Направленный синтез высокодисперсных материалов на основе гидроксилапатита тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Вересов Александр Генрихович

НАПРАВЛЕННЫЙ СИНТЕЗ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОКСИЛАПАТИТА

02.00.01 - Неорганическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2003 г.

Работа выполнялась на Факультете наук о материалах и в лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии Химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор химических наук, академик РАН

Третьяков Юрий Дмитриевич

кандидат химических наук, доцент Путляев Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Лазоряк Богдан Иосипович (Химический факультет МГУ) доктор химических наук, профессор Ярославцев Андрей Борисович (ИОНХ РАН)

Ведущая организация: Институт физико-химических проблем керамических

материалов РАН

Защита состоится «12» сентября 2003 года в 16.10 на заседании Диссертационного Совета Д 501.002.05 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 199992 Москва, Ленинские горы, МГУ им. МВ. Ломоносова, Химический факультет, ауд. 446.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « 14 » июля 2003 года. Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 501.002.05

Еремина Е. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Увеличение продолжительности жизни, которое должно стать характерной чертой нового тысячелетия, требует решения ряда медико-материаловедческих проблем, в частности, создания материалов для искусственных органов и тканей. В настоящее время рынок биоматериалов оценивается суммой ~3 млрд.$, прогнозируемый годовой прирост составляет 10%, а объемы требуемых материалов оцениваются на уровне десятков тонн. При утрате значительных по размеру участков кости (вследствие ее повреждения или после удаления опухоли) возникает необходимость в возмещении возникшего дефекта. Число больных, нуждающихся в операциях по восстановлению целостности костей, очень велико - только в США это более 1 млн. человек ежегодно.

Создание биоматериалов для замены поврежденной костной ткани - перспективная, бурно развивающаяся область исследований. Костная ткань представляет собой композиционный материал на основе ультрадисперсного карбонатсодержащего гидроксилапатита Саю-х-у/2(НР04)х(СОз)у(РО4)б-х.у(0Н)2.х и белка коллагена с многоуровневой структурной организацией компонентов.

В силу сходства химического состава, материалы на основе фосфатов кальция находят широкое применение в медицине при операциях по восстановлению целостности поврежденной кости. Считается, что не только химический состав, но и морфология синтетических кристаллов гидроксилапатита является важной характеристикой, определяющей отклик организма на чужеродный материал. С этой точки зрения идеальным является материал, химический состав и гранулометрия которого подобны костному биоминералу: нестехиометрический гидроксилапатит Са10.х(НРО4)х(РО4)б-х(ОН)2.х (0<х<1) с кристаллами в форме пластин размерами 40 х 20 х 5 нм и осью "с" кристаллической структуры, лежащей в плоскости кристалла.

В настоящее время в медицинской практике наиболее широко используются крупнокристаллические керамические материалы в форме плотных и пористых блоков и гранул. Клинические испытания показали, что крупнокристаллический гидроксилапатит (ГАП) значительно медленнее превращается в новую костную ткань по мере резорбции (растворения в организме) в отличие от высокодисперсных материалов - аморфного фосфата кальция (АФК) или нанокристаллических фосфатов кальция.

Разработанные к настоящему времени растворные методы синтеза ГАП позволяют получать высокодисперсные порошки, форма частиц которых, в зависимости от условий синтеза, непредсказуемо варьируется в широких пределах от равноосной до игольчатой. Тем не менее, информация о влиянии параметров синтеза ГАП на морфологию конечного продукта, выраженная в явном и количественном виде, отсутствует. Отмечается, что образцы порошков фосфатов кальция, полученные в рамках одинаковой методики синтеза, вызывают

различную реакцию организма, вплоть до полного отторжения материала. В этой связи возникает целый ряд химико-материаловедческих задач в области синтеза фосфатов кальция с заданным составом и микроморфологией, оценки их будущей биоактивности in vitro и разработки приемов корректировки биоактивности путем химического модифицирования полученного порошка.

Целью работы являлся направленный синтез биологически активных фосфатов кальция с заданным составом и микроморфологией и создание биорезорбируемых композиционных материалов на их основе.

«Биоактивность» - комплексная характеристика совместимых с организмом материалов, учитывающая, помимо биологических процессов роста и дифференциации клеток, также:

(а) скорость растворения материала в слабокислой среде, создаваемой определенными группами клеток;

(б) скорость осаждения гидроксилалатита из межтканевой жидкости организма на поверхности материала.

В данной работе процессы растворения и осаждения ГАП изучались в модельных растворах, имитирующих состав жидких сред организма.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Систематическое исследование влияния параметров синтеза ГАП методом осаждения (рН, температура, состав раствора, ионная сила, время синтеза) на микроморфологию и состав получаемого фосфата.

2. Исследование кинетики синтеза ГАП путем гидролиза других ортофосфатов кальция; выявление влияния условий гидролитического синтеза на морфологию кристаллов ГАП.

3. Модификация химического состава ГАП с целью повышения его биоактивности; оценка биоактивности полученных материалов в процессе модельных реакций растворения/осаждения in vitro.

4. Создание модельных композиционных материалов типа ГАП/биополимер и многокомпонентных цементов на основе синтезированных в работе фосфатов кальция.

Научная новизна работы состоит в следующих положениях, которые выносятся на защиту:

1. Систематически исследовано влияние параметров (факторов) синтеза ГАП методом осаждения из растворов солей (начальная концентрация реагентов, рН, температура) на размер и форму получаемых кристаллов. Морфологические характеристики кристаллов ГАП были установлены в результате совместного применения полнопрофильного рентгенографического анализа и просвечивающей электронной микроскопии.

2. В результате регрессионного анализа морфологических характеристик кристаллов получены математические модели, позволяющие количественно оценить факторы синтеза ГАП методом осаждения. Установлен значительный вклад двойных эффектов взаимодействия факторов при синтезе ГАП из Ca(N03)2 и тройного эффекта при синтезе из Са(СНзСОО)2. Интерпретация регрессионных моделей дана на основании расчетов ионных равновесий в растворах солей.

3. Впервые обнаружена мезопористая структура аморфного фосфата кальция с размерами пор 5 - 50 нм и предложена модель ее образования. Изучено наследование пористости навокристаллами ГАП, полученными кристаллизацией АФК.

4. Показано, что при синтезе ГАП гидролизом трикальциевого фосфата а-Саз(Р04)2 (ТКФ) с примесью гидроксилапатита скорость реакции падает с увеличением степени химической неоднородности материала, задаваемой соотношением Са/Р исходных реагентов при синтезе ТКФ. Впервые оатмечено, что рост температуры гидролиза приводит к изменению морфологии ГАП с пластинчатой (при 40 °С) на игольчатую (при 100 °С).

5. Предложен метод синтеза, позволяющий проводить химическую модификацию ГАП посредством частичного замещения фосфатных групп на силикатные (до 4% вес. кремния). Показано, что кремнийсодержащий ГАП обладает большей растворимостью в слабокислых растворах по сравнению с незамещенным гидроксилапатитом.

Практическая значимость работы

1. Получены регрессионные уравнения, позволяющие путем выбора определенных параметров растворного синтеза проводить направленное получение высокодисперсных порошков ГАП с кристаллами требуемого размера, формы и состава. Для контроля микроморфологии получаемых кристаллов может быть использована апробированная в работе методика полнопрофильного рентгенографического анализа в варианте для анизотропной частицы.

2. Полученные в работе порошковые материалы ранжированы по биоактивности на основании скорости растворения при pH = 4-6. Использованная методика может быть рекомендована как простой прием предварительного тестирования биоматериалов in vitro.

3. Предложены цементные смеси фосфатов и силикатов кальция, компактные материалы на основе которых демонстрируют прочность 5-13 МПа после трехдневной обработки в растворе искусственной межтканевой жидкости и могут быть использованы в стоматологии для заполнения внутренних полостей зубной ткани любой формы. Методом двойной диффузии через проницаемую полимерную мембрану получены композиционные материалы ГАП/желатин; примененная методика может быть использована для биомиметического синтеза резорбируемых композитов.

4. Рекомендовано использовать мезопористый АФК с высокоразвитой поверхностью, а также цементные материалы с добавками биополимера, в качестве систем-носителей

лекарственных препаратов локального пролонгированного действия. Данная идея реализована на примере инкапсуляции антибиотика широко спектра действия (гентамицина) в композит силикофосфатный цемент/желатин.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на 8-ой Международной конференции по химии твердого тела (Осло, Норвегия, 2001 г.), на Международной школе-конференции по электронной микроскопии «Диффузия и реакции на границе раздела фаз» (Галле, Германия, 2001 г.), на Международной школе-семинаре «Нелинейные процессы в дизайне материалов» (Воронеж, Россия, 2002 г.), на 4-ом Международном семинаре «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Астрахань, Россия, 2002 г.), на 2-ой Европейской конференции по медицинским и биологическим технологиям (Вена, Австрия, 2002 г.), на 8-ой Международной конференции-семинаре «Керамика, клетки и ткани» (Фаенца, Италия, 2003 г.), на Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2001, 2002, 2003».

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 11 работах, в том числе в 4-х статьях в российских научных журналах («Российский химический журнал», «Химическая технология», «Вестник ВГТУ») и в тезисах 7 докладов на международных научных конференциях.

Вклад автора в разработку проблемы. В основу диссертации положены результаты научных исследований, выполненных непосредственно автором в период 2000-2003 гг. Работа выполнялась в Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова на Факультете наук о материалах и в лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии Химического факультета.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части и раздела, посвященного методам обработки экспериментальных данных, обсуждения результатов, выводов, списка литературы (152 наименования) и приложения.

Работа изложена на 148 страницах машинописного текста и иллюстрирована 24 таблицами и 103 рисунками.

Настоящая работа является частью систематических исследований, проводимых на Факультете наук о материалах МГУ и в лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии Химического факультета МГУ в рамках программы поддержки ведущих научных школ России (грант НШ-2033.03.2003), часть работы была выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ 02-03-33271, 03-03-42524-з) и программы "Университеты России" (грант УР.06.03.006).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность работы, сформулирована цель и поставлены задачи, показаны научная новизна и практическая значимость работы, обозначены основные этапы исследования.

Первая глава посвящена обзору литературы. В ней рассмотрены структура, состав и свойства костной ткани, описаны основные кристаллохимические особенности апатитов, приведены данные по фазовым равновесиям ортофосфатов кальция и краткие характеристики соединений. В обзоре приводится описание основных методов синтеза гидроксиладатита (ГАП), включая данные о форме и размерах получаемых частиц. Отдельно рассмотрены вопросы, связанные с кинетикой роста гидроксилапатита в водных растворах, влиянием ионного состава среды на морфологию частиц ГАП. Часть литературного обзора посвящена получению и практическому использованию материалов на основе ГАП: керамике, цементам, покрытиям, композитам.

Вторая глава содержит описание основных экспериментальных методик, использованных в работе: способу синтеза гидроксилапатита путем осаждения и гидролиза в водных растворах.

Синтез гидроксилапатита кальция методом осаждения проводили в соответствии с реакцией:

10СаХ2 + 6№2НР04 + 8ЫаОН Саю(Р04)б(0Н)2^ + 2(МаХ + 6Н20, (1) где X =ЫОз\ С1" или СН3СОО .

Раствор соли кальция быстро добавляли к раствору фосфата при интенсивном перемешивании. Для проведения полного факторного эксперимента (плана 23) параметры растворного синтеза варьировали на двух уровнях: концентрация растворов [Са2+] = 5 и 500 мМ (Са/Р=1.67), рН = 7 и 12 (точность поддержания ±0.5); температура синтеза Т = 20 и 80 °С (точность поддержания ±2 °С); длительность остаривания осадка г = 1 и 7 дней.

При получении аморфного фосфата кальция по реакции (1) выполняли следующие требования: высокие начальные значения рН>9, низкие температуры синтеза -5..20 °С, быстрая фильтрация осадка.

Образцы кремнийсодержащего (до 4% вес. кремния) гидроксилапатита получали в водных растворах в присутствии добавок тетраэтоксисилана (ТЕОв). Синтез проводили при рН=12, [Са2+]исх. = 0.3 М и задавали соотношение Са/(Р+31)=1.67 :

(С2Н50)431 + 40Н" = 4С2Н5ОН + 8Ю44" (2)

10Са2++ (6-х)НР043"+х 8Ю44"+(8-2х)ОН'=Са10(РО4)6-х(8Ю4)х(ОН)2.х1+ (6-х)Н20 (3) При получении карбонатапатита малые порции раствора нитрата кальция медленно добавляли к раствору гидрофосфата и карбоната натрия при 80 °С.

После перемешивания осадки отделяли от раствора фильтрованием на бумажном фильтре, промывали водой и ацетоном, сушили на воздухе.

В экспериментах по гидролизу смесь, состоящую из СаНР04-2Н20 (ДКФД) и СаО, диспергировали в 100 мл воды и подвергали ультразвуковой обработке в течение 1 часа при 20 °С. Для сравнения методик проводили синтез ГАП при 60°С из смеси веществ:

6СаНР04-2Н20 + 4Са(ОН)з = Саю(Р04)б(0Н)2 i + 18Н20 (4) Гидротермальную обработку ДКФД проводили при температурах 150, 175 и 200 °С 1,3 и 5 ч в автоклаве оригинальной конструкции с объемом ячейки 40 мл.

Эксперименты по гидролизу трикальциевого фосфата а-Саз(Р04)2 при 20, 40, 60 и 100 °С проводили в открытом сосуде. Суспензию порошка а-Саз(Р04)2 в дистиллированной воде термостатировали в течение 3-170 ч. Гидротермальную обработку трикальциевого фосфата проводили при температурах 150, 175, 200 °С 2 и 5 ч в автоклаве. Осадки фильтровали, промывали дистиллированной водой и ацетоном, сушили на воздухе при 120 °С.

Гидролиз силикокарнотита Ca5(P04)2Si04 и трикальциевого силикофосфата Ca3(P04)rxCa2Si04 (5% вес. Ca2Si04) с образованием гидроксилапатита проводили при 40 °С в течение 1,2,3 дней и при 100 °С - 15, 30,45, 60, 120. 180,300 мин.

В данной работе получали цементы смешенного типа: на основе силикатов и фосфатов кальция. Порошки цементной смеси (Ca(H2P04)2'H20, Саз(Р04)2, СазБЮ?) подвергали интенсивному помолу в мельнице планетарного типа в течение 30 мин до размера частиц 5-15 мкм. В качестве жидкой фазы цементов использовался 0.25 М раствор гидрофосфата натрия. Водоцементное отношение (объем раствора в мл к массе порошка в г) варьировали в диапазоне 0.5 - 0.75 мл/г. Цементную массу компактировали в цилиндры длиной -12 мм, диаметром 6 мм в тефлоновой форме и термостатировали при 37 °С 3 суток в растворе, имитирующем солевой состав межтканевой жидкости.

В качестве основных использовались в работе следующие методы анализа: рентгенография (Си Ка излучение, дифрактометр ДРОН-ЗМ, НПО «Буревестник». СССР), растровая и просвечивающая электронная микроскопия (электронный микроскоп JEM-2000FXII, Jeol, Япония), ИК спектроскопия (спектрометр РЕ-1600 FTIR, Perkin Elmer, США), автоматическая ионометрия (иономер Эконикс-001/4, «Эконикс-Эксперт»; автотитратор АТП-02, НПО «Аквилон», Россия), рентгеноспектральный микроанализ, химический анализ, механические испытания (электромеханическая испытательная машина UTS-100, UTS Telesysteme GmbH, Германия).

Методы обработки экспериментальных данных. Рентгенографическое исследование образцов проводили с целью определения фазового состава материалов, количественного фазового анализа и оценки размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) методом полнопрофильного анализа дифракционных спектров. Для проведения полнопрофильного анализа по методу Ритвельда использовали программу Rietan-94 [1 ].

В ходе данной работы, количественную оценку влияния параметров (факторов) синтеза (pH, температура, состав раствора) на морфологию и состав кристаллов

гидроксилапатита, получаемых методом осаждения, проводили методом ортогональной регрессии (полного факторного эксперимента 23). Каждый из параметров варьировали на двух уровнях.

Расчет ионных и фазовых равновесий различных вариантов растворного синтеза гидроксилапатита проводили с использованием компьютерной программы PHREEQC for Windows, v.1.5.10 для геохимических расчетов низкотемпературных реакций в водных средах [2].

В третьей главе, состоящей из семи частей, представлены полученные результаты и их обсуждение. В части I обсуждается влияние параметров синтеза (pH, начальных концентраций, температуры) на размер и форму частиц гидроксилапатита, получаемых методом осаждения. Именно такая информация, выраженная в количественном виде, была впервые получена в настоящей работе. Помимо указанных факторов, учитывали еще один дополнительный - анионный состав раствора (т.е., природу Са-содержащей соли - нитрата и ацетата кальция).

Результаты расчета двух характерных размеров анизотропных кристаллов ГАП: вдоль оси [001] и перпендикулярно ей, методом полнопрофильного анализа показали хорошее соответствие с данными, полученными методом просвечивающей электронной микроскопии (рис.!

1200

g 1000

§ 800 s

ё 600 о

ш 400 s о

в 200 ь-

X

s О

Рис.1. Результаты исследования порошков ГАП методом полнопрофильного анализа рентгенограммы (слева) и просвечивающей электронной микроскопии (справа)

В результате обработки обобщенных данных по размерам кристаллов гидроксилапатита методом ортогональной регрессии были получены следующие зависимости размеров частиц Lc (Â), La(Â) (вдоль направлений [001] и [010] соответственно) и форм-фактора F (отношение Lc/La) от условий синтеза с использованием нитрата кальция.

F = 1.8+0.20-x+0.2-y+0.45-z+0.25-x-y+0.2-x-z (5)

Ь„= 140+25-х+30-2-35-х-у+20-у2 (6)

Ьс = 260+75-х+30-у+120-2 +35-х-2+40-уг (7)

где х,у,г е [-1,1] - нормированные параметры: х=[Са2+]*= ([Са2+]-255 мМ)/245 мМ, у = рН = (рН-9.5)/2.5, г=Т* = (Т-50°С)/30°С (8)

Коэффициенты регрессии для расчета Ьа определены с дисперсией = 10 А; для расчета Ь0 с дисперсией вг — 15 Д; при расчете анизотропии ¥ с дисперсией б3 = 0.1.

Более наглядно взаимосвязь параметров можно представить в виде проекций значений исследуемых величин в двухмерных координатах (рис.2,3). Из сопоставления значений коэффициентов в уравнениях (5-7) можно сделать вывод, что все управляющие параметры синтеза оказывают существенное влияние на форму и размер кристаллов:

а) с увеличением исходной концентрации кальция, рН или температуры синтеза форм-фактор частиц и их линейные размеры возрастают; сильная зависимость формы кристаллов от температуры связана с резкой температурной зависимостью размера кристаллов вдоль оси «с» (вдоль направления [001]);

б) при высоких температурах (~80°С) форма частиц в основном определяется совместным влиянием рН и начальных концентраций растворов. Это влияние тем сильнее, чем выше пересыщение растворов по ионам кальция и гидроксила;

в) существенный вклад оказывают не только линейные члены регрессии, но также и смешанные эффекты; влияние двойных эффектов не может быть учтено при обычной постановке эксперимента, когда варьируется лишь один параметр, а остальные фиксированы;

г) при высоких начальных концентрациях кальция (-0.5 М), как увеличение температуры синтеза, так и уменьшение кислотности среды способствуют росту сильно анизотропных кристаллов;

д) в сильно щелочном растворе габитус частиц определяется совместным влиянием концентрации кальция и температуры. В нейтральном растворе «переключение» формы кристаллов с равноосной на игольчатую обеспечивается изменением температуры (рис.2а,б).

Рассмотрение диаграмм (в виде изолиний) зависимости наибольшего размера кристаллов (вдоль оси «с») от условий синтеза (см. рис.2,3) позволяет сделать вывод о независимости длины кристаллов от значений рН растворов и относительно слабой зависимостью от начальных концентраций. Основным доминирующим фактором роста кристаллов ГАП вдоль оси [001] является температура синтеза (см. уравнение 7, рис.3).

Следует отметить влияние рН на изменение размера кристаллов в плоскости аЪ: в щелочной среде доминирует фактор температуры, в нейтральном растворе основную роль в изменении толщины играет концентрация кальция.

О 0.:

х = [СаГ х = [Са2Т

рН = 12 (а) рН = 7 (б)

Рис.2. Диаграммы зависимости форм-фактора Б частиц ГАП от параметров синтеза

У - рН * х = [Са2+|*

[Са2+] = 0.5 М (а) Т = 80 °С (б)

Рис.3. Диаграммы зависимости размера частиц гидроксилапатита вдоль оси [001] от параметров синтеза методом осаждения

При синтезе ГАП методом осаждения влияние факторов, в том числе и совместное, обусловлено ионными равновесиями в растворе, поскольку изменение температуры, рН, исходной концентрации приводит к изменению концентраций ионных форм. Так, расчеты для растворов низкой концентрации при 20 °С ([Са2+] = 10 мМ) показывают, что при получении ГАП из нитрата кальция в начальный момент времени при рН ~ 7

доминирующими ионными формами в растворе являются Са2+, [СаНРС^]0 и НРО42". При рН ~ 12 в растворе преобладают СаР04", СаОН+ и Са2+. При нагревании до 80 °С при рН ~ 7 возрастает доля СаР04' и СаНР04 и, соответственно, уменьшается содержание ионов Са2+ и фосфата. С ростом рН существенно возрастает величина относительного пересыщения раствора стгап (в расчете на образование гидроксилапатита) - при 20 °С ^(сггап) = 1.7 (рН = 7.4) и 1ё(сгГАп) = 2.7(рН=12).

Таким образом, можно говорить о тенденции увеличения размеров кристаллов ГАП с увеличением активностей ионных ассоциатов СаР04" и СаОН+ в растворе. Пара Са-ОН имеется в структуре ГАП: ионы кальция образуют каналы вдоль оси [001], внутри которых расположены гидроксильные группы. Максимальная плотность таких пар относится к направлениям, перпендикулярным оси «с» кристалла. Отрицательный заряд поверхности кристаллов ГАП в щелочной среде должен способствовать «захвату» ионов Са2+ и СаОН+, что и обеспечивает рост кристаллов.

Кристаллизацию гидроксилапатита в водных растворах предваряет образование осадка аморфного фосфата кальция. Поэтому для объяснения влияния параметров синтеза на морфологию продуктов необходимо, помимо состава раствора, учитывать состав и морфологию АФК - предшественника ГАП при синтезе в растворах.

При использовании ацетата кальция получены более сложные зависимости параметров морфологии от условий синтеза - существенный вклад вносят тройное взаимодействие параметров (концентрация-рН-Т). Ацетат-ион, активно участвующий в ионных равновесиях, уменьшает концентрацию свободных ионов кальция в растворе посредством образования ионной пары СаСНзСОО+. Другой аспект влияния связан с адсорбцией ацетатного иона на поверхности ГАП, которая существенно сильнее, чем для нитратного аниона. Дополнительные эффекты привносятся гидролизом ацетат-иона -образующаяся буферная система стабилизирует рН реакционной смеси.

Исследование стехиометрии осадка ГАП в зависимости от рН и времени перемешивания (при последующем остаривании осадка в течение 24 часов) при 40 °С проводили на примере реакции 0.5 М раствора нитрата кальция и гидрофосфата калия. Была получена зависимость следующего вида:

Са/Р = 1.575 + 0.045-рН** + 0.0254**, (9)

где рН** = (рН - 8.7)/1.3 - нормированное значение рН синтеза, = (I - 4ч)/3ч -нормированное время 1 перемешивания раствора. Полученное уравнение (9) позволяет выбирать условия синтеза в зависимости от требуемой стехиометрии осадка ГАП.

Кинетику осаждения гидроксилапатита изучали путем измерения количества щелочи, требуемой для поддержания постоянного значения рН ~ 7.4 водного раствора, в котором происходит образование осадка ГАП. На кинетической кривой осаждения ГАП можно выделить две характерные стадии процесса образования ГАП (рис.4). Первая, короткая

стадия ~ 30 мин в случае нитрата кальция), связана с образованием аморфного фосфата кальция (АФК). Аморфный фосфат кальция в дальнейшем претерпевает микрорасслаивадие и в процессе растворения-осаждения превращается в ГАП. Время перехода зависит от ионного состава раствора и температуры (детали образования и превращения АФК рассмотрены в части П обсуждения результатов).

4.80

4.56-

4.32'

4.08

3.84-

3.60-

Кол-во щелочи в расчете

на образование ГАП (Са/Р = 1.67) * ГАП г__£ ---X

АФК-■-''' туф^Т Кол-во щелочи в расчете

жТ^ на образование АФК

10 20 30 40 50 60 70 80 мин

1.00

0.95

0.90

0.85

0.80

^ 0.75

С §

а:

а> ^

со &

а> £

£ 05

с: аэ

I

90

Рис.4. Временная зависимость объема щелочи, требуемой для поддержания постоянства рН при осадительном титровании ГАП (10 мМ нитрата кальция + б мМ гидрофосфата натрия)

Проведено и более общее исследование влияния анионного состава раствора на кинетику образования ГАП при осаждении из водных растворов. Показано, что в случае хлорида кальция индукционный период г — 14 мин. меньше, чем в случае нитрата кальция. Наблюдаемое различие связано с тем, что хлорид ион, встраиваясь в структуру ГАП, может способствовать кристаллизации апатита состава Саю-х(НР04)х(Р04)б-х(0Н,С1)2-х. Полученные зависимости подтверждают ингибирующее действие ионов цинка на кристаллизацию ГАП, что связано с замедлением перехода АФК - ГАП, происходящего посредством частичного растворения аморфного фосфата кальция. Вхождение в состав аморфного фосфата кальция ионов цинка уменьшает растворимость АФК. Увеличение ионной силы раствора до 150 мМ снижает активность ионов (с ас¡¡2+ = 0.005 М до 0.003 М), пересыщение раствора относительно ГАП (с ^(сгап) = 12.1 до 11.1 при рН = 7.4) и практически не влияет на продолжительность индукционного периода, но в то же время уменьшает степень превращения АФК в ГАП. Использованная методика получения кинетических кривых

осаждения Г АЛ не применима для случая ацетата кальция из-за буферного действия системы, обусловленного гидролизом ацетат-иона.

Результаты синтеза и анализа аморфного фосфата кальция приведены в части П работы. Исследование образцов АФК методом просвечивающей электронной микроскопии позволило выявить мезопористую структуру полученных сферических частиц фосфатов кальция с широким распределением пор по размерам - от 5 до 50 нм (рис. 5а). Отмечено явление наследования пористости нанокристаллами ГАП, полученными из АФК (рис. 56). Анализ имеющейся литературы позволяет судить о том, что такая «внутренняя» структура АФК наблюдается впервые. Образцы, обладающие мезопористой структурой, несомненно, имеют высокую удельную поверхность. Мезопористый АФК перспективен для использования в качестве высокорезорбируемых (быстрорастворимых) имплантатов, носителей лекарственных средств и т.д.

Рис.5. Микрофотографии мезопористых образцов: а) аморфного фосфата кальция, б) нанокристаллического гидроксилапатита

Предложен механизм образования мезопористого АФК на основе ионных ассоциатов Са9(Р04)б - «кластеров Познера» [3], имеющий черты «золь-гель» перехода. На первом этапе происходит быстрое образование отдельных ионных ассоциатов, выступающих в качестве элементарных «строительных блоков», затем идет агрегация первичных частиц с последующим расслаиванием (упорядочением) полученного аморфного геля АФК (рис.6).

Образование и рост частии

Ассоциат

Рис.6. Схема образования мезопористого аморфного фосфата кальция из кластеров Са^РО-Об

В части III обсуждается получение гидроксилапатита гидролизом фосфатов.кальция -СаНР04-2Н20 (ДКФД) и Са3(Р04)2 (ТКФ). При исследовании гидролиза дигидрата дикальциевого фосфата было показано, что скорость превращения смеси ДКФД+Са(ОН)2 в гидроксилапатит при ультразвуковой обработке в течение 1 ч составляет 20-30% при 20 °С, что сравнимо со скоростью получения ГАП из этой смеси веществ при 60°С без УЗ воздействия. По данным растровой электронной микроскопии установлено, что при ультразвуковом воздействии образуются агрегированные частицы ГАП сферической формы с диаметром ~ 100-300 нм. При реакции СаНР04-2Н20 с ТМа2СОз в гидротермальных условиях образуются игольчатые кристаллы карбонатгидроксиладатита с узким распределением по размерам - длиной ~ 0,5 мкм и диаметром ~ 100 нм.

Показано, что при гидролизе а-Саз(Р04)2 скорость реакции и морфология продуктов синтеза существенно зависят от химической и фазовой однородности исходного материала (т.е. от стехиометрии Са/Р, закладываемой на стадии синтеза ТКФ). В неоднородных образцах значительная часть поверхности блокирована частицами ГАП, сформировавшимися на стадии получения а-Саз(Р04)2 твердофазным методом при 1300 °С.

Однофазные образцы более активно вступают в реакцию гидролиза по сравнению с исходно неоднородным материалом, содержащим примесь ГАП (рис.7). Более высокое стартовое значение pH соответствует образцам, для которых на начальном этапе скорость растворения преобладает над скоростью реакции гидролиза:

ЗСа3(Р04)2 + Н20 -> Са9НР04(Р04)50Н ЮСа3(Р04)2 + 6Н20 ЗСа10(РО4)б(ОН)2 + 2«Н3Р04»

(10) (П)

Исследование кинетики гидролиза ТКФ в интервале температур 20- 100 °С проводили с использованием уравнения Авраами-Ерофеева:

-1п(1-а) = к< (12)

где а - степень превращения. Сделан вывод о том, что реакция протекает в диффузионном режиме при невозрастающей скорости зародышеобразования и одномерном или планарном росте зародышей, чему соответствуют полученные значения показателя степени п = 0.5-1.5 в уравнении (12). С ростом температуры значительно увеличивается скорость реакции гидролиза ТКФ. При 40 °С полное превращение ТКФ в ГАП происходит за 2 суток, при 100 °С для полного гидролиза требуется менее 2 ч.

Ъ Ч.

Рис.7. Изменение рН суспензий трикальциевого фосфата с различной степенью однородности

Однако температура существенно влияет не только на скорость гидролиза ТКФ, но также изменяет и морфологию продуктов реакции. Так, при 40°С наблюдается рост взаимно перекрывающихся пластинчатых кристаллов ГАП (перпендикулярно поверхности частиц ТКФ), размер которых после 24 часов гидролиза составляет 1-2 мкм в плоскости (рис.8а). При кипячении суспензии ТКФ образуются кристаллы ГАП игольчатой (нитевидной) формы (рис.8б). Наблюдаемая морфология частиц ГАП хорошо согласуется с выводами, полученными в результате анализа кинетических кривых реакции гидролиза трикальциевого фосфата.

В части IV обсуждены результаты, полученные при синтезе химически модифицированных порошков ГАП - силикатсодержащего и карбонатсодержащего гидроксилапатита: Саю(Р04Ы8Ю4)х(0Н)2.х и Саг№0.5(РО4)4.5(СОз), ,5(ОН)2.

а) б)

Рис.8. Микрофотографии образцов, полученных гидролизом Саз(Р04)2 а) при 40 °С, б) при 100 °С

Вопрос о точном определении пределов замещения фосфатных групп на силикатные в структуре гидроксилапатита остается открытым. По данным рентгеноспектрального микроанализа образцы ГАП, полученные после обработки аморфного фосфата кальция тетраэтоксисиланом (ТЕОБ) в щелочной среде, содержат кремний, который равномерно распределен по всей массе образца. В ИК-спектрах образцов ГАП отмечено появление слабых полос силикатных групп [БЮ/"] при - 500 и 800 см"1 (анализ проводился с использованием СадУСРСЭДг^Си^ в качестве образца сравнения). Замещение фосфатных групп силикатными косвенно подтверждается результатами полнопрофильного рентгеновского анализа. Увеличение степени замещения до 4% вес. кремния (по стехиометрии Э1/Р исходных веществ) приводит к уменьшению размеров кристаллов гидроксилапатита и уменьшению высокотемпературной стабильности - разложению ГАП при 1000 °С -1300 °С с образованием а-Са3(Р04)2.

В части V приведены результаты по скорости растворения порошковых фосфатов кальция, на основании которых ряд полученных материалов можно ранжировать по степени резорбируемости (растворения) в кислой среде (рис.9):

а-Са3(Р04)2 > Са9Ыао ?(Р04)4 5(С03), 5(ОН)2 > СаК1(Р04)6.х(8104)х(ОН)2.х > Са,о(Р04)б(ОН)2

о о

о 5

О. О

ё (б о.

Рис.9. Растворимость различных фосфатов кальция: карбонатапатита (СОз-ГАП); 1фемнийсодержащего гидроксил апатита (ЗьГАП); гидротермально-обработанного осадка ГАП; прокаленного при 800 °С гидроксил апатита;

В части VI обсуждена возможность биомиметического получения композиционных материалов типа гидроксилапатит/коллаген. На модельных системах показана возможность использования метода двойной диффузии для получения минерализованных мембран.

Показано, что микродобавки (5 мг на 100 мл) полиаминокислоты с избыточным положительным зарядом (полилизина) способствуют минерализации инертной матрицы целлюлозы, а избыток отрицательно заряженных функциональных групп полиаспарагиновой кислоты приводит к ингибированию кристаллизации ГАП.

В части УП обсуждены результаты экспериментов по получению кальцийсиликатных - кальцийфосфатных цементов в двойной системе СаСНгРО^-НгО - СазБЮз- Выбор силиката кальция в качестве компонента цемента обусловлен тем, что присутствие оксида кремния в объеме и на поверхности биосовместимого материала увеличивает биоактивность материала. Силикаты кальция часто используются как компоненты традиционных строительных цементов, характеризующихся малым временем отверждения и относительно высокими величинами предела прочности на сжатие о > 5 МПа конечного материала. Гидратация трикалыдаевого силиката приводит к резкому увеличению рН (см. уравнение 13), что может привести к отмиранию тканей при контакте с цементным материалом (использование цементов с высоким рН допустимо лишь в стоматологии). Использование «кислого» монокалыщевого фосфата (источника кальция и фосфора) обусловлено необходимостью коррекции рН цементной смеси.

Можно выделить два этапа развития реакции при формировании цементной массы. Быстрое растворение Са(Н2Р04)2*Н20 приводит к резкому локальному понижению pH среды, следствием чего является формирование на первом этапе «кислого» фосфата СаНР04-2Н20 в смеси. В дальнейшем (после 3 часов гидратации цемента) наблюдается образование нанокристалдического апатита, о чем свидетельствуют широкие пики рентгеновской дифракции образцов цементов и данные электронной микроскопии. В случае двухкомпонентного цемента Са(Н2Р04)2-Н20 - Ca3SiOs прочность материала растет от 5 (±0.5) до 7.5 (±0.5) МПа с ростом отношения Са/Р в системе от 2 до 2.5 (рис.10).

8.0-

m 7.5-

С

ё 7.0-

m 6.5-

1

О 6.0-

ш 5.5-

х

о 5.0-

X

4.5-

о.

С 4.0-

3.5 J

Ж/Тв = 0.65

К

2.0

2.1

xCa(H2POJ.yHp + yCasSiOs

2.2 2.3 2.4 n(Ca)/n(P)

2.5

Рис.10. Прочность цементных материалов с различным соотношением Са/Р

Использование а-Саз(Р04)2 - наиболее часто применяемого компонента кальцийфосфатных цементов, в качестве третьей составляющей цементной смеси (30% вес.) приводит к уменьшению предела прочности материала до 2.<Ш).3 МПа. В то же время максимальные значения прочности на сжатие -13 МПа были получены в данной работе для однокомпонентного цемента на основе ТКФ.

Различия в прочности полученных цементных материалов связаны с разной химической эволюцией рассматриваемых систем. В общем случае схему химических процессов, протекающих в сложной трехкомпонентной смеси Са(Н2Р04)2'Н20 - СазБЮ5 -Саз(РС>4)2, можно представить уравнениями (см. также уравнения 10 и 11):

СазБЮ5 + (3-х+у)Н20 -> (3-х)Са(ОН)2 + хСа0-8Ю2уН20 где 1,6<х<2.0,1,3<у<4 (13) Са(Н2Р04)2-Н20 + Са3(Р04)2 + 7Н20 4СаНР04-2Н20 (14)

Са(Н2Р04)2-Н20 + Са(ОН)2 + Н20 2СаНР04-2Н20 (15)

6СаНР04-2Н20 + 4Са(ОН)2 -> Саю(Р04)б(0Н)2 + 20 Н20 (16)

Основными реакциями, определяющими начальное отвердение цементного камня в случае двух- и трехкомпонешной смесей, являются образование брушита (по уравнениям 14, 15) и гидролиз силиката кальция (см. уравнение 13). Быстрый расход ограниченного количества жидкости в цементной массе (см. уравнения реакций 10, И и 13) приводит к уменьшению степени гидролиза трикальциевого фосфата (по сравнению с однокомпонентной системой на основе ТКФ - см. уравнения 10,11) и, как результат, к падению прочности цементной массы.

В данной работе показано, что использование растворов биополимера желатина средней концентрации (2% вес.) в качестве цементной жидкости приводит к замедлению скорости высвобождения лекарственного препарата - антибиотика широкого спектра действия гентамицинсульфата натрия из цементной массы (с 65% до 25% за 1ч). Таким образом, биоактивный композит на основе кальций силикофосфатного цемента и желатина может быть использован как эффективный носитель лекарственно препарата.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа размеров кристаллов ГАП, синтезированных методом осаждения из растворов солей, получены регрессионные модели, позволяющие количественно оценить значимость параметров синтеза - начальной концентрации реагентов, рН и температуры. Морфологические характеристики кристаллов ГАП определены в результате совместного применения полнопрофильного рентгенографического анализа и просвечивающей электронной микроскопии.

2. Наибольшее влияние на увеличение фактора формы кристаллов с 1 до 3 и увеличение их максимального размера с 10 до 50 нм при синтезе ГАП из Са(ЪЮз)2 оказывает рост температуры. В случае синтеза ГАП из Са(СНзСОО)2 анизотропные кристаллы с фактором формы равным 3 можно получить во всем интервале температур, изменяя рН и начальные концентрации «с» реагентов. Установлен значительный вклад совместных двойных эффектов взаимодействия факторов при синтезе ГАП из Са(ЫОз)2 и тройного эффекта (концентрация-рН-Т) при синтезе из Са(СНзСОО)2. Интерпретация регрессионных моделей дана на основании расчетов содержания преимущественных ионных -форм в растворах солей.

3. Процесс образования гидроксилапатита протекает в две стадии. Первая, относительно быстрая стадия, связана с образованием аморфного фосфата кальция (АФК), который в дальнейшем претерпевает микрорасслаивание и в процессе частичного растворения-осаждения превращается в ГАП. Впервые отмечено образование мезопористой структуры АФК с размерами пор 5 - 50 нм и наследование пористости нанокристаллами ГАП. Установлен эффект ингибирования кристаллизации АФК в ГАП ионами цинка.

4. Показано, что при синтезе гидроксилапатита гидролизом трикальциевого фосфата а-Саэ(Ю4)2 (ТКФ) с примесью ГАП скорость реакции падает с увеличением степени

фазовой неоднородности материала. Рост температуры гидролиза приводит тс изменению морфологии ГАП с пластинчатой (при 40 °С) на игольчатую (при 100 °С) при размерах кристаллов ГАП 0.5 - 5 мкм. Гидролизом дигидрата дикалыдаевого фосфата СаНР04-2Н20 получены равноосные частицы ГАП размером 150 нм; влияние ультразвукового воздействия при 20 °С на процесс гидролиза сопоставимо с эффектом повышения температуры до 60 °С.

5. Разработан метод синтеза, позволяющий проводить химическую модификацию ГАП путем частичного замещения (до 4% вес.) фосфатных групп на силикатные, заключающийся в кристаллизации ГАП из АФК в присутствии тетраэтоксисилана (TEOS). Проведено ранжирование синтезированных в работе модифицированных и немодифицированных порошков фосфатов кальция по биоактивности на основании скорости растворения при рН=6-7. Показано, что кремнийсодержащий ГАП обладает большей растворимостью в слабокислых растворах по сравнению с незамещенным гидроксилапатитом.

6. Предложены цементные смеси фосфатов и силикатов кальция, компактные материалы на основе которых демонстрируют прочность 5-13 МПа после трехдневной обработки в растворе искусственной межтканевой жидкости и могут быть использованы в стоматологии для заполнения внутренних полостей зубной ткани любой формы. На примере инкапсуляции гентамидинсульфата в композите «цемент/желатина» показано, что подобные материалы могут быть использованы в качестве эффективных носителей лекарственных препаратов с локальным пролонгированным действием.

ЛИТЕРАТУРА

1. Izumi F. et al Н J. Appl. Crystallogr. -1987. -20,. - P. 411.

2. Parkhurst, D.L. et al PHREEQE - A computer program for geochemical calculations: U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report. -1980. - 80-96. - P. 195.

3. Yin X., Stott M.J. // J. Chem. Phys. -2003. -Vol. 118. -№.8, - P. 3717-23.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вересов А.Г., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д. Достижения в области кальцийфосфатных биоматериалов // Российский Химический Журнал. -2000. - т. XLIV. ~№6. - ч.П. -С. 32 -46.

2. Вересов А.Г., Винокуров А.Л., Лукаппш А.В., Гаршев А.В. Современные методы исследования неорганических материалов // Химическая технология. -2002. -№2. - С. 4546.

3. Вересов А.Г., Коленько Ю.В., Синицына О.В., Путляев В.И. Гидролиз СаНРО^НгО при гидротермальном и ультразвуковом воздействии // Вестник ВГТУ. Сер. Материаловедение. -2002. -Вып. 1.11. - С. 14-17.

4. Соин А.ВЧ Вересов А.Г., Путляев В.И. •Синтез и исследование аморфных фосфатов кальция И Вестник ВГТУ. Сер. Материаловедение. -2002. - Вып. 1.12. - С. 36-39.

5. Вересов А.Г. Получение фосфатов кальция с различной микроморфологией // Межд. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2001»: Тез. докл. - Москва, 2001.-С. 48.

6. Veresov A.G., Plohih N.V., Sinitsina O.V., Putlyaev V.I., Tretyakov Yu.D. Calcium phosphates with different micromoiphology // Solid State Chemistry 2001: Abstr. - Oslo, Norway, 2001. -P. 109.

7. Veresov A.G., Plohih N.V., Sinitsina O.V., Putlyaev V.I., Tretyakov Yu.D. Calcium phosphates micromorphology // Summer school-conference "Diffusion and Reactions at Solid-Solid Interfaces": Abstr. - Halle,-Germany, 2001.

8. Вересов А., Путляев В., Синицына О., Плохих Н., Коленько Ю. Гидролиз фосфатов кальция при гидротермальном и ультразвуковом воздействии // Межд. школа-семинар "Нелинейные процессы дизайне матриалов": Тез. докл. - Воронеж, 2002 г. -С.101.

9. Путляев В.И., Вересов А.Г., Синицына О.В., Плохих Н.В., Коленько Ю.В, Гидроксилапатит как продукт гидролиза фосфатов кальция // 4-ый Межд. семинар "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении": Тез. докл. - Астрахань, 2002. - С. 132.

10. Veresov A., Putkyev V., Plokhikh N. Calcium phosphates - gelatin composite materials // 2-nd European conference on medicine and biotechnology: Abstr. - Vienna, Austria, 2002. - P.1046.

11. Veresov A., Sinitsina O., Kuznetsov A., Putlayev V., Ravaglioli A., Krajewski A„ Mazzocchi M. Calcium silicate - phosphates cements loaded with gentamycini sulphate li 8-th Meeting and seminar on "Ceramics, cells and tissues": Abstr. - Faenza, Italy, 2003. - P.13.

Принято к исполнению 04/07/2003 Исполнено 07/07/2003

Заказ № 340 Тираж: 100 экз.

ООО «НАКРА ПРИНТ» ИНН 7727185283 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095)318-40-68 www.autoreferat.ru

S.oc>j-A

PI 284 б

1. Введение.

2. Обзор литературы.g

2.1. Кристаллохимия апатитов.g

2.2. Фазовые равновесия в системе СаО-РгОз-НгО.

2.3. Ортофосфаты кальция.

2.4. Методы синтеза гидроксилапатита.

2.4.1. Осаждение гидроксилапатита в водных растворах.

2.4.2. Получение гидроксилапатита гидролизом ортофосфатов кальция

2.5. Морфология кристаллов гидроксилапатита и кинетика их роста.

2.5.1. Влияние ионного состава раствора.

2.6. Структура и свойства костной ткани.

2.7. Материалы биомедицинского назначения.

2.7.1. Гидроксилапатитовая керамика.

2.7.2. Стеклокерамические материалы.

2.7.3. Покрытия из гидроксилапатита на металлах.

2.7.4. Композиты гидроксилапатит/полимер.

2.7.5. Цементы на основе фосфатов кальция

2.8. Выводы из анализа литературы.

3. Методы эксперимента.

3.1. Синтез образцов.

3.1.1. Синтез аморфных фосфатов кальция.

3.1.2. Синтез гидроксилапатита методом осаждения.

3.1.3. Получение и гидролиз СаНР04-2Н20, СаНР04, а-Са3(Р04)2.

3.1.4. Синтез модифицированных фосфатов кальция.

3.1.5. Синтез композиционных материалов гидроксилапатит/желатин

3.1.6. Получение цементов.

3.2. Методы исследования образцов.

3.2.1. Рентгенографические исследования.

3.2.2. Электронная микроскопия.

3.2.3. Фотометрические исследования.

3.2.4. Инфракрасная спектроскопия.

3.2.5. Ионометрия растворов.

3.2.6. Анализ состава образцов и их стехиометрии.

3.2.7. Биомиметическое тестирование in vitro.

3.2.8. Механические испытания.

3.3. Методы обработки экспериментальных данных.

3.3.1. Обработка рентгенографических данных.

3.3.2. Обработка данных факторного эксперимента.

3.3.3. Расчет ионных и фазовых равновесий.

4. Обсуждение результатов.

4.1. Получение гидроксилалатита методом осаждения.

4.1.1. Исследование морфологии ГАП.

4.1.2. Исследование кинетики образования ГАП.

4.1.3. Анализ стехиометрии осадка.

4.1.4. Рекомендации по синтезу порошков гидроксилапатита.

4.2. Синтез и исследование аморфного фосфата кальция.

4.3. Получение ГАП гидролизом ортофосфатов кальция.

4.3.1. Гидролиз дикальциевых фосфатов.

4.3.2. Гидролиз а-трикальциевого фосфата.

4.4. Получение модифицированных фосфатов кальция. ф 4.5. Исследование биоактивности материалов.

4.6. Получение материалов гидроксилапатит/желатин.

4.7. Цементы на основе фосфатов и силиката кальция.

Увеличение продолжительности жизни, которое должно стать характерной чертой нового тысячелетия, требует решения ряда медико-материаловедческих проблем, в частности, создания материалов для искусственных органов и тканей [1-8]. В настоящее время рынок биоматериалов оценивается суммой ~3 млрд.$, прогнозируемый годовой прирост составляет 10%, а объемы требуемых 'материалов оцениваются на уровне десятков тонн [1]. При утрате значительных по размеру участков кости (вследствие ее механического повреждения или после удаления опухоли) возникает необходимость в возмещении возникшего дефекта. Число больных, нуждающихся в операциях по восстановлению целостности костей, очень велико — только в США это более 1 млн. человек ежегодно [1,2].

Создание биоматериалов для замены поврежденной костной ткани перспективная, бурно развивающаяся область исследований. Костная ткань представляет собой композиционный материал на основе ультрадисперсного карбонатсодержащего гидроксилапатита Саю-х-у/2(НР04)х(С0з)у(Р04)б-х-у(0Н)2-х и белка коллагена с многоуровневой структурной организацией компонентов [2,3].

В силу сходства химического состава, материалы на основе фосфатов кальция находят широкое применение в медицине при операциях по восстановлению целостности поврежденной кости. Считается, что не только химический состав, но и морфология синтетических кристаллов гидроксилапатита является важной характеристикой, определяющей отклик организма на чужеродный материал [9]. С этой точки зрения идеальным является материал, химический состав и гранулометрия которого подобны костному биоминералу: нестехиометрический гидроксилапатит Саiо-х(НР04)х(Р04)б-х(ОН)2-х (0<х<1) с кристаллами в форме пластин размерами 40 х 20 х 5 нм и осью "с" кристаллической структуры, лежащей в плоскости кристалла.

В настоящее время в медицинской практике наиболее широко используются крупнокристаллические керамические материалы в форме плотных и пористых блоков и гранул. Клинические испытания показали, что крупнокристаллический гидроксилапатит (ГАП) значительно медленнее превращается в новую костную ткань по мере резорбции (растворения в организме) в отличие от высокодисперсных материалов - аморфного фосфата кальция (АФК) или нанокристаллических фосфатов кальция [1,2].

Разработанные к настоящему времени растворные методы синтеза ГАП позволяют получать высокодисперсные порошки, форма частиц которых, в зависимости от условий синтеза, непредсказуемо варьируется в широких пределах от равноосной до игольчатой. Тем не менее, информация о влиянии параметров синтеза ГАП на морфологию конечного продукта, выраженная в явном и количественном виде, отсутствует. Отмечается, что образцы порошков фосфатов кальция, полученные в рамках одинаковой методики синтеза, вызывают различную реакцию организма, вплоть до полного отторжения материала [9]. В этой связи возникает целый ряд химико-материаловедческих задач в области синтеза фосфатов кальция с заданным составом и микроморфологией, оценки их будущей биоактивности in vitro и разработки приемов корректировки биоактивности путем химического модифицирования получаемого порошка.

Целью работы являлся направленный синтез биологически активных фосфатов кальция с заданным составом и микроморфологией и создание биорезорбируемых композиционных материалов на их основе.

Биоактивность» - комплексная характеристика совместимых с организмом материалов, учитывающая, помимо биологических процессов роста и дифференциации клеток, также: (а) скорость растворения материала в слабокислой среде, создаваемой определенными группами клеток; (б) скорость осаждения гидроксилапатита из межтканевой жидкости организма на поверхности материала. В данной работе процессы растворения и осаждения ГАП изучались в модельных растворах, имитирующих состав жидких сред организма.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Систематическое исследование влияния параметров синтеза ГАП методом осаждения (рН, температура, состав раствора, ионная сила, время синтеза) на

• микроморфологию и состав получаемого фосфата.

2. Исследование кинетики синтеза ГАП путем гидролиза других ортофосфатов кальция; выявление влияния условий гидролитического синтеза на морфологию кристаллов ГАП.

3. Модификация химического состава ГАП с целью повышения его биоактивности; оценка биоактивности полученных материалов в процессе модельных реакций растворения/осаждения in vitro.

4. Создание модельных композиционных материалов типа ГАП/биополимер и многокомпонентных цементов на основе синтезированных в работе фосфатов кальция.

Основные методы исследования, которые использовались в работе: рентгенография, растровая и просвечивающая электронная микроскопия, ИК спектроскопия, автоматическая ионометрия, ренттеноспектральный микроанализ, химический анализ, механические испытания.

В литературном обзоре рассмотрены кристаллохимические особенности апатита, приведены данные по фазовым равновесиям ортофосфатов кальция, краткие характеристики соединений и методы их получения. Рассмотрены вопросы, связанные с кинетикой роста гидроксилапатита в водных растворах, влиянием ионного состава среды на морфологию частиц ГАП. Разделы методы эксперимента и методы обработки ф экспериментальных данных содержат подробное описание использованных экспериментальных методик и методов математической обработки полученных данных.

Полученные результаты представлены и обсуждаются в соответствии с целью и задачами настоящей работы.

Научная новизна работы состоит в следующих положениях, которые выносятся на защиту:

1. Систематически исследовано влияние параметров (факторов) синтеза ГАП методом осаждения из растворов солей (начальная концентрация реагентов, рН, температура) на размер и форму получаемых кристаллов. Морфологические характеристики кристаллов ГАП были установлены в результате совместного применения полнопрофильного рентгенографического анализа и просвечивающей электронной микроскопии.

2. В результате регрессионного анализа морфологических характеристик кристаллов получены математические модели, позволяющие количественно оценить факторы синтеза ГАП методом осаждения. Установлен значительный вклад двойных эффектов взаимодействия факторов при синтезе ГАП из Са(ЫОз)г и тройного эффекта при синтезе из Са(СНзСОО)г. Интерпретация регрессионных моделей дана на основании расчетов ионных равновесий в растворах солей.

• 3. Впервые обнаружена мезопористая структура аморфного фосфата кальция с размерами пор 5 — 50 нм и предложена модель ее образования. Изучено наследование пористости нанокристаллами ГАП, полученными кристаллизацией АФК.

4. Показано, что при синтезе ГАП гидролизом трикальциевого фосфата а-Саз(РС>4)2 (ТКФ) с примесью гидроксилапатита скорость реакции падает с увеличением степени химической неоднородности материала, задаваемой соотношением Са/Р исходных реагентов при синтезе ТКФ. Впервые отмечено, что рост температуры гидролиза приводит к изменению морфологии ГАП с пластинчатой (при 40 °С) на игольчатую (при 100 °С).

5. Предложен метод синтеза, позволяющий проводить химическую модификацию ГАП посредством частичного замещения фосфатных групп на силикатные (до 4% вес. кремния). Показано, что кремнийсодержащий ГАП обладает большей растворимостью в слабокислых растворах по сравнению с незамещенным гидроксилапатитом.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Получены регрессионные уравнения, позволяющие путем выбора определенных параметров растворного синтеза проводить направленное получение высокодисперсных порошков ГАП с кристаллами требуемого размера, формы и состава. Для контроля микроморфологии получаемых кристаллов может быть использована апробированная в работе методика полнопрофильного рентгенографического анализа в варианте для анизотропной частицы.

2. Синтезированные в работе порошковые материалы ранжированы по биоактивности на основании скорости растворения при рН = 4-6. Использованная методика может бьггь рекомендована как простой прием предварительного тестирования биоматериалов in vitro.

3. Предложены цементные смеси фосфатов и силикатов кальция, компактные материалы на основе которых демонстрируют прочность 5-13 МПа после трехдневной обработки в растворе искусственной межтканевой жидкости и могут бьггь использованы в стоматологии для заполнения внутренних полостей зубной ткани любой формы. Методом двойной диффузии через проницаемую полимерную мембрану получены композиционные материалы ГАП/желатин; примененная методика может быть использована для биомиметического синтеза резорбируемых композитов.

4. Рекомендовано использовать мезопористый АФК с высокоразвитой поверхностью, а также цементные материалы с добавками биополимера, в качестве систем-носителей лекарственных препаратов локального пролонгированного действия. Данная идея реализована на примере инкапсуляции антибиотика широко спектра действия (гентамицина) в композит силикофосфатный цемент/желатин.

Материалы диссертационной работы опубликованы в 11 работах, в том числе в 4-х статьях и в тезисах 7 докладов на международных научных конференциях.

Настоящая работа является частью систематических исследований, проводимых на Факультете наук о материалах МГУ и в лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии Химического факультета МГУ в рамках программы поддержки ведущих научных школ России (грант НШ-2033.03.2003). Часть работы была выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ 02-03-33271, ОЗ-ОЗ-42524-з) и программы "Университеты России" (грант УР.06.03.006).

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность студентам Факультета наук о материалах МГУ Синицыной О.В., Плохих Н.В., Кузнецову А.В., Соину А.В., Ковалевой Е.С., аспиранту Гаршеву А.В. за активное участие в получении результатов; всем сотрудникам и аспирантам лаборатории неорганического материаловедения, сотруднику Химического факультета МГУ Бобылеву А.П. за помощь в проведении спектроскопических исследований, а также Prof. М. Epple (Университет Рур Бохума, г. Бохум, Германия) и Dr. A. Ravaglioli (Исследовательский институт керамических технологий, г. Фаенца, Италия) за плодотворное сотрудничество.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

С точки зрения близости химического состава искусственного материала к кости фосфаты кальция являются наиболее подходящими материалами на роль заменителей костной ткани. Долгое время считалось, что гидроксилапатит (ГАП) Саю(Р04)б(0Н)2 -идеальный в плане биосовместамости материал для восстановления поврежденных зубов и костей. Гидроксилапатит прекрасно совместим с мускульной тканью и с кожным покровом, после имплантации он может напрямую срастаться с костной тканью в организме [1].

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа размеров кристаллов ГАП, синтезированных методом осаждения из растворов солей, получены регрессионные модели, позволяющие количественно оценить значимость параметров синтеза - начальной концентрации реагентов, рН и температуры. Морфологические характеристики кристаллов ГАП определены в результате совместного применения полнопрофильного рентгенографического анализа и просвечивающей электронной микроскопии.

2. Наибольшее влияние на увеличение фактора формы кристаллов с 1 до 3 и увеличение их максимального размера с 10 до 50 нм при синтезе ГАП из Ca(N03)2 оказывает рост температуры. В случае синтеза ГАП из Са(СН3СОО)г анизотропные кристаллы с фактором формы равным 3 можно получить во всем интервале температур, изменяя рН и начальные концентрации «с» реагентов. Установлен значительный вклад совместных двойных эффектов взаимодействия факторов при синтезе ГАП из Ca(N03)2 и тройного эффекта (концентрация-рН-Т) при синтезе из Са(СН3СОО)2- Интерпретация регрессионных моделей дана на основании расчетов содержания преимущественных ионных форм в растворах солей.

3. Процесс образования гидроксилапатита протекает в две стадии. Первая, относительно быстрая стадия, связана с образованием аморфного фосфата кальция (АФК), который в дальнейшем претерпевает микрорасслаивание и в процессе частичного растворения-осаждения превращается в ГАП. Впервые отмечено образование мезопористой структуры АФК с размерами пор 5 — 50 нм и наследование пористости нанокристаллами ГАП. Установлен эффект ингибирования кристаллизации АФК в ГАП ионами цинка.

4. Показано, что при синтезе гидроксилапатита гидролизом трикальциевого фосфата а-Са3(Р04)2 (ТКФ) с примесью ГАП скорость реакции падает с увеличением степени фазовой неоднородности материала. Рост температуры гидролиза приводит к изменению морфологии ГАП с пластинчатой (при 40 °С) на игольчатую (при 100 °С) при размерах кристаллов ГАП 0.5 — 5 мкм. Гидролизом дигидрата дикальциевого фосфата СаНР04'2Нг0 получены равноосные частицы ГАП размером 150 нм; влияние ультразвукового воздействия при 20 °С на процесс гидролиза сопоставимо с эффектом повышения температуры до 60 °С.

5. Разработан метод синтеза, позволяющий проводить химическую модификацию ГАП путем частичного замещения (до 4% вес.) фосфатных групп на силикатные, заключающийся в кристаллизации ГАП из АФК в присутствии тетраэтоксисилана (TEOS). Проведено ранжирование синтезированных в работе модифицированных и немодифицированных порошков фосфатов кальция по биоактивности на основании скорости растворения при рН=6-7. Показано, что кремнийсодержащий ГАП обладает большей растворимостью в слабокислых растворах по сравнению с незамещенным гидроксилапатитом.

6. Предложены цементные смеси фосфатов и силикатов кальция, компактные материалы на основе которых демонстрируют прочность 5-13 МПа после трехдневной обработки в растворе искусственной межтканевой жидкости и могут быть использованы в стоматологии для заполнения внутренних полостей зубной ткани любой формы. На примере инкапсуляции гентамицинсульфата в композите «цемент/желатина» показано, что подобные материалы могут быть использованы, в качестве эффективных носителей лекарственных препаратов с локальным пролонгированным действием.

1. HenchL.L. Bioceramics//J. Am. Ceram. Soc. 1998. Vol. 81. No. 7. P. 1705-28.

2. Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants // J. Mater. Res. 1998. Vol. 13. No. 1. P. 94-117.

3. Быков B.JI. Цитология и общая гистология. СПб.: СОТИС. 1999. С. 519.

4. Doremus R.H. Review: Bioceramics //J. Mater. Sci. 1992. Vol. 27. P. 285-297.

5. LeGeros R.Z. Formation and transformation of calcium phosphates: relevance to vascular calcification // Z. Kardiol. 2001. Vol. 90. Suppl. 3. P. 116-124.

6. Vallet-Regi M. Ceramics for medical applications // J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2001. P. 97108.

7. Kokubo Т., Kim H.M., Kawashita M. Novel bioactive materials with different mechanical properties // Biomaterials. 2003. Vol. 24. P. 2161 2175.

8. Dorozhkin S.V., Epple M. Biological and medical significance of calcium phosphates // Angew. Chem. Int. Ed. 2002. Vol. 41. P. 3130-3146.

9. Puleo D.A., Nanci A. Understanding and controlling the bone-implant interface // Biomaterials. 1999. Vol. 20. P. 2311-2321.

10. Elliot J.C. Calcium phosphate biominerals // Phosphates: geochemical, geobiological and materials importance. Reviews in mineralogy and geochemistry / Kohn M.J., Rakovan J., Hughes L.M. editors. 2002. Vol. 48. P. 427-455.

11. White T.J., Li Z.D. Structural derivation and crystal chemistry of apatites // Acta Cryst. B.2003. Vol. 59. P. 1-16.

12. Каиазава Т. Неорганические фосфатные материалы: Пер. с японского. Киев, Наукова думка, 1998. С. 17-109.

13. Barralet J., Best S., Bonfield W. Carbonate substitution in precipitated hydroxyapatite: An investigation into the effects of reaction temperature and bicarbonate ion concentration // J. Biomed. Mater. Res. 1998. Vol. 41. P. 79-86.

14. Gross К.A., Berndt С. Biomedical applications of apatites // Phosphates: geochemical, geobiological and materials importance. Reviews in mineralogy and geochemistry / Kohn M.J., Rakovan J., Hughes L.M. editors. 2002. Vol. 48. P. 631-673.

15. Bohner M. Physical and chemical aspects of calcium phosphates used in spinal surgery // Eur. Spine J. 2001. Vol. 10. P. 114-121.

16. DeGroot K. Medical application of calcium phosphate bioceramics // J. Ceram. Soc. Jap. 1991. Vol. 99. No.10. P. 943-953.

17. Brown P.W. Phase Relationships in the Ternary System Ca0-P205-H20 at 25°C // J. Am. Ceram. Soc. 1992. Vol. 75. No. 1. P. 17-22.

18. Martin R.I., Brown P.W. Phase equlibria among acid calcium phosphates // J. Am. Ceram. Soc. 1997. Vol. 80. No. 5. P.1263-1266.

19. Везер В. Фосфор и его соединения. М.: Издательство научной литературы. 1962. С. 394-411.

20. Fernandez Е., Gil F.J., Ginebra М.Р., Driessens F.C.M., Planell J.A., Best S.M. Calcium phosphate bone cements for clinical applications. Part I: solution chemistry // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1999. Vo. 10. P. 169-176.

21. Onuma K., Ito A. Cluster growth model for hydroxyapatite // Chem. Mater. 1998. Vol. 10. P. 3346-3351.

22. Yin X., Scott M.J. Biological calcium phosphates and Posner's cluster // J. Chem. Phys. 2003. Vol. 118. No. 8. P. 3717-3723.

23. Abbona F., Franchini-Angela M. Crystallization of calcium and magnesium phosphates from solutions of low concentration//J. Crystal Growth. 1990. Vol. 104. P. 661-671.

24. Abbona F., Baronet A. A XRD and ТЕМ study on the transformation of ACP in the presence of magnesium //J. Crystal Growth. 1996. Vol. 165. P. 98-105.

25. Christoffersen J., Christoffersen M.R., Kibalczyc W., Andersen F.A. A contribution to the understanding of the formation of calcium phosphates // J. Crystal Growth. 1989. Vol. 94, P. 767-777.

26. Christoffersen M.R., Christoffersen J., Kibalczyc W. Apparent solubility of two amorphous calcium phosphates in the temperature range 30-42 °C // J. Crystal Growth. 1990. Vol. 106. P. 349-354.

27. Kibalczyc W., Christoffersen J., Christoffersen M.R., Zielenkiewicz A., Zielenkiewicz W. The effect of magnesium on the precipitation of calcium phosphates // J. Crystal Growth 1990. Vol. 106. P. 355-366.

28. Tadic D., Peters F., Epple M. Continuous synthesis of amorphous carbonated apatites // Biomaterilas. 2002. Vol. 23. P. 2553-2559.

29. Mitchell P.C.H., Parker S.F., Simmons J., Taylor M.G. Hydrated sites in biogenic amorphous calcium phosphates: an Infrared, Raman and inelastic neutron scattering study // J. Inorg. Biochem. 1996. Vol. 62. P. 183-197.

30. Harries J.E., Hukins D.W.L., Holt C., Hasnain S.S. Conversion of amorphous calcium phosphate into hydroxyapatite investigated by EXAFS spectroscopy // J. Crystal Growth. 1987. Vol. 84. P. 563-570.

31. Skrtic D., Antonucci J.M., Eanes E.D., Eichmiller F.C., Schumacher G.E. Physiochemical evaluation of bioactive polymeric composites based on hybrid amorphous calcium phosphates //J. Biomed. Mater. Res. 2000. Vol. 53. P. 381-391.

32. Орловский В.П., Суханова Г.Е., Ежова Ж.А., Родичева Г.В. Гидроксиапатитная биокерамика // ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1991. Т. XXXVI. № 6. С. 683-690.

33. Jillavenkatessa A., Condrate R.A. Sol-gel processing of hydroxyapatite // J. Mater. Sci. 1998. Vol. 33. P. 4111-4119.

34. Tkalcec E., Sauer M., Nonninger R., Schmidt H. Sol-gel-derived hydroxyapatite powders and coatings // J. Mater. Sci. 2001. Vol. 36. P. 5253-5263.

35. Liu D.M., Troczynski Т., Tseng W.J. Water-based sol-gel synthesis of hydroxyapatite: process development// Biomaterials. 2001. Vol. 22. P. 1721-1730.

36. Liu D.M., Yang Q., Troczynski Т., Tseng W.J. Structure evolution of sol-gel-derived hydroxyapatite // Biomaterials. 2002. Vol. 23. P. 1679-1687.

37. Liu D.M., Troczynski Т., Tseng W.J. Aging effect on the phase evolution of water-based sol-gel hydroxyapatite//Biomaterials. 2002. Vol. 23. P. 1227-1236.

38. Hsieh M.F., Perng L.H., Chin T.Sh., Perng H.G. Phase purity of sol-gel-derived hydroxyapatite ceramics // Biomaterials. 2001. Vol. 22. P. 2601-2607.

39. Lim G.K., Wang J., Ng S.C., Gan L.M. Nanosized hydroxyapatite powders from microemulsions and emulsions stabilized by biodegradable surfactant // J. Mater. Chem. 1999. Vol. 9. P. 1635-1639.

40. Walsh D.} Mann S. Chemical synthesis of microskeletal calcium phosphate in bicontinuous microemulsions // Chem. Mater. 1996. Vol. 8. P. 1944-1953.

41. Kandori K., Horigami N. Texture and formation mechanism of fibrous calcium hydroxyapatite particles prepared by decomposition of calcium-EDTA chelates // J. Am. Ceram. Soc. 1997. Vol. 80, No.5, P.l 157-1164.

42. Орловский В.П., Родичева Г.В., Ежова Ж.А., Коваль Е.М., Суханова Г.Е. Изучение условий образования гидроксилапатита в системе СаСЬ (NIit)2HP04 - NH4OH — Н2О (25 °С) // Журн. неорган, химии. 1992. Т. 37. Вып. 4. С. 881-883.

43. Чумаевский Н.А., Орловский В.П., Родичева Г.В., Ежова Ж.А., Минаева Н.А., Коваль Е.М., Суханова Г.Е., Стебельский А.В. Синтез и колебательные спектры гидроксилапатита кальция // Журн. неорган, химии. 1992. Т. 37. Вып. 7, С. 1455-1457.

44. Родичева Г.В., Орловский В.П., Романова Н.М. Синтез и физико-химическое исследование пролинсодержащего гидроксилапатита кальция // Журн. неорган, химии. 2000. Т. 45. №. 12, С. 1970-1972.

45. Родичева Г.В., Орловский В.П., Романова Н.М. Синтез и физико-химическое исследование глицинсодержащего гидроксилапатита кальция // Журн. неорган, химии. 2000. Т. 45. № 4. С. 648-651.

46. Lazic S. Microcrystalline hydroxyapatite formation from alkaline solutions // J. Crystal Growth. 1995. Vol. 147. P.147-154.

47. Liu C., Huang Y., Shen W., Cui J. Kinetics of hydroxyapatite precipitation at pH 10 to 11 // Biomaterials. 2001. Vol. 22. P. 301-306.

48. Bouyer E., Gitzhofer F., Boulos M.I. Morphological study of hydroxyapatite nanocrystal suspension // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2000,11, p.523-531.

49. Rodriguez-Lorenzo L.M., Vallet-Regi M. Controlled crystallization of calcium phosphate apatites // Chem. Mater. 2000. Vol. 12. P. 2460-2465.

50. Liu Y., Sethuraman G. The crystallization of fluorapatite in the presence of hydroxyapatite seeds and of hydroxyapatite in the presence of fluorapatite seeds // J. Colloid Interface Sci. 1997. Vol. 186. P. 102-109.

51. Heughebaert J.C. The Growth of nonstoichiometric apatite from aqueous solution at 37 °C, I. Methodology and growth at pH 7.4 // J. Colloid Interface Sci. 1990. Vol.135. P. 20-32.

52. Chander S., Fuerstenau D.W. Interfacial properties and equilibria in the apatite-aqueous solution system // J. Colloid and Interface Sci. 1979. Vol.70. No.3 P. 506-516.

53. Kivrak N., Tas A. Synthesis of calcium hydroxyapatite-tricalcium phosphate (HA-TCP) composite bioceramics powders and their sintering behavior // J. Am. Ceram. Soc. 1998. Vol. 81. No.9. P. 2245-2252.

54. Slosarczyk A. et al Calcium phosphate materials prepared from precipitates with various calcium:phosphorus molar ratios // J. Am. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79. No. 10. P. 2539-2544.

55. Кибальчиц В., Комаров В. // Ж. Неорган. Хим. 1980. Т. 25. № 2. С. 565-567.

56. Melikhov I., Dorozhkin S., Nikolaev A. // Russ. J. Phys. Chem. 1990. Vol. 64. P. 1746. ,

57. Suchanek W., Yashimura M. Biocompatible whiskers with controlled morphology and Stoichiometry // J. Mater. Res. 1995. Vol. 10, No.3, P. 521-529.

58. Mortier A., Lemaitre J. Synthesis and thermal behavior of well-crystallized calcium-deficient phosphate apatite // J. Solid State Chem. 1989. Vol. 78. P. 215-219.

59. Yoshimura M., Suda H. Hydrothermal processing of hydroxyapatite: past, present and future // Hydroxyapatite and related materials / P.W. Brown, B. Constantz editors. 1994. CRC Press Inc. P. 45-72.

60. Orlovskii V.P., Barinov S.M. Hydroxyapatite and hydroxyapatite-matrix ceramics: a survey // Russian J. Inorg. Chem. 2001. Vol. 46. Suppl. 2. P. 129-149.

61. Brown P.W., Martin R.I. The effect of magnesium on hydroxyapatite formation in vitro from CaHP04 and Ca4(P04)20 at 37.4°C // Calcif. Tissue Int. 1997. Vol. 60. P. 538-546.

62. TenHuisen K.S., Brown P.W. Variation in solution chemistry during calcium-deficient and stoichiometric hydroxyapatite formation from СаНР04-2Нг0 and Са4(Р04)г0 // J. Biomed. Mater. Res. 1997. Vol. 36. P. 233-241.

63. Brown P.W., Martin R.I. An analysis of hydroxyapatite surface layer formation // J. Phys. Chem. B. 1999. Vol. 103. P. 1671-1675.

64. Brown P.W., Fulmer M. Kinetics of hydroxyapatite formation at low temperatures // J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74. No. 5. P. 934-940.

65. Brown P.W., Hocker N. Hoyle S. Variations in solution chemistry during the low-temperature formation of hydroxyapatite // J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74. No. 8. P. 18481854.

66. Fulmer M., Brown P.W. Effects of temperature on the formation of hydroxyapatite // J. Mater. Res. 1993. Vol. 8. No. 7. PP. 1687-1993.

67. Martin R.I., Brown P.W. Aqueous formation of hydroxyapatite // J. Biomed. Mater. Res. \ 1997. Vol. 35. P. 299-308.

68. Graham S., Brown P.W. Reaction of octacalcium phosphate to form hydroxyapatite // J. Crystal Growth. 1996. Vol. 165. P. 106-115.

69. Kumar M., Xie J., Chittur K., Riley C. Transformation of modified brushite to hydroxyapatite in aqueous solution: effect of potassium substitution // Biomaterials. 1999. Vol. 20. P. 1389-1399.f

70. Yubao L., Xingdong Z., de Groot K. Hydrolysis and phase transition of alpha-tricalcium phosphate // Biomaterials. 1997. Vol. 18. No. 10. P. 737-741.

71. Ginebra M., Ferdinant E., Driessed C.M., Planell J.A. Modeling of hydrolysis of a-tricalcium phosphate // J. Am. Ceram. Soc. 1999. Vol. 82. No. 10. P. 2808-2812.

72. TenHuisen K.S., Brown P.W. Formation of calcium-deficient hydroxyapatite from a-tricalcium Phosphate//Biomaterials. 1998. Vol. 19. P. 2209-2217.

73. TenHuisen K.S., Brown P.W. Phase evolution during the formation of a-tricalcium phosphate//J. Am. Ceram. Soc. 1999. Vol. 82. No. 10. P. 2813-2818.

74. Lin F.H., Liao Ch.J., Chen K.Sh., Sun J.Sh., Lin Ch.P. Petal-like apatite formed on the surface of tricalcium phosphate ceramic after soaking in distilled water // Biomaterials. 2001. Vol. 22. P. 2981-2992.

75. Bigi A., Boanini E., Botter R., Panzaolta S., Rubini K. ce-Tricalcium phosphate hydrolysis to ocacalcium phosphate: effect of sodium polyacrylate // Biomaterials. 2002. Vol. 23. P. 18491854.

76. К. Сангвал Травление кристаллов: теория, эксперимент, примененние // Пер. с англ. М: Мир. 1990. С. 57-100.

77. Nancollas G.H., Zhang JFormation and dissolution mechanisms of calcium phosphates in aqueous systems // Hydroxyapatite and related materials / P.W. Brown, B. Constantz editors. 1994. CRC Press Inc. P. 73-81.

78. Christoffersen M.R., Dohrup J., Christoffersen J. Kinetics of growth and dissolution of calcium hydroxyapatite in suspensions with variable calcium to phosphate ratio // J. Crystal Growth. 1998. Vol. 186. P. 283-290.

79. Ito A., Kanzaki N., Onuma K., Treboux G., Tsutsumi S. Inhibitory effect of magnesium and zinc on crystallization kinetics of hydroxyapatite (0001) face // J. Phys. Chem. B. 2000. Vol. 104. P. 4189-4194.

80. Lusvardi G., Menabue L., Saladini M. Reactivity of biological and synthetic hydroxyapatite towards Zn(II) ion, solid-liquid investigations // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2002. Vol. 13. P. 91-98.

81. Родичева Г.В., Орловский В.П., Привалов В.И., Баринов С.М., Рустикелли Ф., Оскарссон С. Синтез и физико-химическое исследование карбонатгидроксиапатитов кальция типа А //Журн. неорган, химии. 2001. Т. 46. № 11. С. 1798-1802.

82. Manjubala I., Sivakumar М., Najma Nikkath S. Synthesis and characterization of hydroxyl/fluoroapatite solid solution //J. Mater. Sci. 2001. Vol. 36. P. 5481-5486.

83. Eans E.D., Hailer A.W. The effect of fluoride on the size and morphology of apatite crystals grown from physiologic solutions // Calcif. Tissue Int. 1998. Vol. 63. P. 250-257.

84. Eans E.D., Hailer A.W. Anionic Effect on the size and shape of apatite crystals grown from physiological solutions // Calcif. Tissue Int. 2000. Vol. 66. P. 449-455.

85. Doi Y., Shibutani Т., Kajimoto Т., Iwayama Y. Sintered carbonate apatites as bioresorbable bone substitutes //J. Bomed. Mater. Res. 1998. Vol. 39. P. 603-610.

86. Okazaki M., Takahashi J. Synthesis of functionally graded СОз apatite as surface biodegradable crystals // Biomaterials. 1999. Vol. 20. P. 1073-1078.

87. Morgan H., Wilson R.M., Elliot J.C., Dowker S.E.P., Anderson P. Preparation and characterization of monoclinic hydroxyapatite and its precipitated carbonate apatite intermediate // Biomaterials. 2000. Vol. 21. P. 617-627.

88. Pieters I. et al. Stoichiometry of K+ and CO32" containing apatites prepared by hydrolysis of octacalcium phosphate // Inorg. Chem. 1996. Vol. 35. P. 5791-97.

89. Cassela A.R., Campos R.C., Garrigues S., de la Guardia M., Rossi A. Fourier transform infrared determination of CO2 evolved from carbonate in carbonated apatites // Fresenius J. Anal. Chem. 2000. Vol. 367. P. 556-561.

90. Gibson I.R., Bonfield W. Preparation and characterization of magnesium/carbonate co-substituted hydroxyapatites // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2002. Vol.13. P. 685-693.

91. Rehman I., Bonfield W. Characterization of hydroxyapatite and carbonated apatite by photo acoustic FTIR spectroscopy // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1997. Vol. 8. P. 1-4.

92. De Mayer E.A.P., Verbeek R.M.H., Pieters I.Y. Influence of the solution composition on the stoichiometry of Na+ and K+ - containing carbonated apatites obtained by the hydrolysis of monetite // J. Crystal Growth. 1996. Vol. 169. P. 539-547.

93. Наглядный словарь "Человек" / Под ред. Е. Мирской. Изд.-во Дорлинг Киндерсли, Москва, 1997. С. 20-21.

94. Holand W. Biocompatible and bioactive glass-ceramics state of the art and new directions //J. Non-Crystalline Solids. 1997. Vol. 219. P. 192-197.

95. Burg K.J.L., Porter Sc., Kellam J.F. Biomaterials developments for bone tissue engineering // Biomaterials. 2001. Vol. 21. P. 2347-2359.

96. Власов A.C., Карабанова T.A. Керамика и медицина // Стекло и керамика. 1993. № 910. С. 23-25.

97. Suchanek W., Yashima М., Kakihana М., Yashimura М. Hydroxyapatite / hydroxyapatite-whiskers composites without sintering additives: mechanical properties and microstructural evolution //J. Am. Ceram. Soc. 1997. Vol. 80. No. 11. P. 2805-2813.

98. Yang X., Wang Z. Synthesis of biphasic ceramics of hydroxyapatite and p-tricalcium phosphate with controlled phase content and porosity // J. Mater. Chem. 1998. Vol. 8, No. 10. P. 2233-2237.

99. Engin N.O., Tas A.C. Manufacture of macroporous calcium hydroxyapatite bioceramics // J. European Ceram. Soc. 1999. Vol. 19. P. 2569-2572.

100. Yeong K.C.B., Wang J., Ng S.C. Fabricating densified hydroxyapatite ceramics from a precipitated precursor// Mater. Lett. 1999. Vol. 38. P. 208-213.

101. Klein C.P.A.T., Driessen A.A., de Groot K., van den Hoof A. Biodegradation behavior of various calcium phosphate materials in bone tissue // J. Biomed. Mater. Res. 1983. Vol. 17. P. 769-784.

102. Barinov S.M., Shevchenko S.M. Dynamic fatigue of porous hydroxyapatite bioceramics in air// J. Mater. Sci. Lett. 1995. Vol.14. No. 2. P. 582-583.

103. Fabbri M., Celotti G.C., Ravaglioli A. Granulates based on calcium phosphate with controlled morphology and porosity for medical application: physico-chemical parameters and production technique // Biomaterials. 1994. Vol. 15, No. 15, P. 474-477.

104. Fabbri M., Celotti G.C., Ravaglioli A. Hydroxyapatite based porous aggregates: physico-chemical nature, structure, texture and architecture // Biomaterials. 1995. Vol. 16, No. 15, P. 225-228.

105. Zyman Z.Z. Preparation and properties of inhomogeneous hydroxyapatite ceramics // J. Biomed. Mater. Res. 1991 Vol. 46. P. 135-140.

106. Lopes M.A., Monteiro F.J., Santos J.D. Glass-reinforced hydroxyapatite composites: Secondary phase proportions and densification effects on biaxial bending strength // J. Biomed. Mater. Res. 1999. Vol. 48. P. 734-740.

107. Komlev V.S., Bainov S.M. Porous hydroxyapatite ceramics of bi-modal pore size distribution // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2002. Vol. 13. P. 295-299.

108. Саркисов Н.Д., Михайленко Н.Ю., Хавлава B.M. Биологическая активность материалов на основе стекла и ситаллов // Стекло и керамика. 1993. № 9-10. С. 5-11.

109. Мао Ch., Li Н., Feng Q., Ma Ch. The functionalization of titanium with EDTA to induce biomimetic mineralization of hydroxyapatite // J. Mater. Chem. 1999. Vol. 9. P. 2573-2582.

110. Soten I., Ozin G.A. Porous hydroxyapatite-dodecylphosphate composite film on titania-titanium substrate //J. Mater. Chem. 1999. Vol. 9. P. 703-710.

111. Wen H.B., van den Brink J., de Wijn J.R., Cui. F.Z., de Groot K. Crystal growth of calcium phosphate on chemically treated titanium // J. Crystal Growth. 1998. Vol.186. P. 616-623.

112. Sasaki N. et al. Mechanical properties of hydroxyapatite-reinforced gelatin as a model system of bone// Biomaterials. 1989. Vol. 10. P. 129-132.

113. Kang H., Tabata Y., Ikada Y. Fabrication of porous gelatin scaffolds for tissue engineering // Biomaterials. 1999. Vol. 20. P. 1339-1344.

114. Iijima M., Moriwaki Y. Lengthwise and oriented growth of octacalcium phosphate crystal in polyacrylamide gel in a model system of tooth enamel apatite formation // J. of Crystal Growth. 1998. Vol. 194. P. 125-132.

115. Iijima M., Moriwaki Y. Effects of ionic inflow and organic matrix on crystal growth of octacalcium phosphate; relevant to enamel formation // J. of Crystal Growth. 1999. Vol. 198199. P. 670-676.

116. Tanahashi M., Kamiya K., Sazuki Т., Nasu H. Fibrous hydroxyapatite grown in the gel system: effects of pH of the solution on the growth rate and morphology II J. Mater. Sci. Mater. Med. 1992. Vol. 3. P. 48-53.

117. Bigi A., Panravolta S., Roveri N. Hydroxyapatite gelatin films: a structural and mechanical characterization //Biomaterials. 1998. Vol. 19. P. 739-744.

118. Bakos D., Soldan M., Hernandez-Fuents I. Hydroxyapatite-collagen-hyaluronic acid composite // Biomaterials. 1999. Vol. 20. P. 191-195.

119. Yaylaoglu M.B., Korkusur P., Ors U, Korkusur K., Hasirci V. Development of calcium phosphate-gelatine composite as a bone substitute and its use in a drug release // Biomaterials. 1999. Vol. 20. P. 711-719.

120. Lin F., Yao C., Sun J., Liu H., Huang C. Biological effects and cytotoxicity of the composite composed by tricalcium phosphate and glutaraldehyde cross-linked gelatin II Biomaterials. 1998. Vol. 19. P. 905-917.

121. F.Lefaucheux, M.C.Robert. Crystal growth in gels // Handbook of Crystal Growth, Elsevier. 1994. Vol. 2. P. 1273-1301.

122. Guild F.J., Bonfield W. Predictive modeling of the mechanical properties and failure processes in hydroxyapatite-polyethylene (Hapex ) composite // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1998. Vol. 9. P. 497-502.

123. Wang M., Joseph R., Bonfield W. Hydroxyapatite-polyethylene composites for bone substitution: effects of ceramic particle size and morphology // Biomaterials. 1998. Vol. 19. P. 2357-2366.

124. M. Antonietti et al Inorganic/organic mesostructures with complex architectures: precipitation of calcium phosphate in the presence of double-hydrophilic block copolymers // Chem. Eur. J., 1998, v.4 12., p.2493-2500.

125. Kim H.M. Composition and structure of the apatite formed on PET substrate in SBF modified with various ionic activity products // J. Biomed. Mater. Res. 1999. Vol.46. P. 228235.

126. Tanahashi M., Kokubo T. Apatite coating on organic polymers by a biomimetic process // J. Am. Ceram. Soc. 1994. Vol. 77. No. 11. P. 2805-2808.

127. Rhee S.H., Tanaka J. Hydroxyapatite coating on a collagen membrane by a biomimetic method//J. Am. Ceram. Soc. 1998. Vol. 81,No. 11, P. 3029-3031.

128. TenHuisen K.S., Martin R.I., Klimkiewicz M., Brown P.W. Formation and properties of a synthetic bone composite: hydroxyapatite-collagen // J. Biomed. Mater. Res. 1995. Vol. 29. P. 803-810.

129. Yan W.Q., Oka M., Nakamura T. Bone bonding in bioactive glass ceramics combined with bone matrix gelatin // J. Biomed. Mater. Res. 1998. Vol. 42. P. 258-265.

130. Hirota K., Nishihara K., Tanaka H. Pressure sintering of apatite-collagen composite // Biomedical Mater.Eng. 1993. Vol. 3. No. 3. P. 147-151.

131. Bertoni E., Bigi A. et al Hydroxyapatite/polyacrylic acid nanocrystals // J. Mater. Chem. 1999. Vol. 9. P. 779-782.

132. Black G. Mechanical properties of degraded gelatins // Nature. 1955. Vol. 176. P. 26-27.

133. Ozin G.A. Bone mimetics: a composite of hydroxyapatite and calcium dodecylphosphate lamellar phase // J. Mater. Chem. 1997. Vol. 7. No.8. P. 1601-1607.

134. Nancollas G., Wu W. Biomineralization mechanisms: a kinetics and interfacial energy approach // J. Crystal Growth. 2000. Vol. 211. P. 137-142.

135. Kousopoulos S., Dalas E. The calcification of fibrin in vitro // J. Crystal Growth. 2000. Vol. 216, P. 450-458.

136. Weiner S., Addadi L. Design strategies in mineralized biological materials // J. Mater. Chem. 1997. Vol. 7, No. 5, P. 689-702.

137. Yoshihara S., Kokubo Т., Nishimura N., Yamamuro Т., Nakamura T. Effect of glass composition on compressive strength of bioactive cement based on Ca0-Si02-P20s glass powders // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1994. Vol. 5, P. 123-129.

138. Kokubo Т., Yoshihara S., Nishimura N., Yamamuro Т., Nakamura T. Bioactive bone cements based on Ca0-Si02-P205 glass // J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74. No. 7. P. 173941.

139. Bermudez O., Boltong M.G., Driessens F.C.M., Planell J.A. Development of some calcium phosphates from combinations of Of-TCP, MCPM and CaO // Mater. Sci. Mater. Med. 1994. Vol. 5. P. 160-163.

140. Bermudez O., Boltong M.G., Driessens F.C.M., Planell J.A. Compressive strength and diametral tensile strength of some calcium-orthophosphate cements: a pilot study // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1993. Vol. 4. P. 389-393.

141. Driessens F.C.M., Boltong M.G., Bermudez O., Planell J.A. Formulations and setting times of some calcium orthophosphate cements: a pilot study // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1993. Vol. 4. P. 503-508.

142. Driessens F.C.M., Boltong M.G., Bermudez O., Planell J.A., Ginebra M.P., Fernandez E. Effective formulations for the preparation of calcium phosphate bone cements // J. Mater. Sci. Mater. Med. 1994. Vol. 5. P. 164-170.

143. Kim S.R., Lee J.H., Kim Y.T., Riu D.H., Jung S.J., Lee Y.J., Chung S.C., Kim Y.H. Synthesis of Si, Mg substituted hydroxyapatites and their sintering behaviors // Biomaterials. 2003. Vol.24. P. 1389-1398.

144. Gibson I.R., Best S.M., Bonfield W. Chemical characterization of silicon-substituted hydroxyapatite // J. Biomed. Mater. Res. 1999. Vol. 44. P. 422.

145. Patel N., Best S.M., Bonfield W., Gibson I.R., Hing K.A., Damien E., Revell P.A. A comparative study on the in vivo behavior of hydroxyapatite and silicon substituted hydroxyapatite granules // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2002. Vol. 13. P. 1199-1206.

146. Sayer M., Stratilatov A.D., Reid J., Calderin L., Stott M.J., Yin X., MacKenzie M., Smith T.J.N., Hendry J.A., Langstaff S.D. Structure and composition of silicon-stabilized tricalcium phosphate // Biomaterials. 2003. Vol. 24. P. 369-382.

147. Лазоряк Б.И., Голубев B.H., Азиев Р.Г. Строение силикофосфатов Ca(3+X)D(i-x/PCUbci-x)(Si04)2x // Кристаллография. 1988. т.ЗЗ. Вып.5. С. 1113-1121.