"1" , а также отсутствуют нежелательные продукты, например Саю-уЫау(Р04)б х(8Ю4)х(ОН)2-х и Саю-у(ЫН4)у(Р04)б-х(8Ю4)х(ОН)2-х за счет изоморфного замещения ионов.

Для выявления механизма формирования фазы 81-ГАП было проведено комплексное изучение процесса синтеза. В качестве тестового образца выбрали БьГАП со степенью замещения х = 1,0 (51],о-ГАП). Это связано с тем, что данный 5и,о-ГАП наиболее идентичен по содержанию кремния составу костной ткани.

На первом этапе синтеза к насыщенному раствору гидроксида кальция добавляли рассчитанное количество ТЭОС. В результате гидролиза ТЭОС в реакционной смеси образуется ортокремниевая кислота согласно реакции (2): (СгШО^ + 4Н20 <-> Н48Ю4 + 4С2Н5ОН (2)

Далее ортокремниевая кислота вступает в реакцию с гидроксидом кальция с образованием малорастворимого силиката кальция. Это приводит к уменьшению электропроводности и увеличению мутности реакционной смеси (рис. 1).

Установлено, что значения исследуемых параметров

достигали постоянных значений через 13 мин, что позволило определить оптимальное время гидролиза ТЭОС, которое составило 15-20 мин.

На втором этапе синтеза в реакционную смесь с

фиксированной скоростью

дозировали рассчитанное

количество 10%-ного раствора ортофосфорной кислоты. При этом наблюдается увеличение мутности от 0,44 до 0,69 и понижение электропроводности с 5,9 мСм/см до 1,2 мСм/см (рис. 2а), что свидетельствует о формировании промежуточного продукта - аморфного фосфата кальция Саз(РС>4)2. Наличие изгибов на кривой мутности (рис.2а) и дифференциальной кривой потенциометрического титрования (рис.2б), соответствующих молярному отношению Са/(Р + 81) = 1,8-1,9 можно интерпретировать как превращение промежуточных фаз в гидроксиапатит (Саю(Р04)б(0Н)г). Значение рН системы закономерно уменьшается из-за образования ГАП и нейтрализации ионов ОН" протонами кислоты Н3РО4. Точка эквивалентности на дифференциальной кривой потенциометрического титрования равна V = 16 см3, что соответствует расчетному молярному отношению Са/(Р + = 1,67.

Рис. 2. Кинетика изменения электропроводности, мутности и рН (2-ой этап

синтеза)

После протекания основной химической реакции (гомогенного осаждения), при выдерживании осадка под маточным раствором протекают гетерогенные химические реакции, приводящие к изменению состава осадка. Это подтверждается изменением коллоидно-химических характеристик системы. По изменению этих характеристик можно судить о механизме коллоидно-химических процессов, протекающих в ходе формирования новой кальций-фосфатной кремнийсодержащей фазы. При этом к основным процессам можно

. 7,С

л

У 6.1

К ~

= ий о г 6.

1 Электропроводность * МутностьГ

6 8 10 12 Время, мин

0.4

¡0,3 0,2 0.1 % 0,0 -од

Рис.

1. Кинетика изменения электропроводности и мутности (1-ый этап синтеза)

отнести: межфазное равновесие «осадок-раствор» силиката кальция с высвобождением силикат-ионов, замещение фосфатных групп силикат-ионами, рост кристаллов, адсорбцию оставшихся свободных ионов на поверхности осадков, коагуляцию, седиментацию и др. Время и последовательность протекания этих процессов трудно разделять и фиксировать из-за сложности химического механизма образования БиГАП, так как они могут накладываться или происходить параллельно. Измерение электрокинетического потенциала (рис. 36) показало, что осажденные частицы в рассматриваемой системе обладают положительным зарядом и во время созревании величина дзета-потенциала постепенно снижается от +7,8 до + 4,2. Такой характер изменения электрокинетического потенциала, служит еще одним подтверждением нашей гипотезы о нейтрализации поверхностного заряда частиц 8ьГАП в результате адсорбции гидроксильных ионов на поверхности гидроксиапатита. Также отмечено, что в процессе отстаивания (созревания) осадков через 22-23 ч электропроводность и рН раствора резко уменьшаются (рис. 3). Это, вероятно, связано с завершением реакции образования фазы кремнийсодержащего гидроксиапатита и формированием связующих звеньев между частицами. Таким образом, оптимальное время созревания осадков Б^ГАЛ составляет 23-24 ч.

О 5 10 15 20 25 30 Время, ч

1 Электропроводность * Мутность

0 5 10 15 20 25 30 =t Время, ч

' рН —^—Дзета-потенциал

Рис. 3. Изменение коллоидно-химических показателей при созревании осадков

Si-ГАП

Полученная суспензия и высушенный продукт синтеза были охарактеризованы методами рентгенофазового анализа (РФА), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), ИК-спектроскопии и методом БЭТ. В качестве объекта сравнения выбран немодифицированный ГАП, полученный методом осаждения из водных растворов Са(ОН)г и Н3РО4.

На рис. 4 представлены микрофотографии образцов ГАП и Sii,o-rAn, полученные с помощью трансмиссионного электронного микроскопа JEM - 2100.

Рис. 4. ПЭМ-микрофотографии кристаллов ГАП (а) и Sii,o-TAn (б)

Показано, что кристаллы 8ьГАП имеют игольчатую форму длиной 60-90 нм, шириной 10-15 нм, а у частиц немодифицрованного ГАП длина и ширина кристаллов составляют 100-130 нм и 20-25 нм, соответственно.

С помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа подтверждено, что помимо кальция, фосфора, кислорода в кристаллах БьГАП присутствует кремний (рис. 5). По результатам элементного анализа (рис. 5) установлено, что содержание Са, Р и О в образце БьГАП соответствует ранее заданному составу, а молярное отношение Са/(Р + 81) составляет 1,67.

Sii.o-ГАП дифрактограмма образца Sii.o-ГАП. Штрих-диаграмма

соответствует стандартному гидроксиапатиту. (по данным JCPDS-ICDD PDF2008 № 01-086-1199)

Фазовый состав, параметры элементарной ячейки и тип кристаллографической группы кристаллов исследуемых порошков определили методом рентгенофазового анализа (РФА) на рентгеновском дифрактометре Rigaku Ultima IV. Полученные результаты представлены на рис. бив табл. 1.

Таблица 1

Фазовый состав и параметры решетки порошков ГАП и Sii.o-ГАП

Наименование образца Кристаллографическая группа Параметры решетки

а = Ь, А с, А а = ß, град. у, град.

ГАП Рбз/ш 9,414 6,865 90 120

Si-ГАП (х=1) Р6з/Ш 9,423 6,902 90 120

Данные РФА подтверждают, что исследуемый образец принадлежит к той же кристаллографической группе, что и гидроксиапатит (гексагональная система Рбз/гп) (табл. 1), порошковая рентгеновская дифрактограмма Б^о-ТАП полностью соответствует дифрактограмме эталонного гидроксиапатита (рис. 6). Это позволяет сделать вывод, что синтезируемый образец является монофазным. Из табл. 1 видно, что параметры элементарной ячейки решетки кристаллов (а-ось и с-ось) у Б^.о-ГАП несколько больше, чем у ГАП. Это согласуется с литературными данными, согласно которым внедрение кремния в кристаллическую решетку ГАП вызывает увеличение параметров и объема элементарной ячейки.

Качественный анализ на предмет наличия силикат-ионов в тех или иных позициях кристаллической структуры был проведен методом ИК-спектроскопии на спектрометре №со1е16700 (рис.7).

Спектры исследуемых

образцов имеют полосы поглощения, характерные для функциональных групп,

относящихся к ГАП и БьГАП. В отличие от ИК-спектра ГАП, в ИК- спектре БЬ.оТАП имеются полосы поглощения с частотами 875 и 497 см"1, обусловленные деформационными колебаниями связей БЮ, причем валентные колебания этих связей могут перекрываться с интенсивной полосой поглощения фосфатной группы в области частот 900-1200 см"1. Также отмечается сдвиг пиков, характерных для группы РО43": 1200 -»1175 см"1 и 650 -»640 см"1, из-за искажения фосфатного тетраэдра при встраивании силикатных групп в кристаллическую решетку ГАП. В то же время, в ИК- спектре Бм.о-ГАП наблюдается уменьшение интенсивности полосы валентных колебаний групп ОН" при 3570 см"1, что свидетельствует о потери гидроксильных групп и появлении вакансий, что обеспечивает компенсацию заряда при замещении фосфатных групп на силикатные. Таким образом, результаты анализа ИК-спектров синтезируемых образцов подтверждают факт замещения фосфатных ионов на силикат-ионы в структуре гидроксиапатита.

Реакция растворения гидроксиапатитов в жидкой среде является гетерогенной и протекает на границе раздела фаз, поэтому удельная поверхность оказывает существенное влияние на скорость реакции и, как следствие на биорезорбируемость. Результаты многих исследований показали, что биорезорбируемость материала в значительной степени зависит от размера частиц и проявляется тем больше, чем выше дисперсность вещества. Наши данные определения удельной поверхности и пористости методом БЭТ на газоадсорбционном анализаторе Тп81аг 3020 подтвердили, что внедрение силикат-ионов в кристаллическую решетку ГАП вызывает уменьшение размера кристаллов ГАП в 3 раза, а увеличение их удельной поверхности в 2,5 раза. Образец БьГАП обладает большей пористостью и более развитой удельной поверхностью по сравнению с немодифицированным ГАП, что способствует повышению биоактивности и биорезорбируемости.

На основании результатов изучения морфологии, фазового и химического состава, а также коллоидно-химических характеристик синтезированных биоматериалов, установлено, что предлагаемым способом можно эффективно синтезировать монофазный нанокристаллический кремнийсодержащий гидроксиапатит с регулируемой степенью замещения фосфат-ионов силикат-ионами.

Влияние параметров синтеза на морфологические и коллоидно-

химические характеристики нанокристаллического вЬГАП

В настоящей работе были изучены научно-практические закономерности, лежащие в основе влияния параметров синтеза на морфологию и коллоидно-химические характеристики продукта. Наиболее значимыми параметрами синтеза

Рис. 7. ИК-спектры ГАП и вЬ.о-ГАП

Si-ГАП являются - концентрация исходных реагентов, скорость приливания и перемешивания реагентов, время созревания осадка, температура синтеза и температура обработки осадков.

Влияние степени замещения. В ходе определения структурно-морфологических и коллоидно-химических характеристик образцов Si-ГАП, синтезированных при различных степенях замещения фосфат-ионов силикат-ионами х = 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 установлено, что все полученные образцы являются монофазными кремнийсодержащими гидроксиапатитами. При увеличении степени замещения от 0,5 до 2,0 (1,40 - 5,81 масс. % Si) наблюдается уменьшение среднего размера кристаллов от 20 нм до 11 нм и степени кристалличности от 91 % до 85 %, а также повышение удельной поверхности от 60 м2/г до 122 м2/г (рис. 8) и объема пор от 0,3 см3/г до 0,8 см3/г._

я m 20

•I | 15 н

S Н,„ I

ег и 10 -

3 я

о, о. с

О и

• Средний размер кристаллов о Удельная поверхность у = 6,82х2 - 21,898i + 28,365 R! = 0,9863

О

........О

у = 46,486х + 30,952

,= 0,9227

к -

а £

х н

lOOg О

<и К

.3 Й

>. О.

50 й

0,5

1,0 1,5

Степень замещения

2,0

Рис. 8. Зависимость среднего размера кристаллов и удельной поверхности образцов 8ьГАП от степени замещения Влияние концентрации ортофосфорной кислоты. В табл. 2 приведены условия синтеза и характеристики образцов 8ьГАП.

Таблица 2

Коллоидно-химические характеристики 8и,о-ГАП при разных концентрациях

орто< юсфорной кислоты

Параметры синтеза С (Н3Р04), % Степень кристалличности,% Средний размер кристаллов, нм Syj, м2/г

х= 1,0 Vl = 1 см3/мин V2 = 1200 об/мин Т = 22 ± 2 °С t = 24 ч 10 90,02 12,9 91,99

20 87,24 2,9 128,72

30 87,96 2,5 136,70

40 87,31 2,6 125,24

Тсин., температура синтеза, °С; VI У2. скорость приливания (см3/мин) и перемешивания (об/мин) реагентов, соответственно; г: время созревания, ч.

Из табл. 2 следует, что с повышением концентрации кислоты от 10 до 20 масс. % средний размер кристаллов уменьшается примерно в 4 раза, а удельная поверхность возрастает в 1,5 раза. Это объясняться тем, что в случае увеличения концентрации кислоты до 20 % в зоне реакции происходит пересыщение кислоты и формируется большое число центров кристаллизации, что приводит к появлению большого количества кристаллов 81-ГАП маленького размера. Однако, при дальнейшем увеличении концентрации кислоты от 20 % до 40 %, размер кристаллов и практически не изменяется. Данный факт может быть объяснен тем, что в случае использования 20%-ного раствора кислоты в зоне реакции уже

достигается локальное пересыщение центров кристаллизации, поэтому использование растворов Н3РО4 с концентрацией более 20 % уже практически не влияет на средний размера кристаллов.

Влияние скорости приливания и перемешивания реагентов, а также времени созревания осадка. Известно, что скорость приливания (подачи) и перемешивания реагентов имеет сильное влияние на скорость нуклеации. Интенсивное перемешивание снижает эффект локального пересыщения, инициирует образование новых (дополнительных) центров кристаллизации и в итоге приводит к уменьшению размера кристаллов в результате вторичного зародышеобразования. Действительно, результаты исследования показали, что при повышении скорости перемешивания от 300 об/мин до 2000 об/мин, средний размер кристаллов линейно снижается почти в 2 раза - от 22,6 нм до 10,8 нм. С ростом скорости подачи ортофосфорной кислоты от 1 до 30 см3/мин размер кристаллов увеличивается от 12,8 нм до 21,1 нм, но затем уменьшается до 14,4 нм в случае моментального приливания. Это может быть объяснено протеканием двух конкурирующих процессов, когда с одной стороны, происходит формирование новых дополнительных центров кристаллизации, что ведет к уменьшению размера кристаллов, с другой стороны, вводимые реагенты расходуются на рост ранее образовавшихся зародышей в существующих центрах кристаллизации, в результате чего размеры кристаллов увеличиваются. При возрастании скорости приливания ортофосфорной кислоты до 30 см3/мин лимитирующим процессом будет рост кристаллов на уже образовавшихся зародышах, а при моментальном приливании происходит интенсификация образования дополнительных центров кристаллизации и формируются частицы меньшего размера. Также отмечено, что при быстром приливании Н3РО4 к композиции гидроксид кальция/ТЭОС имеет место аморфизация осадка, что подтверждается понижением степени кристалличности от 90 % до 82 %. Увеличение времени выдержки осадка под маточным раствором от 0,75 ч до 24 ч повышает степень кристалличности на 13 %, при этом размер кристаллов уменьшается от 17,8 нм до 12,8 нм. Также установлено, что для получения 8>ГАП с более совершенной кристаллической структурой следует вести осаждение при капельном (порционном) приливании осадителя с оптимальными скоростью подачи (VI = 1-5 см3/мин) и концентрацией (С = 10-20 %), интенсивном перемешивании ~ 1200 об/мин) и выдерживании осадка под слоем маточного раствора около 24 часов.

Влияние температуры «мокрого» синтеза. На рис. 9 представлены ПЭМ-микрофотографии суспензий Би.о-ГАП при различных температурах синтеза.

Рис. 9. ПЭМ- микрофотографии суспензий Б^.о-ГАП при различных температурах

синтеза

Согласно микрофотографиям (рис. 9) кристаллы частиц БьГАП, синтезированного при температуре от 22 °С до 40 °С, имеют игольчатую форму, а при 60 "С количество игольчатых кристаллов уменьшается и начинают формироваться округлые кристаллы, а при 80 °С наблюдается только мелкие частицы сфероидальной формы. Визуально наблюдается уменьшение размера кристаллов при увеличении температуры синтеза. На наш взгляд, с повышением температуры синтеза возрастает вероятность гетерофазных флуктуаций, увеличивается подвижность ионов в растворе и, следовательно, увеличивается количество зародышей кристаллизации и скорость роста новой фазы. В случае повышения температуры выше 60 °С скорость образования центров кристаллизации превалирует над скоростью роста образовавшихся зародышей, поэтому образуется большое количество частиц ЗьГАП маленького размера. Кроме того, по температурной зависимости размера кристаллов рассчитана кажущаяся энергия активации процесса роста кристаллов, которая составила 12,6 кДж/моль.

Влияние температуры обработки. На рис. 10 приведена зависимость коллоидно-химических характеристик БЬ.о-ГАП от температуры обработки.

200 400 600 800 Температура обработки, °С

Рис. 10. Зависимость коллоидно-химических характеристик Б^.о-ГАП от

температуры обработки Из рис. 10 следует, что в интервале 100 - 300 °С исследуемые характеристики мало изменяются. При увеличении температуры до 600 °С происходит интенсивное удаление кристаллохимической воды из решетки БьГАП и снижение удельной поверхности почти в 2 раза. С повышением температуры обработки от 600 °С до 900 °С наблюдается существенное уменьшение объема и диаметра пор (в 13 и 2,5 раза соответственно), а также удельной поверхности с 71 м2/г до 20 м2/г. Значительное изменение коллоидно-химических характеристик в данном интервале температур может быть обусловлено агломерацией частиц за счет начинающегося процесса спекания. В то же время, числовые значения, полученные расчетным путем из данных РФА, показывают, что при повышении температуры обработки от 100 °С до 900 °С степень кристалличности увеличивается от 90 % до 96 %, а размер кристаллов - от 21 нм до 25 нм. Таким образом, термообработка осадка при температуре выше 300 °С приводит к значительному снижению удельной поверхности и как следствие, к уменьшнию биорезорбируемости готового продукта. Данное повышение темпратуры термообработки также нецелесообразно из-за дополнительных энергозатрат. Поэтому в настоящей работе для совершенствования технологии получения нанокристаллического БьГАП предлагается совместить процедуры

обезвоживания и высушивания продукта и проводить эти технологические операции в распылительной сушилке, которая одновременно высушивает и фракционирует продукт. Преимущество распылительной сушки состоит в том, что получаемый сухой порошок имеет фракционированный однородный размер и не требует дополнительного просеивания. Во время такой сушки частицы БьГАП фактически не подвергаются тепловому воздействию, т.к. большая часть энергии уходит на испарение жидкости, а твердая фаза практически не нагревается. При этом температура частиц не поднимается выше 50 °С, что позволяет порошку 8ьГАП сохранять высокую биорезорбируемость и биоактивность.

Методом регрессионного анализа с использованием программы 81а1{*гарЫс8 СепШпоп XV.II были получены математические модели, описывающие зависимость среднего размера кристаллов (уравнение 3) и удельной поверхности от параметров синтеза (уравнение 4).

Б = 23,1285 - 5,2838*Х1 - 0,0060*х2 - 0,0001*хз - 0,0677*х4 - 0,5296*х5 + 0,2571*х6 +

0,0188*х7 (3)

в = 59,7827 + 38,4677*Х1 + 0,0094*х2 - 0,0006*хэ + 0,3084*х< +1,7086*х5 - 0,4565*х6 -0,1138*Х7 (4)

где Б-средний размер кристаллов, нм; Б-удельная поверхность, м2/г; Хр степень замещения; Х2- скорость перемешивания реагентов, об/мин; хз-скорость приливания кислоты, см3/мин; Х4- время созревания, ч; Х5- концентрация кислоты, %; Хб- температура синтеза, °С; Х7- температура обработки, °С.

Определение гранулометрического состава образцов 81-ГАП Известно, что многие свойства Таблица 3

порошков, прежде всего сорбционная Гранулометрический состав образцов 81-ГАП

способность в значительной степени зависят от дисперсности. Анализ дисперсного состава является обязательным методом контроля во всех технологических процессах, связанных с изготовлением и переработкой порошкообразных

материалов. В данной работе гранулометрический состав (дисперсность) исследуемых порошков определяли методом динамического рассеяния света на лазерном анализаторе размеров частиц М1сго1тас 8-3500. Гранулометрический состав агломерированных прошков БьГАП представлен в табл. 3.

По результатам исследования установлено, что все образцы можно отнести к полидисперсным материалам. В исследуемых порошках присутствуют агломерированные частицы в основном имеющие размер около 2 мкм. При увеличении степени замещения фосфат-ионов силикат-ионами в структуре ГАП от 0,5 до 2 содержание фракций агломератов размером 1-2 мкм уменьшает от 60 % до 38 %, а содержание фракций агломератов размером 2-3 мкм возрастает от 24 % до 39 %. В то же время, наблюдается повышение содержания фракций агломератов размером больше 10 мкм у образца БьГАП при х = 2 по сравнению с остальными образцами. Это подтверждает, что с ростом степени замещения

Образцы Размер агломератов, мкм

1-2 | 2-3 | 3-5 | 5-10 | > 10

Содержание фракций, %

вЬл-ГАП 60,27 24,38 7,52 7,73 0,1

ЗЬ.о-ГАП 55,36 25,23 16,60 2,71 0,10

вм^-ГАП 40,36 28,93 22,31 8,30 0,10

8;2.о-ГАП 38,05 39,42 13,20 5,43 3,90

фосфат-ионов силикат-ионами способность к агломерации частиц БьГАП увеличивается.

Особенности адсорбции белков на поверхности 81-ГАП

Адсорбция биомолекулы на поверхности имплантатов является ключевым процессом для адгезии клеток и роста новой костной ткани и играет значительную роль в процессе заживления кости. На процессы минерализации значительное влияние оказывают взаимодействия с неколлагеновыми белками, в частности альбумином или фосфопротеином. В среде организма поверхность имплантируемого материала адсорбирует белки плазмы. К адсорбированным белкам затем прикрепляются клетки - остеобласты, синтезирующие коллаген матрикса, который далее подвергается минерализации. Поэтому в настоящей работе изучались механизмы и закономерности процессов, протекающих в организме с участием гидроксиапатитов, в частности адсорбции альбумина.

Изучение кинетики процесса сорбции альбумина на образцах Б^ГАЛ в статических условиях при температуре 25 ± 2 °С и рН = 7,4 выявило, что время достижения стационарного состояния составляет 5 - 6 ч. Дальнейшее увеличение времени экспозиции до трех суток не приводило к существенному изменению равновесной концентрации белка. В дальнейшем сорбцию проводили 24 ч рН растворов поддерживали на уровне 7,4, что соответствует концентрации ионов водорода в межтканевой среде.

Механизм адсорбции белков, на наш взгляд, представляется следующим. На поверхности кальций-фосфатных частиц сначала формируется слой анионов Нз-аР04а" (0<а<3) и ОН" групп, вследствие чего образуется двойной электрический слой вокруг их поверхности. Далее на поверхности БьГАП возникает электростатическое взаимодействие между заряженными группами белков и Са2+ или Р043~/8Ю44\ Кроме того, может иметь место наличие водородных связей между соседними молекулами белков и полярной поверхностью. В данном случае карбоксильные группы альбумина за счет электростатического взаимодействия адсорбируются на адсорбционных центрах Са2+ у поверхности БьГАП. Достигнув гидроксиапатитовой поверхности, конформация альбумина может меняться из-за образования связей между 1Шз+ и Р043"/8Ю44~. Это предположение подтверждается результатами измерения значений дзета-потенциала исследуемых образцов до и после сорбции альбумина (Со = 5 г/дм3, рН =7,4) (табл. 4).

Таблица 4

Образцы Дзета-потенциал, мВ

До сорбции альбумина После сорбции альбумина

ГАП +13,4 -5,3

йо,а-ГАП + 10,1 -8,5

8м,о-ГАП +8,3 -13,6

вЬ-ГАП +7,5 -16,8

812.о-ГАП +6,9 -24,3

Рис. 11. Изотермы сорбции альбумина на образцах ГАП и БЬГАП

Из табл. 4 следует, что процесс адсорбции альбумина сопровождается как изменением абсолютной величины дзета-потенциала ГАП и ЯьГАП, так и знака заряда - с положительного на отрицательный. Можно предположить, что макромолекула альбумина, которая обладает отрицательным зарядом при рН = 7,4 (изоэлектрическая точка равна 4,8), электростатически закрепляется на поверхности нанокристалла гидроксиапатитов и осуществляет поверхностное модифицирование, что приводит к перераспределению электрических зарядов на поверхности частиц ГАП и ЗьГАП. Из-за высокого сродства альбумина к частицам БьГАП заряд его понижается до -24,3 мВ, в то время как заряд частиц ГАП - только до -5,3 мВ.

На рис. 11 приведены изотермы адсорбции альбумина на поверхности ГАП и ЗьГАП в диапазоне равновесных концентраций раствора от 0,5 г/дм3 до 13,5 г/дм3. Показано, полученные изотермы имеют вид классической изотермы Ленгмюра. Величины предельной адсорбции альбумина из водных растворов на образцах гидроксиапатитов в области равновесных концентраций от 4,5 г/дм3 до 13,5 г/дм3 практически не изменяются, что свидетельствует о насыщении доступной поверхности исследуемых порошков.

В табл. 5 представлены сорбционные характеристики 81-ГАП по отношению к альбумину, рассчитанные по уравнению Ленгмюра.

Таблица 5

Сорбционные характеристики 81-ГАП по отношению к альбумину

Образцы Г„м, мг/г К, дм3/г Я2

ГАП 119,1 2,71 0,9994

81О.!-ГАП 133,3 1,92 0,9995

БЬ.о-ГАП 140,8 2,29 0,9997

8И.5-ГАП 153,9 3,25 0,9998

812.о-ГАП 166,7 3,16 0,9994

Коэффициенты корреляции (II2) при преобразовании изотерм сорбции в линейную форму составляют от 0,9994 до 0,9998, что указывает на хорошую линейную корреляцию С/Г от С. Следовательно, адсорбция альбумина на ГАП и БьГАП хорошо описывается уравнением Ленгмюра. Таким образом, в рассмотренном интервале концентраций на гидроксиапатитовой поверхности образуется монослой макромолекул альбумина. Предельная адсорбция образцов составила от 119 до 167 мг/г. Причём, у кремнийсодержащего гидроксиапатита эта величина выше, чем у немодифицированного ГАП. С ростом степени замещения от 0,5 до 2,0 адсорбционная способность порошков БьГАП по отношению к альбумину повышается в 1,3 раза. Полученные данные хорошо коррелируют с величиной удельной поверхности и пористостью образцов. Чем выше значения удельной поверхности и объема пор, тем лучше адсорбционные свойства данных образцов.

Благодаря высокой сорбционной способности к белкам, помимо традиционных предложений в медицинской практике, БьГАП может успешно применяться в качестве хроматографических сорбентов для разделения белков и ДНК.

Сорбционная способность вьГАП по отношению к тяжелым металлам на примере меди

В связи с высокой способностью к изоморфному замещению и сорбционной активностью в отношении тяжелых металлов и радионуклидов в последние годы ведутся интенсивные исследования по использованию синтетических

гидроксиапатитов в качестве сорбентов для решения экологических проблем при очистке сточных вод, содержащих фториды и тяжелые металлы, а также при восстановлении загрязненных почв. Перспективным представляется использование гидроксиапатитов в качестве сорбента для выведения ионов тяжелых металлов из организма человека. В связи с этим было проведено изучение сорбционной активности нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита в отношении тяжелых металлов на примере меди. Медь является веществом, незаменимым в организме человека. Однако в больших дозах медь может вызвать анемию, повреждения печени и почек, и раздражения желудочно-кишечного тракта.

При изучении кинетики процесса сорбции ионов Си2+ на образцах вьГАП в статических условиях при температуре 25 ± 2 °С установлено, что время достижения стационарного состояния составляло 60 мин. Методом переменных концентраций получены изотермы сорбции меди на поверхности ГАП и ЗЬГАП (рис. 12). Сорбционные характеристики БьГАП по отношению к ионам меди, рассчитанные по уравнению Ленгмюра, приведены в табл. 6.

МАП

2-Ч1-ГАП (х=0,5)

3-51-ГАП (х=1.0)

4-&-ГАП (х=1.5)

5-81-ГАП <х=2,0)

0,06 0.08 0,1 С{Са2+), моль/дм'

0,18 0,16 0.14 0.12 0,10 0,08 0,06 0,04 0.02

1-ГАП

г-ЙЬГАП (х-0,5) 3^1-ГАП (х-1/Л

0.04 '1.06 0,08 0,1 С(Си2+), моль/дм1

Таблица 6 Сорбционные характеристики 81-ГАП по отношению к меди

X мг/г К Я2

0 28,16 540 0,9988

0,5 42,88 480 0,9977

1,0 49,92 441 0,9936

1,5 69,\2 309 0,9976

2,0 81,28 153 0,9976

Рис. 12. Изотермы сорбции ионов Си2+ на синтетических Э^ГАП (а) и их линеаризованный вид (б)

Из табл. 5 следует, что величины полной сорбционной емкости исследуемых образцов составляют от 28 мг/г до 81 мг/г. Сорбционная способность синтезированных порошков по отношению к ионам Си2+ увеличивается с ростом степени замещения фосфат-ионов силикат-ионами. При этом наибольшую сорбционную активность проявляет 812,о-ГАП, примерно в 2,5 раза выше, чем у немодифицированного гидроксиапатита. Коэффициенты корреляции (Я2) составили 0,9936 - 0,9988, что указывает на хорошую линейную зависимость С/Г от С, следовательно, данный процесс сорбции успешно описывается уравнением Ленгмюра.

20 15

ю

5 ■ 0

у = 884,57х - 2,0325 Я2 = 0,9956

0,02 0,03

С (Си2+), моль/дм3

л

И Са 1 1 ?

1.00 2 со э.ое «.00 5.СО £.00 7.00 В.00 5.00 каУ

Рис. 13. Вытеснение Са2+ на образце 812.0- - Рис. 14. Энергодисперсионный спектр Sii.ii-ГАП в результате сорбции ионов меди ГАП после сорбции меди

В ходе сорбции наблюдали, что по мере увеличения концентрации ионов меди количество ионов кальция, выделявшихся в раствор, линейно возрастает (рис. 13), что предполагает возможность ионообменного механизма сорбции. Однако по теории ионообменной адсорбции, если твердый сорбент, несущий на своей поверхности двойной электрический слой, поместить в раствор электролита, то противоионы этого сорбента будут обмениваться на ионы того же знака из раствора. Наши результаты измерения дзета-потенциала показали, что частицы Si-ГАП в нейтральной среде до сорбции ионов меди несут положительный заряд и, следовательно, ионы Са2+ не могут выступать в качестве противоионов в двойном электрическом слое, а скорее всего являются потенциалопределяющими. Таким образом, с учетом вышеперечисленных фактов можно сделать вывод, что процесс сорбции ионов Си2+ кремнийсодержащими гидроксиапатитами протекает не по катионообменному механизму, а вероятнее всего связан с изоморфным замещением с образованием медь-кремнийсодержащего гидроксиапатита Cai0-yCuy(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x-

Кроме того, при выдерживании в водном растворе определенная часть исследуемых образцов растворяется и выделившиеся ионы образуют с ионами Си2+ малорастворимые соединения. РФА показал, что в образцах Si-ГАП после сорбции Си2+ обнаруживается фаза Сиз(Р04)2. На энергодисперсионным спектре (рис. 14) видно, что кроме составляющих Si-ГАП элементов, в структуре кристаллов образца после сорбции присутствует медь. Таким образом, сорбция ионов Си2+ кремнийсодержащими гидроксиапатитами происходит преимущественно по механизму изоморфного замещения и химического осаждения.

Исследование медико-биологических свойств нанокристаллического Si-ГАП

Для биоматериалов, используемых для восстановления поврежденной костной ткани, определющими медико-биологическими свойствами являются биорезорбируемость и биосовместимость.

Когда биоматериалы вводятся в живой организм для восстановления поврежденной костной ткани, происходит резорбция вводимого биоматериала, в результате чего в межтканевую жидкость поступают ионы, которые с определенной скоростью поглощаются в процессе построения новой кости. Однако существующие модельные растворы, используемые для определения биорезорбируемости, позволяют моделировать либо процесс резорбции либо процесс формирования новой кости. В связи с этим была разработана новая методика оценки биорезорбируемости синтетических гидроксиапатитов, которая одновременно моделирует процессы резорбции биоматериалов и регенерации костной ткани в живом организме. Новая модельная система представляет собой комбинированный раствор SBF (simulated body fluid-среда, моделирующая межтканевую жидкость организма) и ЭДТА с С(1/2 ЭДТА) = 0,1М. В данном модельном растворе ЭДТА выполняет функцию лиганда, который связывает выходящие из Si-ГАП ионы Са2+ в прочный комплекс, имитируя процесс поглощении ионов растущей костью. Результаты исследования представлен на рис. 15.

Показано, что кинетика растворения всех исследуемых образцов описывается

идентичными кривыми. Образцы Si-ГАП имеют повышенную биорезорбируемость по сравнению с немодифицированным ГАП. Это может быть связано с тем, что ионный радиус Si4+ равен 0,040 нм и длина связи Si-0 в тетрагональной системе координат составляет 0,161 нм, что больше, чем аналогические характеристики у фосфора (0,038 нм 0,155 нм, соответственно), поэтому замещение РО43" на Si044 создает искажения, напряжение и нестабильность в структуре ГАП, что приводит к повышению его растворимости и, как следствие, к увеличению биорезорбируемости. При повышении степени замещения фосфат-ионов силикат-ионами биорезорбируемость Si-ГАП возрастает. Полученные данные по изучению биорезорбируемости могут также быть объяснены разницей в удельной поверхности образцов. Чем выше значение удельной поверхности, тем лучше резорбируются данные образцы и наоборот.

Оценка биосовместимости нанокристаллического Si-ГАП «in vivo»

Исследование по оценке биосовместимоси in vivo синтезированных нанокристаллических образцов Si-ГАП было проведено на беспородных лабораторных белых мышах. Материалы инокулировали под кожу в прослойку соединительной ткани, расположенную на спине подопытного животного. Через 7 дней после операции оценивали реакцию окружающих тканей на инокуляцию материалов. Оценку морфологии образцов проводили при помощи стереомикроскопа Leica EZ4D. В ходе исследования установлено, что все образцы являются биосовместимыми и не вызывают дегенеративных изменений в живых тканях. Таким образом, синтезированный биоматериал можно успешно использовать в медицинских приложениях для замены, восстановления или реставрации поврежденных костей и зубов.

Четвертая глава посвящена производственной апробации нанокристаллического Si-ГАП. На основании результатов исследований была разработана технология получения нанокристаллического Si-ГАП медицинского назначения с требуемыми характеристиками. На опытно-экспериментальном заводе «ВладМиВа» (г. Белгород) организована опытная технологическая линия, на которой выпущена опытно-промышленная партия нанокристаллического Si-ГАП со следующими характеристиками: средний размер кристаллов ~ 9 нм, удельная поверхность -220 м2/г, степень кристалличности 97%, объем пор 0,3 см3/г, средний размер пор ~6 нм, содержание кальция, фосфора и кремния -40,82 %, 15,80 % и 2,79 % соответственно, молярное соотношение Ca/(P+Si) = 1,67. Результаты испытаний опытно-промышленной партии Si-ГАП показали, что выпускаемые образцы Si-ГАП соответствуют техническим условиям 2148-002-02079230-2011, предъявляемым к биоматериалам, исспользуемые как компоненты остеопластических материалов для восстановления дефектов костных тканей, а также профилактических и эндодонтических материалов для стоматологии.

, Г4П J Sl-r.UI(l-lJ)

¡-а-ГАПи-юд »-а-ГАП(,-2.о> Э-&1-ГЛЩХМ.0)

Рис.15. Кинетика растворения Si-ГАП

В приложениях к диссертации приведены: акты выпуска и испытания опытно-промышленной партии БьГАП, акт внедрения результатов исследований в производство и учебный процесс, патент, а также опытно-промышленный регламент по производству нанокристаллического БьГАП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан способ получения нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита медицинского назначения с требуемыми характеристиками. Предложенный способ позволяет получать монофазные порошки ЗьГАП со средним размером кристаллов от 3 нм до 30 нм и удельной поверхностью от 20 м2/г до 130 м2/г, обладающие высокими биосовместимостью и биорезорбируемостью. Показано, что внедрение силикат-ионов в кристаллическую решетку ГАП приводит к уменьшению среднего размера кристаллов почти в 3-6 раз. Порошки БиГАП обладают более развитыми удельной поверхностью и пористостью по сравнению с немодифицированным гидроксиапатитом.

2. Выявлен механизм формирования фазы 8ьГАП при осаждении из водных растворов. Установлено, что процесс образования фазы ЗьГАП протекает в несколько стадий: гидролиз ТЭОС до образования ортокремниевой кислоты, вступающей в реакцию с гидроксидом кальция с образованием малорастворимого силиката кальция; образование промежуточного продукта аморфного фосфата кальция Саз(Р04)г, который в процессе частичного растворения-осаждения превращается в гидроксиапатит; растворение силиката кальция с выходом в раствор ионов ЗЮ/", которые далее встраиваются в кристаллическую решетку ГАП с образованием кремнийсодержащего гидроксиапатита. Рассчитана кажущаяся энергия активации процесса роста кристаллов, которая составила 12,6 кДж/моль.

4. Проведено комплексное исследование влияния условий синтеза на структурно-морфологические и коллоидно-химические характеристики ЗьГАП. На основании результатов регрессионного анализа получены математические модели, позволяющие выбирать параметры синтеза для получения ЗьГАП с требуемыми структурно-морфологическими и коллоидно-химическими характеристиками.

5. Исследована сорбционная способность образцов 5ьГАП по отношению к альбумину и тяжелым металлам на примере меди (II). Установлено, что нанокристаллический кремнийсодержащий гидроксиапатит сорбирует альбумин и ионы Си2+ примерно в 1,5-2,5 раза выше, чем немодифицированный нанокристалический гидроксиапатит. Величины полной сорбционной емкости синтезированных образцов 81-ГАП в отношении ионов Си2+ и альбумина составляли от 42-81 мг/г и 133-167 мг/г, соответственно. Сорбционная способность БьГАП возрастает по мере увеличения степени замещения фосфат-ионов силикат-ионами. Выявлено, что сорбция ионов меди кремнийсодержащим гидроксиапатитом происходит преимущественно по механизму изоморфного замещения и химического осаждения, а при сорбции альбумина определяющим фактором является электростатическое взаимодействие.

6. Изучены медико-биологические свойства синтезированного нанокристаллического Si-ГАП. В экспериментах in vivo на беспородных лабораторных белых мышах установлено, что Si-ГАП является биосовместимым материалом и не вызывает дегенеративных изменений в окружающих тканях при введении в живые организмы. Выявлена тенденция увеличения биорезорбируемости Si-ГАП при повышении степени замещения фосфат-ионов силикат-ионами. Предложена новая методика определения биорезорбируемости, которая более точно моделирует процессы регенерации костной ткани в живом организме.

7. Разработана технология производства монофазного нанокристаллического Si-ГАП. Выпущена опытно-промышленная партия монофазного нанокристаллического Si-ГАП со следующими характеристиками: средний размер кристаллов ~ 9 нм, удельная поверхность -220 м2/г, степень кристалличности 97%, объем пор 0,3 см3/г, средний размер пор -6 нм и молярное соотношение Ca/(P+Si) = 1,67. Установлено, что показатели опытно-промышленной партии Si-ГАП соответствуют требованиям, предъявляемым к биоматериалам медицинского назначения.

8. Результаты выпуска и ипытаний нанокристаллического Si-ГАП послужили основанием для организации производства нанокристаллического кремнийсодержащего гидроксиапатита как компонента остеопластических материалов для восстановления дефектов костных тканей на основе минерального сырья, профилактических биоматериалов и эндодонтических материалов для стоматологии на ЗАО «ОЭЗ «ВладМиВа».

Экономический эффект от внедрения монофазного биосовместимого и биорезорбируемого нанокристалличекого кремнийсодержащего гидроксиапатита медицинского назначения составит до 9 млн. руб. в год при объеме выпуска 18 кг.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Патент

1. Пат. 2500840 Российская Федерация, МПК С30В 29/14, С01В 25/32, C01B 33/24, A61L 27/12, B82B 3/00, B82Y 30/00. Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита / Трубицын М. А., Габрук H. Г., Доан Ван Дат, Ле Ван Тхуан; заявитель и патентообладатель Белгородский государственный национальный исследовательский университет - № 2012130118/05; заявл. 16.07.2012; опубл. 10.12.2013, Бюл. № 34. - 18 с.

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных

ВАК РФ

2. Ле Ван Тхуан. Исследование особенностей сорбции альбумина на синтетических наноразмерных кремнийэамещенных гидроксиапатитах / Ле Ван Тхуан, M. А. Трубицын, H. Г. Габрук, И. И. Олейникова, Е. А. Гудкова, Доан Ван Дат, Нгуен Фук Као, Фам Тхи Тхуан // Сорбционные и хроматографические процессы. -2015.-Т. 15.-Вып. 1.-С. 100-109.

3. Трубицын, M. А. Исследование биоактивности и сорбционных свойств нанораэмерного кремнийсодержащего гидроксиапатита / M. А. Трубицын, H. Г. Габрук, И. И. Олейникова, Ле Ван Тхуан, Доан Ван Дат, Хоанг Вьет Хунг//Ж. Фундаментальные исследования. -2014. - №1. - С. 71-75.

4. Трубицын, M. А. Синтез модифицированных наногидроксиалатитов методом осаждения из растворов и исследование их резорбируемости / M. А. Трубицын, Н. Г Габрук, И. И. Олейникова, Ле Ван Тхуан, Доан Ван Дат // Научные ведомости БелГУ. - 2012. - № 3 (122). - С. 180-185.

5. Трубицын, М. А. Исследование резорбируемости и биосовместимости модифицированных наногидроксиапатитов / M. А. Трубицын, H. Г. Габрук, С. В. Надеждин, Ле Ван Тхуан, Доан Ван Дат // Научно-практический рецензируемый журнал Нанотехнологии и Охрана Здоровья. Издательский Дом «ВЕЛТ», Национальный союз «Медико-биологическая зашита», Москва.- 2013. - Том V. - № 3 (16) -С. 44-48.

6. Трубицын, М. А. Влияние температуры термической термообработки на фихзико-химические и биологические характеристики кремнийсодержащего гидроксиапатита / М. А. Трубицын, H. Г. Габрук,

Jle Ван Тхуан, Доан Ван Дат, И. И. Олейникова // Научные ведомости БелГУ. Серия Естественные науки. -2013.-№24(167).-С. 121-124.

Публикации в международных журналах, индексируемых в SCOPUS

7. Troubitsin, М. A. Research of Reagent Concentration Effect and the Synthesis Temperature on the Physicochemical Characteristics of Nano-Sized Silicon-Containing Hydroxyapalite / M. A. Troubitsin, N. G. Gabruk, 1.1. Oleynikova, Le Van Thuan, Doan Van Dat // Res J Pharm Biol Chem Sei. - 2014. - Vol. 5. -P. 1703-1706.

8. Trubitsyn, M. A. The Comparative Characteristic of Physical, Chemical and Bioactive Properties of the Synthesized Hydroxyapatites / M. A. Trubitsyn, N. G. Gabruk, Le Van Thuan, Doan Van Dat // Global Journal of Pharmacology. - 2013. - Vol. 7 (3). - P. 342-347.

Публикации в других изданиях

9. Трубицын, М. А. Физико-химические методы в оценке биоактивности кремнийсо держащего гидроксиапатита / М. А. Трубицын, Н. Г Габрук, И. И. Олейникова, Jle Ван Тхуан, Доан Ван Дат // Международный журнал экспериментального образования. - 2012. - № 6. - С. 129-130.

10. Трубицын, М. А. Синтез перспективных материалов для костной хирургии и стоматологии на основе модифицированных нанораэмерных гидроксиапатитов / М. А. Трубииын, Н. Г Габрук, И. И. Олейникова, Jle Ван Тхуан, Доан Ван Дат -фармаком. -2011. - № 3. - С. 35-39.

11. Трубицын, М. А. Синтез и исследование морфологии модифицированных нанораэмерных гидроксиапатитов / М. А. Трубицын, Н. Г Габрук, И. И. Олейникова, Jle Ван Тхуан, Доан Ван Дат, Г. Е. Темирханова// Вестник: серия химическая. КазНУ им. аль -Фараби. -2011. -№ 3(63). - С. 163-167.

12. Трубицын, М. А. Синтез и исследование физико-химических и биологических свойств кремнийсодержащего гидроксиапатита / М. А. Трубицын, Н. Г. Габрук, Jle Ван Тхуан, Доан Ван Дат, А. А. Бузов, В. П. Чуев // Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине: материалы III Международной научно-практической конференции; Томский политехнический университет. -Томск: Изд. Томского политехнического университета, 2013. -С. 166-170.

13. Jle Ван Тхуан. Исследование особенностей адсорбции белков на синтетических нанораэмерных гидроксиапатитах / Jle Ван Тхуан, М. А. Трубицын, Н. Г. Габрук, И. И. Олейникова, Е. А. Гудкова, Доан Ван Дат, Нгуен Фук Као // Сорбционные и ионообменные процессы в нано- и супрамолекулярной химии: материалы Всероссийской научной конференции с международным участием (Белгород, 22-24 сентября 2014 г.). - Белгород : Изд. «Белгород» НИУ «БелГУ». - 2014. - С.180-187.

14. Трубицын, М. А. Морфологические исследования биорезорбируемых материалов на основе кремнийсодержащего наногидроксиапатита / М. А. Трубицын, Н. Г Габрук, И. И. Олейникова, Jle Ван Тхуан, Доан Ван Дат // Экология - образование, наука, промышленность и здоровье: сборник докладов IV Международной научно-практической конференции. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - 4.1. - С. 316-320.

15. Jle Ван Тхуан. Влияние параметров синтеза на размер наночастиц кремнийсодержащего гидроксиапатита / Jle Ван Тхуан, Доан Ван Дат // Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов: Сборник докладов V Всероссийской научно-практической конференции. В 2 т. Т. 1 / Томский политехнический университет. - Томск, 25 - 27 апреля 2012 года. Томск: Издательство ТПУ, 2012.-С. 358-361.

16. Jle Ван Тхуан. Исследование реэорбируемости, биосовместимости и сорбционных свойств наногидроксиапатита, модифицированного силикат-анионами / Jle Ван Тхуан, Доан Ван Дат, Хоанг Вьет Хунг // Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов: Сборник докладов VI Всероссийской научно-практической конференции. В 2 т. Т. 1 / Томский политехнический университет. - Томск, 24 - 26 апреля 2013 года. Томск: Издательство ТПУ, 2013. - С. 88-93.

17. Jle Ван Тхуан. Химический аспект синтеза кристаллического кремнийэамещенного гидроксиапатита / Jle Ван Тхуан, Доан Ван Дат // Менделеев-2013. Нанохимия и наноматериалы. Седьмая всероссийская конференция молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием по химии и нанотехнологиям. Тезисы докладов. - СПб. : Издательство Соло, 2013. - С. 240.

18. Трубицын, М. А. Изучение влияния условий обработки на свойства кремнийсодержащего наногидроксиапатита / М. А.Трубицын, Н. Г. Габрук, Ле Ван Тхуан, Доан Ван Дат // Высокие технологии в современной науке и технике: сборник научных трудов III. Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» / под ред. В.В. Лопатина, А.Н. Яковлева; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета. - 2014. -С. 114-117.

19. Ле Ван Тхуан. Сравнительный анализ свойств различных форм наноразмерного синтетического и природного гидроксиапатита / Ле Ван Тхуан, Доан Ван Дат, Фам Тхи Тхуан // Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов: Сборник докладов VII Всероссийской научно-практической конференции. В 3 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. - Томск, 23 - 25 апреля 2014 года. Томск: Издательство ТПУ. -2014. - С. 231-237.

20. Ле Ван Тхуан. Синтез и исследование морфологии кремнийэамещенного наноразмерного гидроксилапатита / Ле Ван Тхуан, Доан Ван Дат, Г. Е. Темирханова И Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов: Сборник докладов IV Всероссийской научно-практической конференции. Томск, 24 - 26 мая 2011 года. Томск: Издательство ТПУ, 2011. - С. 346-349.

Jle Ван Тхуан

КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СИНТЕЗА ГИДРОКСИАПАТИТА, МОДИФИЦИРОВАННОГО СИЛИКАТ-ИОНАМИ

02.00.11 - Коллоидная химия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.07.2015. Формат 60x84/16. Гарнитура Times. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 187. Оригинал-макет подготовлен и тиражирован в ИД «Белгород» НИУ «БелГУ»

15 — 951

2015673961

IIIIIIIIIMIIIIIIIIIIIIII