Получение и некоторые физико-химические свойства биогенного нанокристаллического гидроксиапатита тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

005537044

Голощапов Дмитрий Леонидович

ПОЛУЧЕНИЕ И НЕКОТОРЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОГЕННОГО НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГИДРОКСИАПАТИТА

Специальность 01.04.07 - «физика конденсированного состояния»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

7 НОЯ 2013

Воронеж 2013

005537034

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет»

Научный руководитель: доктор физико - математических наук,

профессор Домашевская Эвелина Павловна

Официальные оппоненты: Даринский Борис Михайлович,

доктор физико - математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет»; кафедра индустрии наносистем и материаловедения, профессор

Кущев Сергей Борисович,

доктор физико - математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет», кафедры физики твердого тела, профессор

Ведущая организация: Московский государственный университет им.

М.В. Ломоносова, г. Москва

Защита состоится «28» ноября 2013 г. в 1710 на заседании диссертационного совета Д.212.038.06 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская площадь, 1, Воронежский государственный университет, физический факультет, ауд. №. 430

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан «25» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дрождин

Сергей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

♦ Актуальность темы. Интересы многих исследовательских групп в современном мире сосредоточены на получении и исследовании физико-химических свойств нанок-ристаллического гидроксиапатита кальция (ГАП) Са10(РО4)6(ОН)2 из-за сродства данного материала к минеральной составляющей костной ткани человека. ГАП в различных формах используется в современной медицине для создания биопокрытий имплантатов, стоматологических цементов и лекарственных паст. Область применения гидроксиапатита кальция сильно зависит от его структурных характеристик, которые определяются выбором исходных реагентов и метода получения и обработки материала. Получение ГАП с использованием биологических источников кальция может удешевить процесс создания биоматериалов. Однако, свойства подобного ГАП могут быть отличны от известных ввиду наличия собственной морфологии, структуры и разнообразного элементного и фазового состава у исходных веществ.

Особый интерес представляют материалы на основе карбонат-замещенного гидроксиапатита кальция (КГАП), который имеет лучшие характеристики по резорбируемо-сти в организме человека. Однако его образование в зубной эмали, например, свидетельствует о начале развития определенной патологии. В связи с этим ведутся работы по созданию экспресс методик анализа естественной костной ткани человека методами фотолюминесцентной и рамановской спектроскопии. Поэтому создание материалов с использованием биологических источников кальция с определенным типом замещения по карбонат аниону и установление взаимосвязи между структурой, элементным составом и свойствами КГАП (оптическими, сорбционными, диэлектрическими и термическими) является значимой задачей физики конденсированного состояния, перспективной с точки зрения использования полученных материалов в области медицины, в том числе в сфере стоматологии.

♦ Цель работы. Установление закономерностей влияния структуры и элементного состава нанокристаллического гидроксиапатита на фотолюминесцентные, сорбционные и диэлектрические свойства, с использованием при его получении биогенного источника кальция.

♦ Основные задачи исследования:

• Разработать методику получения нажнфисталлического гидроксиапатита с использованием биогенного источника кальция в виде яичной скорлупы, обладающего физико-химическими свойствами, близкими к неорганической составляющей зубной эмали человека;

• Исследовать зависимость фазового состава и морфологических особенностей образцов гидроксиапатита от условий получения и термической обработки;

• Определить влияние элементного состава и соотношения Са/Р получаемого гидроксиапатита на основные физико-химические свойства;

• Установить природу фотолюминесценции, сорбционных и диэлектрических свойств нанокристаллического гидроксиапатита;

• Провести сравнительный анализ структурных и морфологических характеристик образцов гидроксиапатита и зубной эмали.

♦ Объекты и методы исследования. В работе исследовались образцы, полученные с использованием яичной скорлупы птиц, методом химического осаждения из раствора при различных значениях рН=9, 8.5, 8, 7.5, 7. Образцы полученного гидроксиапатита сравнивались со срезом эмали зуба. Срез эмали зуба имел толщину ~2 мм и анализировался как с внешней стороны, так и с внутренней стороны зуба, пограничной с дентином.

Для исследований структурных и физико-химических свойств использовались методы рентгеноструктурного анализа (РСА), инфракрасной (ИК), рамановской, фотолюминесцентной (ФЛ) спектроскопии и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), растровой электронной микроскопии (РЭМ), тепловой десорбции азота (ТДА) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).

♦ Научная новизна определяется тем, что:

1. Впервые получены морфологически однородные образцы карбонат-замещенного гидроксиапатита B-типа с диаметром стержневидных нанокристаллов ~20 нм и длиной ~50 нм, методом химического осаждения с использованием яичной скорлупы птиц в качестве источника кальция.

2. Установлены пределы термической стабильности фазы карбонат-замещенного гидроксиапатита Са10((РО4)1-х(СОз)х)6(ОН)2 (до 700°С), получаемой по заявленной методике. При отжигах >700°С в образцах появляется вторая фаза ß-(Ca,Mg)j(P04)2, допированная магнием, содержащимся в яичной скорлупе.

3. Показано, что интенсивность фотолюминесценции в полученных образцах зависит от соотношения Са/Р, обусловленного замещением групп РО4 группами СО3 в структуре КГАП.

♦ Практическая значимость результатов работы определяется тем, что полученные в ходе исследований данные могут быть использованы для создания технологии получения нанокристаллического КГАП с использованием биологического источника кальция по удешевленной методике синтеза данного материала и решением проблемы использования отходов птицеводческих ферм в виде яичной скорлупы птиц. Удельная поверхность у образцов КГАП, полученных по разработанной методике, в -4 раза больше, чем у образцов ГАП, полученных по стандартной технологии. Это может быть использовано при разработке новых составов нанокомпозитов на основе КГАП.

Результаты работы могут быть использованы также при моделировании и анализе биогенных структур и создании материалов для реставрационных работ в области стоматологии. Разработанные методики оказываются полезными при модернизации контроля технологических процессов нанесения КГАП различными способами на поверхность металлических имплантатов.

Предложенные методики исследования КГАП с помощью фотолюминесценции, рамановской и инфракрасной спектроскопии дают возможность их использования для экспресс-анализа состояния зубной ткани.

♦ Достоверность полученных результатов основана на воспроизводимой методике получения материалов с заданными свойствами, проверке результатов на высокоточных современных приборах, применением независимых методов обработки данных и воспроизведением обнаруженных эффектов в ряде работ российских и зарубежных авторов и в использовании современного программного обеспечения для их анализа.

♦ Научные положения, выносимые на защиту.

1. Методика получения нанокристаллического гидроксиапатита, состоящего из морфологически однородных частиц с диаметром стержневидных нанокристаллов ~20 нм и длиной ~50 нм, полученного с использованием биогенного источника кальция в виде яичной скорлупы.

2. Нанокристаллический гидроксиапатит, полученный по заявленной методике, является карбонат-замещенным гидроксиапатитом B-типа (КГАП) по данным ИК, рамановской спектроскопии и ЭПР.

3. Определение границ термической стабильности фазового состава от соотношения Са/Р. В материалах КГАП, полученных с соотношением элементов Са/Р=1.7, наиболее

близким к стехиометрическому значению (1.67), при отжиге 700°С появляется вторая фаза виглокит p-(Ca,Mg)3(P04)2.

4. Наличие фотолюминесценции в полученных образцах КГАП, интенсивность которой зависит от соотношения Са/Р, обусловленного замещением групп РО4 группами СО3. Интенсивность ФЛ уменьшается с приближением соотношения Са/Р к стехиометрическому, при котором ФЛ не наблюдается.

5. Наличие высокого значения удельной поверхности полученного КГАП, в —4 раза превосходящего соответствующие значения стандартов ГАП, известных из литературы.

6. Соответствие структурных свойств и элементного состава полученного КГАП с материалом дентина зуба, включающим нанокристаллы КГАП со средними размерами ~10 нм.

♦ Личный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре Физики твердого тела и наноструктур Воронежского госуниверситета и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры, а также грантов РФФИ и ФЦП. Все включенные в диссертацию данные получены лично 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.

♦ Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на II Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых учёных «Наноматериалы 2009» (Рязань, 2009г.), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 2009г.), IV Всероссийской конференции с международным участием «Химия поверхности и нанотехнология» (Хилово, 2009г), XVII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов»-2010 (Москва, 2010г.), V Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» ФАГРАН-2010-(Воронеж, 2010г.), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоно-сов»-2011 (Москва, 2011г.), II Международной школе «Наноматериалы и нанотехно-логии в живых системах. Безопасность и наномедицина»—2011 (Москва, 2011г.), Международной научной конференции «Прикладная физико-неорганическая химия»: (Севастополь, 2011г.), Международной конференции E-MRS ICAM IUMRS 2011 Spring Meeting (Strasbourg, 2011г.), VIII Национальной конференции «Рентгеновские, Син-хротронное излучения. Нейтроны и электроны для исследования наносистем и нано-материалов Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии» (Москва, 2011г.), XXV всероссийской конференции «Современная химическая физика» (Туапсе, 2013г.), V-ой Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2013» (Звенигород, 2013г.), Международной конференции E-MRS ICAM IUMRS 2013 Full Meeting (Strasbourg, 2013г.)

♦ Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4-х печатных работах в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ, из которых 1 статья в зарубежном научном журнале. Кроме того, 14 работ опубликовано в трудах конференций.

♦ Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения с выводами, изложенных на 131 странице машинописного текста, включая 57 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 159 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность заданной темы, описаны цель и задачи исследования, указана научная новизна, обоснованы практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту. Даны сведения о публикациях и апробации работы.

В первой главе на основании литературных данных дается обзор современных методов получения различных апатитов кальция и материалов на их основе, рассматриваются изученные физико-химические свойства полученных ГАП, производится сопоставление с известными данными для КГАП, получаемого методом химического осаждения, а также фосфатов кальция, полученных с использованием разнообразных биологических источников. Приведены литературные данные относительно кристаллической структуры, оптических, сорбционных и диэлектрических свойств и морфологии ГАП и его замещенных форм. На основе анализа литературных источников сделаны выводы, поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе описано получение методом химического осаждения с использованием яичной скорлупы образцов нанокристаллического гидроксиапатита кальция Са!0(РО4)6(ОН)2, указаны отличительные особенности режимов последующих температурных обработок. Охарактеризованы образцы исходного материала - яичной скорлупы и зубной эмали. Кратко описаны методы исследования.

Проведено обсуждение возможностей методов рентгенофазового анализа, приведены расчеты по определению величины размеров нанокрисгаллов ГАП. Указанные методики осуществлялись с использованием рештенодифракционных методов на дифракто-метре ДРОН-4-07 «Буревестник» с Си и Co-излучением, а также на дифракгометре Thermo ARL X-TRA «Thermo Techno» с Си излучением.

Обоснована актуальность и необходимость применения оптических методов исследования полученных образцов: С помощью ИК-спекгрометра Vertex 70 «Bruker» изучены особенности ИК- спекгров пропускания полученных образцов в области от 4000-400см"'. ИК-спеюры порошкообразных материалов получены с помощью метода нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Для эмали зуба были получены спектры поглощения, которые перестраивались в спектры пропускания с помощью соответствующих расчетных методик.

В дополнение к ИК-спектроскопии для изучения возможных структурных изменений в решетке ГАП была применена рамановская спектроскопия. Анализ данных проводился на приборе LabRam HR800. Рамановский сдвиг для образцов гидроксиапатита кальция измерялся в области от 200-1600 нм. В результате использования этих методов было установлено частичное замещение групп Р04 группами С03 с образованием КГАП.

Влияние параметров получения и термической обработки КГАП на интенсивность максимумов фотолюминесценции исследовалось при помощи прибора LabRam HR800 и на автоматическом спектрально-люминесцентном комплексе на основе монохроматора МДР-4. Полученные спектры возбуждались УФ лазером с длиной волны 405 и 450 нм.

Методом радиоспектроскопии (ЭПР) проводилось исследование по изучению природы парамагнитных центров КГАП. Регистрация спекгров была осуществлена при помощи спектрометра Bruker Е580 FT/CW. Спектры стационарного и импульсного ЭПР были измерены в Х-диапазоне частот с микроволновой частотой -9.2-9.8 ГГц при Т = 300 К. Для регистрации спекгров полученные образцы были подвергнуты воздействию электронного пучка с дозой 10 кГр.

Особенности диэлектрических характеристик КГАП, определялись методами импеданс-спектроскопии с использованием LCR-метра GW; LCR-819. Для этого метода об-

разцы ГАП спрессовывали на алюминиевой фольге при давлении 300 бар. Измерения проводили при различных значениях относительной влажности p/ps - 33, 65, 76, 85, 100%.

Просвечивающая электронная микроскопия, позволяющая провести непосредственную оценку размеров кристаллов образцов, исследовать и получить микродифракцию от локальных участков нанокристаллов КГАП, осуществлялась на электронном микроскопе Libra 120 Carl Zeiss

Методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) JSM 6380LV определены особенности морфологии образцов КГАП, поверхности зубной эмали, а также морфологии исходных материалов. Для исследований методом РЭМ, на образцы КГАП наносилась тонкая пленка золота Присутствие микроэлементов в исходных образцах яичной скорлупы и в полученных образцах, определение величины соотношения Са/Р проводилось на приставке Inca-250 электронного микроскопа JSM 6380LV.

По результатам измерений объёма газа, сорбируемого на исследуемых образцах при четырёх различных значениях парциального давления, с использованием программного обеспечения UniSorbi для прибора СОРБИ-MS по теории Брунауера-Эммета-Теллера (БЭТ) были рассчитаны удельные площади поверхности порошков КГАП и произведены оценки размеров частиц, составляющих порошок.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению атомного строения, фазового состава и морфологии методами РФ А, ИК, рама-новской спектроскопии, РЭМ, МА, ПЭМ образцов ГАП полученных с использованием яичной скорлупы птиц из растворов с различными значениями pH = 9, 8.5, 8, 7.5,7.

Рентгенофазовый анализ исходных и полученных материалов проводился в программной среде Match с использованием базы данных международного центра стандартов JCPDS -ICDD. По результатам сравнения межплоскостных расстояний и интенсивностей с образцами базы стандартов было установлено, что яичная скорлупа является магний-замещенным карбонатом кальция и соответствует стандарту №96-900-1298

(Cao,936Mgo.o64C03)(pHC. 1).

Рис. 1: Дифракгограмма яичной скорлупы, проин-дицированная в соответствии с №96-900-1298

Рис 2 Дифракгограммы микрокристаллического ГАП (1) и полученного в данной работе ГАП (2)

На рис. 2 показано сравнение получаемого в данной работе материала (рН=8.5) с микрокристаллическим образцом ГАП, полученным по стандартной технологии без использования скорлупы яиц. Оценка величины кристаллитов полученного материала была произведена по уширению рештенодифракционных линий в сравнении с микрокристаллическим образцом. Анализ проводился по рефлексу (002) в соответствии с формулой Шерерра:

L = kA/ßcos0, (1)

где L - средняя величина кристаллитов, k-константа, близкая к единице, к- длина волны рентгеновского излучения (Со Kai,2; 1.7903 А), ß -уширение рентгеновского рефлекса

(3=(В-Ь)/2, где В - полуширина дифракционной линии (002); Ь - полуширина дифракционной линии (002) эталонного микрокристаллического образца, 9 - брегтовский угол дифракционной линии (002). Оценка средней величины кристаллитов синтезированного на-

Рнс. 3: Дифракгограмма полученных материалов Рис 4: Дифракгограмма полученных материа-с рН=9, 8.5,8,7.5,7 отожженных при 400°С лов с рН=9,8.5,8,7.5,7 отожженных при 700°С

На рис. 3 приведены данные РСА для образцов, синтезированных при значениях рН в пределах от 9 до 7, отожженных после синтеза при 400°С. Сравнение дифракгограмм не обнаруживает никаких различий, что свидетельствует об одинаковом фазовом составе материалов нанокрисгаллического ГАП. Отличия в характеристиках материалов синтезированных при конечных значениях рН растворов 9, 8.5, 8, 7.5, 7, начинают проявляться при отжиге 700°С (рис. 4). В порошковых материалах, полученных из растворов с меньшим рН - 7,5 и 7, т.е. с меньшим соотношением Са/Р, начинается разложение ГАП с образованием витлокита P-(Ca,Mg)3(P04)2. Образцы, синтезированные при значениях рН 9; 8,5; 8 конечного раствора, при температуре 700°С содержат единственную фазу - гидроксиапатит.

Сравнение материалов, полученных при разных значениях рН и отожженных при температуре 900°С, подтвердило эту закономерность: образцы ГАП синтезированные с меньшим значением рН конечного раствора (7,5 и 7) при данной температуре отжига полностью переходят в витлокит, а с большим рН (9, 8.5, 8) сохраняют фазу гидроксиапатита с одновременным присутствием фазы витлокита, которая в различной степени Рис.5: Дифракгограмма полученных материалов присутствует в отожженных при 900°С с рН=9,8.5,8,7.5,7 отожженных при 900"С образцах (рис. 5).

Для анализа тонких решеточных свойств исходного материала и получаемых ГАП и возможного включения карбонат аниона в структуру ГАП использовалась ИК-спектроскопия. На рис. 6 представлен ИК-спектр яичной скорлупы, который также сопоставлялся с ИК-спекгром стандарта № 96-450-2444 карбоната кальция. Имеющиеся моды колебаний на 2513, 1401, 870 см"1 отвечают связям С02, которые присутствует в структуре карбоната СаС03, а максимумы на 1640 и 3288 см"1 относятся к молекулам воды (Н20), не включенной в структуру ГАП. Остальные максимумы спектра принадлежат органической

18 20 2S 30 35 40 40 60 «5 60 U

28, deg

составляющей скорлупы (белку овальбумину), имеющему сложную структурную организацию, включающую связи С-С и С-Н в разнообразном сочетании.

))

■ 2 ; / i !гт M /

о 1 8 "Ii § § s

. . ff , -Ч | г

Рис. 6: ИК-спектр яичной скорлупы Рис. 7: ИК-спектры микрокристаллического

ГАП (2) и полученного ГАП с рН=8.5 (1)

Моды колебаний в области от 950 см"1 до 1100 см"1 относятся к фосфорно-кислородным связям. Присутствие фосфора в скорлупе обнаруживается и по данным РСМА, однако, его содержание не превышает 5%. Недостаток фосфора для стехио-метрического соотношения Са/Р в составе биогенного ГАП компенсируется добавлением в раствор ортофосфорной кислоты. Из сопоставления ИК-спектров образца ГАП, полученного при рН=8.5, видно (рис.7), что в его спектре наличествуют все моды колебаний, имеющиеся у микрокристаллического ГАП, полученного по стандартной технологии. Однако важным отличием биогенного ГАП является присутствие малоинтенсивных пиков 879 см"1 и 1415 см"1, соотносимых с группой СОэ Их появление может быть обусловлено высокой активностью исходного компонента СаО и присутствием С02 в процессе синтеза.

ooii 1Н

Рис. 8: ИК-спектры КГАП, полученных при Рис. 9: ИК-спекгры КГАП, полученных при рН=9,8.5,8,7.5,7 и отожженных при 400°С рН=9,8.5,8,7.5,7 и отожженных при 700°С

На рис. 8-10 представлены ИК-спектры образцов КГАП, синтезированных с различными значениями рН, изменяющимися в интервале от 7 до 9. Спектры рис.8 свидетельствуют, что образцы, полученные при различных значениях рН с последующим отжигом при 400°С, и содержащих по данным РСА единственную фазу - гидроксиапатит, не содержат никаких дополнительных мод колебаний, что также свидетельствует об их однофазности.

Особенности, наблюдаемые в ИК-спектрах материалов, отожженных при 700°С (рис.9), заключаются в появлении тонкой структуры мод колебаний (пики на 1114, 977 и 948 см"'), у материалов КГАП, полученных из растворов с конечным значением рН 7 и 7,5. Появление дополнительной структуры на ИК-спектрах обусловлено возникновением вто-

рой фазы - витлокита при 700°С, что соответствует данным рентгеновской дифракции. Значения колебательных связей КГАП приведены в табл. 1 (моды витлокита обозначены - и/)

Таблица 1. Моды колебаний ИК- спектров в отожженных образцах КГАП.

Офазцы Колебательные частоты V см"1

ю4 V4 ро4 V4 ОН СОз V3 ро4 (№) ро4 V1 ю4 м ГО4 V5 р04 V5 ГО4 (№) СОз V5 СОз ОН

ГАП 400"С 573 602 627 879 963 1022 1090 1415 1451 3570

ГАП 700иС 573 601 630 878 963 1021 1089 1416 1456 3571

ГАП900иС 573 598 630 949 962 977 1017 1087 1122 3573

Появление витлокита в составе материалов, отожженных при 700°С, свидетельствует о меньшей температурной стабильности данных образцов КГАП по сравнению с материалами, полученными при рН = 8; 8,5; 9.

При дальнейшем повышении температуры отжига до 900°С (рис. 10), тонкая структура в виде дополнительных максимумов при 1114 см"1, 977 см"1 и 948 см"1, свидетельствующая о присутствии фазы витлокита, проявляется во всех образцах, что согласуются и с результатами рентгенофазового анализа.

Рис. 10: ИК-спекгры ГАП, полученных при рН=9,8.5, 8,7.5, 7 и отожженные при 900°С

Наличие небольших пиков на 879 , 1429 и 1450 см"1, характерных для группы С032", характеризует образование в полученных образцах карбонат-замещенного гид-роксиапатита В-типа КГАП. Количество карбонат-ионов, замещающих группы РО4 в структуре КГАП, зависит от величины рН раствора при синтезе, и с понижением рН уменьшается, что хорошо иллюстрирует рис. 11.

£

г

19» 1МО 1450 1400 им 130» 1550 1500 1*50 1400 1350 1ЭОО

ш. СГП 1 Ст

Рис. И: ШС-моды группы СОз образцов КГАП, Рис. 12: ИК-моды группы С03 образцов КГАП, полученных с рН=9, 8.5, 8, 7.5, 7 и отожженных полученных с рН= 8.5, 7 и отожженных при при400°С 400,700,900°С

Полученные данные показывают (рис. 12), что в результате фазовых превращений КГАП при высокой температуре (900°С) происходит исключение СОэ2" из структуры гидроксиапатита. Таким образом, результаты исследований методами ИК и РСА показывают, что включение карбонат аниона в структуру ГАП увеличивает темпера-

туру фазового перехода КГАП - витлокит, и таким образом повышают уровень температурной стабильности биогенного материала.

Рамановская спектроскопия использовалась для установления наличия и влияния структурных дефектов в КГАП, создаваемых включенными ионами С032", которые по данным ИК спектроскопии занимают положения фосфорно-кислородной группы Р04.

200 400 ООО 000 1000 ООО 910 920 930 МО 950 900 970 980 000 1Ю0

u.cm __-i

' и, ст

Рис. 13: Рамановские спектры образцов с рН=9, Рис. 14: Асимметрия и сдвиг мод Р045" на 960 см" 8.5, 8, 7.5, 7.отожженных при 400°С 'с рН= 9, 8.5,8, 7.5, 7отожженных при 400ПС

В спектрах образцов с различным рН (рис. 13) кроме основных мод фосфорно-кислородной группы на 431, 587 и 961 см"', наблюдается мода колебаний, относящаяся как к карбонат аниону С032" так и к P04v на 1040 см"1. При детальном рассмотрении и проведении операции нормировки для самого интенсивного пика Р043 удалось установить, что результатом включения аниона С032 являются асимметрия и сдвиг (рис 14) данного пика Р043 на 5 см"1,что подтверждает данные ИК-спектроскопии о природе всех образцов как карбонат-замещенного гидроксиапатита В-типа.

Метод электронной растровой микроскопии был использован для изучения морфологии синтезированных материалов и оценки размеров частиц КГАП до и после отжига.

Снимки РЭМ, отожженных микрокристаллического ГАП и полученного КГАП (рН=8.5), приведены на рис. 15. Данные РЭМ показывают, что средний размер конгломератов частиц КГАП при отжиге образцов на 400°С составляет в среднем 5 цм (рис. 15 Ь), тогда как у микрокристаллического образца частицы имеют средний размер 20-30 цм (рис. 15 а). На снимках материалов отожженных при 900°С (рис. 15 с, d) видно, что в микрокристаллическом образце крупные частицы с размером 400 мкм приобретают правильную огранку рис.15 с.

Результаты ПЭМ показали (рис.16), что все полученные в данной работе образцы КГАП однородны по размеру, с диаметром стержневидных нанокристаллов ~20 нм и длиной ~50 нм. Эти нанокристаллы самоорганизуются во фракталлоподобные агломераты. Подобные формы в малом и большом масштабе хорошо видны на рис. 16.

Рис, 15 РЭМ микрокристаллического ГАП и КГАП (рН=8.5), отожженных при 400°С (а,Ь) и 900ПС (c,d)

Ш^ШЛи^шь^ . При увеличении до нанометрового ^ЩНЬиЙ^мМр^ диапазона в нанокристаллах КГАП ''ЩБ были обнаружены нанопоры. По ^Шг имеющимся литературным данным . jjHPr обнаруженная пористая структура "¡" ч^ж дД КГАП относится к природе и морЯК фологическим особенностям ГАП, ШЛ получаемых методами химического

20 nmj

310 211 101 002 ""213 осаждения.

_ Микродифракция от нанокристал-

i^H^^I лов КГАП соответствует гидроксиа-^^^Hi 1 патиту кальция Ca]0(PO4)6(OH)2

¿jrJ^^^H^^H (рис. 16) и подтверждает РСА дан-222 зоо lio 210 321 ные об однофазности и однородно-

Рис. 16 ПЭМ образца КГАП (рН=8.5) при разном сти биогенных образцов КГАП. увеличении и микродифракция

Результаты элементного анализа исходных материалов и полученных образцов КГАП, полученные с использованием энергодиснерсионной приставки Inca-250 к электронному микроскопу, представлены в табл. 2 и 3. Они показали, что различные образцы скорлупы, соответствующие биологическому карбонату кальция, являются неоднородными по химическому составу и содержат микроэлементы Mg~2% и Р -0.3-4% и могут содержать КДС1 до-0.2%.

Таблица 2. Элементный состав (ат. %) образцов яичной скорлупы птиц

Элементы

Образцы Ca С О Mg Р S к С1

Скорлупа(1) 15.3 25.1 58.7 0.5 0.4 - - -

Скорлупа (2) 82 35.5 50.7 1.8 3.6 0.2 - -

Скорлупа (3) 9.0 35.1 51.9 1.6 2.3 0.1 0.1 -

Скорлупа (4) 9.7 38.9 48.5 0.8 1.8 0.1 0.1 0.1

Скорлупа (5) 12.2 30.8 56.1 0.6 0.3 - >0.1 -

Скорлупа (6) 10.4 32.12 54.0 127 2.0 0.1 - -

Скорлупа(7) 10.9 30.5 54.7 1.16 2.6 0.1 - -

Скорлупа (8) 9.7 28.89 59.6 0.8 0.8 - - 0.1

Скорлупа(9) 13.2 23.3 62.3 0.8 0.3 - - -

Скорлупа (10) 7.8 29.7 61.0 0.7 0.7 - - -

Таблица 3. Элементный состав (ат%) образцов ГАП синтезированных при различных рН, отожженных при 400°С

Элементы

Образцы Ca Р О С Mg Са/Р

ГАП (рН=9) 32,0 15,7 44,3 7,6 0,4 2,04

ГАП (рН=8Д) 29,3 15,5 46,3 8,7 од 1,89

ГАП (рН=8) 31,3 17,7 46,0 5,2 0,4 1,83

ГАП (рН=7,5) 30,2 16,7 45,5 7,1 0,5 1,80

ГАП (рН=7) 26,7 15,1 49,7 82 03 1,77

Данные РСМА показали, что разработанная методика синтеза КГАП дает возможность получать образцы с различным заданным соотношением кальция и фосфора (Са/Р) (табл. 3). При уменьшении значения pH соотношение Са/Р также уменьшается, приближаясь к стехиометрическому значению ГАП 1,67

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований оптических, диэлектрических и сорбционных свойств КГАП, полученных методами фотолюминесцентной, импеданс- и радиоспектроскопии и десорбции азота.

Наши исследования показали, что ФЛ образцов ГАП сильно зависит от природы дефектов в структуре вещества. На рис. 17 приведены спектры ФЛ от образцов, полученных при различных значениях рН=9, 8.5, 8, 7.5, 7. Анализ спектров КГАП показал, что интенсивность ФЛ от образцов КГАП с рН=7.5 и 7 вдвое меньше, чем у образцов с рН=9-8. Этот факт объясняется меньшей концентраций примесных центров люминесценции С032 в образцах с меньшим рН, обнаруженных методами ИК и рамановской спектроскопии.

Рис. 17: ФЛ-спекгры КГАП, полученных при Рис 18: ФЛ-спектры КГАП с рН= 8.5 и ото-рН=9, 8.5, 8,7.5, 7 и отожженных при 400ПС жженных при различных температурах

При исследовании образцов, полученных при одном значении величины рН и отожженных при 400, 700, 900°С (рис. 18), было обнаружено, что интенсивность фотолюминесценции снижается, что свидетельствует об исключении карбонат ионов из структуры ГАП с увеличением температуры отжига. В связи с этим обсуждается модель несобственной фотолюминесценции, обусловленной образованием в запрещенной зоне ГАП дефектных уровней, связанных с замещением группами С03 групп Р04 в структуре ГАП.

Диэлектрические характеристики об-

D. HAPfAL 1 .Z75V I

-»—33% ■ 65% * 76% -»-■85% - 100%

V

.....

разцов КГАП проводились в условиях контролируемой сорбции паров воды. Полученные данные по измерению тангенса угла диэлектрических потерь КГАП показывают (рис. 19), что в интервале частот 10Гц-1 ООкГц и диапазоне относительной влажности (p/ps): 0%< p/ps< 100% проводимость образцов карбонат-замещенного гидроксиапа-тита определяется сорбированной водой. В диапазоне относительной влажности 0%<p/ps<33% и интервале частот 10Гц-1 ООкГц диэлектрическая проницаемость КГАП (е ~ 8) практически не зависит от значения p/ps.

Особенностью тангенса угла диэлектрических потерь КГАП, вызванных поляризацией Максвелла-Вагнера (рис. 19), является то, что в диапазоне относительной влажности 65%< p/ps< 100% D характеризуется широкой полосой, максимум которой смещается с ростом p/ps в сторону высоких частот.

1000 f. Hz

Рис 19: Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь Э от частоты { в образцах КГАП при различных значения влажности р/рБ%.

Природу центров фотолюминесценции в структуре КГАП исследовали методом ЭПР.

Рис. 22: Кривые ТДА образцов КГАП, полученных Рис 23: Кривые ТДА образцов КГАП, рН=9,8.5 при различных значениях рН=9,8.5,8,7.5,7 400°С, 3 - рН=8,5 900°С и 4 - рН=8,5 80°С

Расчет удельной поверхности порошков (Я^,) КГАП по данным (ТДА) показал, что КГАП, полученные с рН 9 и 8.5 (кривые 1,2 рис. 23), имеют одинаковую площадь удельной поверхности и одинаковый размер частиц (табл. 5). ^ образцов КГАП, полученных при значительно большей температуре отжига (900°С) - кривая 3, снижается по сравнению с кривыми 1,2, что говорит об увеличении размеров составляющих порошок частиц. Таблица 5. Рассчитанные парамегры порошков ГАП (Теория БЭТ с использованием программного обеспечения ишвогЫ для прибора СОРБИ-М8)

Сигналы ЭПР в исследуемых образцах до облучения не наблюдались. На рис. 20 показаны спектры ЭПР в образцах с рН=9, 8.5, 8, 7.5, 7 , измеренные через 1 неделю после облучения образцов электронами с дозой 10 кГр. Спектры ЭПР являются многокомпонентными. С целью разделения перекрывающихся компонент около g = 2.0000 были проведены измерения ЭПР методом эхо-детектирования (ЭД). С помощью симуляции спектров с использованием модуля Еазуэрт в среде МаЙ^аЬ в спектрах ЭД ЭПР удалось выделить из перекрывающихся сигналов С033" радикал от предцентра карбонат включенного СОз2~(рис. 21).

На рис. 22 представлены кривые тепловой десорбции азота (ТДА), полученные от материалов, синтезированных при: рН=9, 8.5, 8, 7.5, 7 и отожженных при 400°С.

3436 3450 3485 3450 3495 3510 3525 3540 3655

Magnetic Field, Gs Рис. 20: Спектры стационарного ЭПР в Х-даапазоне частот при Т=300К, Р=0.7962 мВт

Magnetic Field, Gs

Рис 21: ЭД ЭПР в Х-даапазоне частот при Т=300 К Длительности: ть2=96 не, tf 192 не, т=400 не

КГАП 400°С 400°С 900"С

Sya., м2/г (ЮТ) 55,4 ±0,9 55,7 ±1.1 16,8 ±1,2

Размер частиц, нм 42,0 42,0 138,0

В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований гидро-ксиапатита зубной ткани человека. Образцы среза зуба сравнивались с образцом КГАП полученном при рН=8,5 как наиболее стабильного и отвечающего структурным характеристикам материала.

Фазовый состав и структура ситгтезироватого КГАП сравнивались с биогенным гидро-ксиапатитом образца среза эмали зуба, исследуемого с двух сторон (внешней и внутренней).

На рис. 24 приведены дифрактограммы от биогенного КГАП, полученные от среза эмали с внутренней стороны зуба (Кривая 2) и внешней стороны зуба (Кривая 3), а также от полученного образца КГАП (кривая 1). Результаты РСА показали, что как внутренняя, так и внешняя стороны среза зуба представляют собой гидроксиапатит. При сравнении дифрактограмм от двух сторон среза зуба (кривые 2,3) с КГАП, полученным при рН=8.5 (Кривая 1), обнаруживаются различия в интенсивности и ширине линий (рис. 24). Наибольшее сходство этих характеристик рефлексов показывают дифрактограмма КГАП и дифрактограмма внутренней стороны среза зуба (дентин). Расчеты по формуле (1) определили средний размер нанокристаллов ГАП в дентине ~10 нм. 800 700 БОО МО

3

га400 300 ZOO

100

О

1- .... — — — ~ ~ ~ ~ m ~ 4000 эвоо зам гмю моо, woo ieeo 1200 too

2«,beg cm

Рис. 24: Дифрактограммы КГАП (1), среза эмали Рис 25: ИК-спектры КГАП (1), среза эмали зуба зуба с внутренней (2) и с внешней стороны (3) с внутренней (2) и с внешней стороны(З)

Дифрактограмма, полученная от внешней стороны среза эмали зуба (кривая 3 Рис. 24), существенно отличается от двух предшествующих дифрактограмм, прежде всего, исчезновением дифракционных линий с индексами (211), (310) и значительным увеличением интенсивности линий (002), (004). Все эти факты свидетельствуют о влиянии текстуры, т.е. преимущественной ориентации структурных единиц эмали (призм КГАП) в определенном кристаллографическом направлении [001] вдоль параметра с гексагональной элементарной ячейки биогенного КГАП.

ИК спектры эмали (Кривая 1, рис. 25), дентина (Кривая 2) отличаются от полученного КГАП (Кривая 3) наличием связей, отвечающих органической составляющей зубной ткани (белка коллагена): СО - амидной группы, СН2 и ОН - в областях 2840,2910 и 2370 см"1.

Результаты РЭМ при увеличении более х 150000 раз (Рис. 26) показывают, что полученные материалы КГАП имеют более развитую поверхность, чем внешняя сторона среза эмали зуба.

Рис. 26: РЭМ внешней стороны среза эмали зуба (слева) и КГАП (справа)

♦В заключении подведены итоги диссертационной работы в целом и сформулированы основные результаты и выводы, которые сводятся к следующему:

1. Получен нанокристаллический карбонат-замещенный гидроксиапатит, состоящий из морфологически однородных частиц с диаметром стержневидных нанокристаллов ~20нм и длиной ~50 нм с использованием биогенного источника кальция - яичной скорлупы птиц

2. Методами ИК, рамановской спектроскопии и ЭПР установлено, что полученный КГАП является карбонат-замещенным гцдроксиапатитом B-типа Са10((РО4)1.х(СОз)х)б(ОН)2, в котором группы Р04 замещаются группами СОз в пределах одной фазы.

3. Установлено что, в образцах КГАП, полученных с соотношением Са/Р=1.7, наиболее близким к стехиометрическому значению 1.67, при отжиге 700°С появляется вторая фаза витлокит P-(Ca,Mg)3(P04)2 допированная магнием, содержащимся в яичной скорлупе.

4. Обнаружена фотолюминесценция в полученных образцах КГАП, интенсивность которой зависит от соотношения Са/Р, обусловленного замещением групп Р04 группами СОз в структуре КГАП.

5. Удельная поверхность КГАП, полученного по заявленной методике, в ~4 раза превосходит соответствующие значения известных стандартов ГАП.

6. Сравнительный анализ характеристик КГАП и зубной эмали показывает сходство структурных свойств и элементного состава полученного материала с неорганической составляющей дентина зуба.

Основные результаты диссертации опубликованы в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

1. Получение нанокристаллического гидроксиапатита методом химического осаждения с использованием биогенного источника кальция [Текст] / Д. Л. Голощапов, В. М. Кашкаров, Н. А. Румянцева, П. В. Середин, А. С. Ленынин, Б. Л. Агапов, Э. П. Домашевская // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2011. - Т. 13. - №4. - С. 427 - 441.

2. РФА- и РЖ- исследования нанокристаллического синтезированного и биогенного гидроксиапатита [Текст] / В. М. Кашкаров, Д. Л. Голщапов, А. Н. Румянцева, П. В. Середин, Э. П. Домашевская, И. А. Спивакова, Б. Р. Шумилович // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2011. - № 12.-С. 1-7.

3. Research hydroxyapatite crystals and organic components of hard tooth tissues affected by dental caries using FTIR-microspectroscopy and xrd microdiffraction [Текст] / P.V. Seredin, V.M. Kashkarov, A.N. Lukin, D.L. Goloshchapov, Al-Zubaidi Asaad Abdulhussein, Y. A. Ippolitov, Robert Julian, Stephen Doyle // Конденсированные среды и межфазные границы. -2013.-Т.15.-№3.-С. 224 - 231.

4. Synthesis of nanocrystalline hydroxyapatite by precipitation using hen's eggshell [Текст] / D.L Goloshchapov, V.M. Kashkarov, N.A Rumyantseva, P.V. Seredinn, AS. Lenshin, B.L. Agapov, E.P. Domashevskaya // Ceramics International. - 2013. - V. 39. - L4. - P. 4539-4549.

Подписано в печать 23.10.13. Формат 60*84 '/|6. Усл. иеч. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 1062.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательско-полиграфического центра Воронежского государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

На правах рукописи

04201365243 ГОЛОЩАПОВ ДМИТРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

Получение и некоторые физико-химические свойства биогенного нанокристаллического гидроксиапатита

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ д.ф.-м.н., профессор Домашевская Эвелина Павловна

Воронеж 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..............................................................................................4

Глава ¡.Литературный обзор.

1.1. Гидроксиапатит (ГАП) - состав, структура, изоморфизм...........................13

1.2. Особенности получения нанокристаллических образцов ГАП и их физико-химические свойства....................................................................................17

1.3 Характеристики гидроксиапатита, получаемого с использованием биологических источников кальция, методом химического осаждения...............28

1.4 Карбонат-замещенный гидроксиапатит (КГАП) как наилучший кристаллохимический аналог костной ткани человека.....................................30

1.5 Получение и физико-химические свойства КГАП......................................34

1.6 Выводы по главе...............................................................................37

Глава 2. Методика получения ГАП, объекты и методы исследования

2.1.Методика получения образцов нанокристаллического гидроксиапатита с использованием биологического источника кальция путем химического осаждения

из раствора.........................................................................................39

2.2 Методы исследования полученных образцов

2.2.1 Рентгеноструктурный анализ (РСА)...................................................43

2.2.2 Оптические методы исследования......................................................46

2.2.2.1 Инфракрасная (ИК) Фурье спектроскопия..........................................46

2.2.2.2 Рамановская спектроскопия.................... .................................48

2.2.2.3 Фотолюминесцентная спектроскопия (ФЛ).........................................50

2.2.3 Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)........................................51

2.2.4 Импеданс-спектроскопия..................................................................52

2.2.5 Методы электронной микроскопии.....................................................53

2.2.5.1 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)..............................53

2.2.5.2 Растровая электронная спектроскопия (РЭМ) и рентгеноспектральный микроанализ (РСМА)..............................................................................54

2.2.6 Определение удельной поверхности методом тепловой десорбции азота (ТДА).................................................................................................56

2.2.7 Выводы по главе..............................................................................57

Глава 3. Определение атомного строения, фазового состава и морфологии полученного биогенного гидроксиапатита

3.1 Результаты рентгенофазового анализа полученных образцов......................58

3.1.1 Определение размеров кристаллитов ГАП.............................................63

3.1.2 Влияние термических отжигов на фазовый состав ГАП...........................64

3.2. Результаты оптических исследований атомного строения КГАП..................69

3.2.1 Результаты ИК-спектроскопии...........................................................69

3.2.2 Результаты рамановской спектроскопии...............................................76

3.3 Морфология образцов и их элементный состав по данным РЭМ и РСМА......78

3.3.1 Рентгеноспектральный микроанализ образцов КГАП..............................82

3.4 Структура и размеры нанокристаллов КГАП по данным метода ПЭМ...........85

3.5 Обсуждение и выводы по главе............................................................90

Глава 4 Оптические, диэлектрические и сорбционные свойства КГАП

4.1 Результаты фотолюминесцентной спектроскопии.....................................92

4.2 Результаты ЭПР................................................................................94

4.3 Результаты импеданс-спектроскопии.....................................................98

4.4 Определение удельной поверхности образцов методом тепловой десорбции азота ТД А...................................................................................................................101

4.5 Выводы по главе.............................................................................103

Глава 5 Сравнительные характеристики образцов ГАП и зубной эмали

5.1 Определение размеров кристаллитов методом РСА....................................105

5.2 Результаты ПК-спектроскопии.............................................................108

5.3 Результаты исследования морфологии методом РЭМ.................................109

5.5 Выводы по главе...............................................................................111

Заключение и выводы по диссертации.......................................................112

Список использованных источников.........................................................119

Введение

Актуальность работы:

В современном мире материалы на основе гидроксиапатита кальция (ГАП) приобретают все большее значение в качестве реконструкционных - для восстановления различных частей скелета человека. Причиной данного факта является подобие структуры и химическое сродство ГАП с минеральной составляющей костной ткани. Ввиду возможности изменения структуры, элементного состава, степени кристаллизации, морфологии и, как следствие, механических свойств, химической активности и сорбционной способности данные материалы востребованы в сфере хирургии и стоматологии для производства биопокрытий имплантатов, стоматологических цементов и лекарственных паст.

Одновременно с созданием подобного рода биоматериалов совершенствуются методики экспресс-анализа (на основе методов оптической спектроскопии), по данным которых возможно оценить состояние естественных и синтетических объектов (зубной эмали, имплантатов на основе ГАП) для своевременного обнаружения и терапевтического лечения определенных патологий. В связи с этим получение материалов на основе гидроксиапатита и изучение взаимосвязи между их структурными характеристиками и физико-химическими свойствами является значимым направлением с точки зрения биоматериаловедения.

Стоит отметить, что при всевозрастающем технократическом прогрессе также возрастает количество людей с различными повреждениями скелета, нуждающихся в лечении опорно-двигательного аппарата и стоматологической помощи. Поэтому важной задачей является удешевление методик получения биоматериалов при сохранении их качества. Еще более важным является изучение их физико-химических свойств для создания образцов ГАП с заданными характеристиками. Ряд исследований предполагает возможность получения синтетического ГАП с участием биологических источников кальция (костей млекопитающих и рыб, раковин моллюсков, яичной скорлупы птиц). Экономическая целесообразность предлагаемых методик определяется тем, что

материалы на основе гидроксиапатита удается получить без специализированных и дорогостоящих устройств, используя вторичную переработку биологического сырья. В то же время характеристики подобных образцов ГАП требуют тщательного изучения, поскольку свойства полученных материалов могут быть отличны от известных ввиду наличия собственной морфологии, структуры, разнообразного элементного и фазового состава у исходных биогенных материалов.

Обращаясь к широкому классу фосфатов кальция, которые могут быть получены при таком подходе, отмечается, что наилучшим кристаллохимическим аналогом костной ткани является карбонат-замещенный гидроксиапатит кальция (КГАП), который имеет лучшие характеристики по резорбируемости в организме человека, чем чистый гидроксиапатит. КГАП также как и другие формы апатитов кальция (АП) присутствует в естественной костной ткани человека в нанокристаллическом состоянии, что во многом определяет его физико-химические свойства. Кроме морфологических, особенностями биологических АП является наличие микроэлементов, занимающих различные позиции в структуре и участвующих в процессах остеогенеза. Использование биогенных источников кальция для получения биоматериалов может быть обосновано ещё и потому, что содержание микроэлементов в них находится почти в той же процентной концентрации, что и в костной ткани человека, а различные методики получения и обработки материалов помогают достичь необходимой структурной и морфологической организации для решения специализированных задач.

Особое внимание обращают на себя процессы по получению карбонат-замещенного гидроксиапатита методом химического осаждения из раствора с использованием яичной скорлупы. Рассматриваемые методики позволяют перерабатывать отходы птицеводческих ферм, большая часть которых, по статистическим данным, идет в захоронение, тогда как использование скорлупы птиц позволяет получать гидроксиапатит в наноформе с различной морфологией и элементным составом, аналогичным естественной костной ткани человека.

В литературе достаточно широко описаны физико-химические свойства

КГАП, полученного с использованием химических реактивов. Однако, вопросы, связанные с применением биологических источников кальция при получении различных форм КГАП, остаются открытыми и представляют интерес. Так остаются неизученными взаимосвязи между структурой, элементным составом и физико-химическими свойствами образцов КГАП, полученными с использованием яичной скорлупы птиц. Установление данной взаимосвязи является значимой задачей физики конденсированного состояния, перспективной с точки зрения использования полученных материалов в области медицины, в том числе в сфере стоматологии.

Цель работы: Установление закономерностей влияния структуры и элементного состава нанокристаллического гидроксиапатита на фотолюминесцентные, сорбционные и диэлектрические свойства, с использованием при его получении биогенного источника кальция.

Основными задачами исследования, исходя из поставленной цели, являются:

1. Разработать методику получения нанокристаллического гидроксиапатита с использованием биогенного источника кальция в виде яичной скорлупы, обладающего физико-химическими свойствами, близкими к неорганической составляющей зубной эмали человека;

2. Исследовать зависимость фазового состава и морфологических особенностей образцов гидроксиапатита от условий получения и термической обработки;

3. Определить влияние элементного состава и соотношения Са/Р получаемого гидроксиапатита на основные физико-химические свойства;

4. Установить природу фотолюминесценции, сорбционных и диэлектрических свойств нанокристаллического гидроксиапатита;

5. Провести сравнительный анализ структурных и морфологических характеристик образцов гидроксиапатита и зубной эмали.

Объекты и методы исследования. В работе исследовались образцы, полученные с использованием яичной скорлупы птиц, методом химического осаждения из раствора при различных значениях рН=9, 8.5, 8, 7.5, 7. Образцы полученного гидроксиапатита сравнивались со срезом эмали зуба. Срез эмали зуба имел

толщину ~2 мм и анализировался как с внешней стороны, так и с внутренней стороны зуба, пограничной с дентином.

Для исследований структурных и физико-химических свойств использовались методы рентгеноструктурного анализа (РСА), инфракрасной (ИК), рамановской, фотолюминесцентной (ФЛ) спектроскопии и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), растровой электронной микроскопии (РЭМ), тепловой десорбции азота (ТДА) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА). Научная новизна работы: определяется тем, что:

1. Впервые получены морфологически однородные образцы карбонат-замещенного гидроксиапатита B-типа с диаметром стержневидных нанокристаллов -20 нм и длиной ~50 нм, методом химического осаждения с использованием яичной скорлупы птиц в качестве источника кальция.

2. Установлены пределы термической стабильности фазы карбонат-замещенного гидроксиапатита Саю((Р04)1_х(С0з)х)б(0Н)2 (до 700°С), получаемой по заявленной методике. При отжигах >700°С в образцах появляется вторая фаза ß-(Ca,Mg)3(P04)2, допированная магнием, содержащимся в яичной скорлупе.

3. Показано, что интенсивность фотолюминесценции в полученных образцах зависит от соотношения Са/Р, обусловленного замещением групп РО4 группами С03 в структуре КГАП.

Практическое значение результатов работы определяется тем, что полученные в ходе исследований данные могут быть использованы для создания технологии получения нанокристаллического КГАП с использованием биологического источника кальция по удешевленной методике синтеза данного материала и решением проблемы использования отходов птицеводческих ферм в виде яичной скорлупы птиц. Удельная поверхность у образцов КГАП, полученных по разработанной методике, в ~ 4 раза больше, чем у образцов ГАП, полученных по стандартной технологии. Это может быть использовано при разработке новых составов нанокомпозитов на основе КГАП.

Результаты работы могут быть использованы также при моделировании и

анализе биогенных структур и создании материалов для реставрационных работ в области стоматологии. Разработанные методики оказываются полезными при модернизации контроля технологических процессов нанесения КГАП различными способами на поверхность металлических имплантатов.

Предложенные методики исследования КГАП с помощью фотолюминесценции, рамановской и инфракрасной спектроскопии дают возможность их использования для экспресс-анализа состояния зубной ткани. На защиту выносятся следующие положения

1. Методика получения нанокристаллического гидроксиапатита, состоящего из морфологически однородных частиц с диаметром стержневидных нанокристаллов -20 нм и длиной -50 нм, полученного с использованием биогенного источника кальция в виде яичной скорлупы.

2. Нанокристаллический гидроксиапатит, полученный по заявленной методике, является карбонат-замещенным гидроксиапатитом B-типа (КГАП) по данным ПК, рамановской спектроскопии и ЭПР.

3. Определение границ термической стабильности фазового состава от соотношения Са/Р. В материалах КГАП, полученных с соотношением элементов Са/Р=1.7, наиболее близким к стехиометрическому значению (1.67), при отжиге 700°С появляется вторая фаза витлокит ß-(Ca,Mg)3(P04)2.

4. Наличие фотолюминесценции в полученных образцах КГАП, интенсивность которой зависит от соотношения Са/Р, обусловленного замещением групп Р04 группами СОз. Интенсивность ФЛ уменьшается с приближением соотношения Са/Р к стехиометрическому, при котором ФЛ не наблюдается.

5. Наличие высокого значения удельной поверхности полученного КГАП, в - 4 раза превосходящего соответствующие значения стандартов ГАП, известных из литературы.

6. Соответствие структурных свойств и элементного состава полученного КГАП с материалом дентина зуба, включающим нанокристаллы КГАП со средними размерами -10 нм.

Личный вклад автора. Постановка задачи и определение направлений исследований осуществлялись д.ф.-м.н., профессором Домашевской Э.П. Автором лично проведены все работы по синтезу наноматериалов карбонат-замещенного гидр оке и апатита с использованием яичной скорлупы птиц. Автором проведены расчеты и построены зависимости всех экспериментально полученных данных. Обсуждение результатов проведено совместно с профессором д.ф.-м.н. Домашевской Э.П., д.ф.-м.н. Серединым П.В., к.ф.-м.н. Кашкаровым В.М. и к.ф.-м.н. Леныниным A.C.

ИК - спектры пропускания получены автором совместно с доцентом кафедры физики твердого тела и наноструктур д.ф.-м.н. Серединым П.В., в "Центре коллективного пользования ФГБОУ ВПО ВГУ" (ЦКПНО ФГБОУ ВПО ВГУ).

Рамановские спектры получены автором совместно с аспирантом кафедры микро- и наноэлектроники Левицким B.C. в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ».

Спектры фотолюминесценции получены автором совместно с научным сотрудником кафедры оптики и спектроскопии Минаковым Д.А. в лаборатории кафедры оптики и спектроскопии ФГБОУ ВПО ВГУ, а также с аспирантом кафедры микро- и наноэлектроники Левицким B.C. в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ».

Данные радиоспектроскопии и ЭПР получены совместно с научным сотрудником к.ф.-м.н. Савченко Д.В. в лаборатории радиоспектроскопии института физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАНУ.

Исследования методом импеданс-спектроскопии диэлектрических потерь в полученных образцах были проведены совместно с д.ф.-м.н. Тутовым Е.А.

Данные СЭМ получены автором совместно с доцентом ВГТА к.ф.-м.н Агаповым Б.Л. в лаборатории наносистем ЦКПНО ВГУ.

Данные ПЭМ получены автором совместно с заведующим лабораторией просвечивающей микроскопии ЦКПНО ВГУ Синельниковым A.A.

Результаты по тепловой десорбции азота получены автором в содействии со старшим научным сотрудником кафедры физики твердого тела и наноструктур Леньшиным А.С.

Образцы эмали зуба предоставлены профессором УМЦ - Шумиловичем Б.Р. Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых учёных «Наноматериалы 2009» (Рязань, 200