СИНТЕЗ ЗАМЕЩЕННОГО ПО КАРБОНАТ АНИОНУ ГИДРОКСИАПАТИТА

В последние десятилетия во всем мире ведутся поиски биосовместимых материалов с целью использования их в травматологии, ортопедии и стоматологии. Наиболее близкими минеральной составляющей костной ткани является керамические материалы на основе гидроксиапатита (ГАП) Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.

Гидроксиапатит – наиболее устойчивый к резорбции внеклеточными жидкостями организма ортофосфат кальция – является основной минеральной составляющей костной ткани, зубной эмали и дентина. ГАП играет важнейшую роль во многих физиологических процессах, происходящих в организме человека [1].

В состав биологического гидроксиапатита входят неорганические компоненты, в частности катионы натрия, стронция, меди, цинка и анионы фтора, карбоната и хлора. Эти элементы влияют на такие характеристики костного минера, как кристалличность, поведение при разрушении и механические свойства.

Разработка новых медицинских клеточных технологий инженерии костной ткани представляет собой  перспективное и актуальное направление, особенно в связи с необходимостью реабилитации больных после расширенных костных хирургических вмешательств [2].

Костная ткань - образована на основе ультрадисперсного материала – Ca_10-x-y/2(HPO4)_x(CO3)_y(PO4)_6-x-y(OH)_2-x  карбонатсодержащего нестехиометрического гидроксиапатита и белка коллагена.

Карбонат-замещенные гидроксиапатиты (КГА) представляют особый интерес для применения в качестве биологически активного материала. Биологический апатит костных и зубных тканей - всегда дефицитный по кальцию и содержат значительные количества карбонат-групп. В зависимости от возраста человека, содержание групп СО₃^2- в КГА достигает от 2,3 до 8,0 масс. % [7].

В настоящее время выделяют два направления синтеза ГАП - твёрдофазный [4] и мокрый [5, 6]. Твердофазный синтез гидроксиапатита является более длительным и энергоемким, поскольку для получения однофазного продукта синтез проводится в несколько этапов – с перетиранием и повторными отжигами. Использование высокотемпературного нагрева не позволяет достичь малых размеров кристаллитов, так же сложно получить гомогенный конечный продукт. Мокрый метод синтеза преобладает, метод отличается: простотой, контролируемостью, использованием относительно простого оборудования, низкими энергетическими затратами и высоким выходом продукта [6].

Установление состава полученного замещенного ГАП от состава раствора является целью нашего исследования. Так как в работе [3] указано, на неоднозначность состава синтезируемых форм ГАП.

В своей работе мы использовали мокрый метод из-за простоты проведения синтеза и доступности оборудования и реактивов.

В реактор, продуваемый аргоном, для удаления углекислого газа атмосферы, вливали насыщенный раствор гидроксида кальция и раствор гидрокарбоната натрия, в определенном соотношении, ортофосфорную кислоту с массовой долей 15 % вливали при интенсивном перемешивании со скоростью одна капля в две секунды до установления рН 9,5. Контроль рН осуществлялся при помощи иономера рН – 150МИ.

Полученную суспензию ГАП оставляли на сутки для созревания и осаждения. Осадок отделяли декантацией, промывали десятикратно дистиллированной водой и пятикратно бидистиллированной водой. Промытую суспензию  переносили в фарфоровые чашки и сушили  при температуре 65°С.

Для установления влияния исходного состава раствора на стехиометрические соотношения получаемых замещенных форм ГАП было проведено 5 синтезов со следующим составом растворов. (Таблица 1).

Таблица 1.

Синтез образцов КГА

Для установления стехиометрии полученных соединений было проведено определение содержания фосфора, кальция и углерода в полученных соединений:

1. Концентрацию фосфора в образцах определяли спектрофотометрически.

К слегка подкисленному анализируемому раствору, содержащему не более 0,3 мг фосфора, последовательно добавляли 2,5 мл HNO₃ (1:1), 5,0 мл раствора ванадата и 5,0 мл раствора молибдата. После добавления каждого реактива перемешивали раствор. Разбавляли раствор водой в мерной колбе на 25 мл. Через 30 минут измеряли оптическую плотность при 400 нм относительно раствора контрольного опыта.

2. Концентрацию ионов кальция определяли комплексонометрическим титрованием с визуальной индикацией конечной точки титрования.

Взвешиваем ~ 0,2 г навески гидроксиапатита и растворяем его в 2 мл 0,1Н соляной кислоте, в колбе на 50 мл, доводим раствор до метки дистиллировано водой. Отбираем 5 мл пробы, добавляем 2 мл буфера, и индикаторную смесь на конике шпателя. Далее титруем раствором Трилона Б, до изменения окраски раствора. Сиреневая окраска переходила в сине-голубую.

3. Количество карбонат-анионов в образцах определяли при помощи волюмометрического метода анализа.

Метод основан на реакции образования углекислого газа при взаимодействии карбонат содержащих материалов с  раствором кислот.  Объем газовой смеси при этом уменьшается на величину, соответствующую объему поглощенного газа.

Измерения проводились с помощью газовой бюретки. В одно колено сосуда Ландольта помещали навеску КГА ~0,2, в другое –6 мл раствора HCl. При смешивании двух компонентов, шла реакция с образованием углекислого газа. Объём выделившего газа определяли по вытесненного объему жидкости в газовой бюретке.

Результаты определения элементов в синтезированных образцах представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Мольное соотношение определяемых компонентов

На основе полученных данных была выведена стехиометрия синтезированных образцов КГА представленная в таблице 3.

Таблица 3.

Стехиометрические формулы синтезированных КГА

Выводы:

1. Синтезированы образцы с разной степенью замещения карбонат анионов.
2. Определенны стехиометрические соотношения кальция, фосфора, и углерода, предложены стехиометрические формулы синтезированных соединений.
3. Показано, что состав раствора не связан прямой пропорциональностью с составом полученных соединений.
4. Мольное соотношение Ca/P, которое доказывает, что синтезированные образцы относятся к группе карбонат замещенных гидроксиапатитов.

Список литературы:

1. Dorozhki8n V. Bioceramics of calcium orthophosphates. // Elsevier. - Biomaterials 2010. - 31(7). – P. 1465-1485.
2. Yang L., Perez-Amodio S., Florens Y.F., et al. The effects of inorganic additives to calcium phosphate on in vitro behavior of osteoblasts and osteoclasts. // Elsevier. - Biomaterials 2010. - 31(11). – P. 2976-2989.
3. Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. - М.: Наука, 2005. – С. 33 – 60
4. Perloff A., Posner A. S. // Inorganic. Syntheses. 1960. V. 6. – P. 16.
5. 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. неорг. химии. 1992. Т. 37, № 7. -  С.1455-1457.
6. Орловский В.П., Родичева Г.В., Ежова Ж.А., Коваль Е.М., Суханова Г.Е. Изучение условий образования гидроксилапатита в системе CaCl₂ – (NH₄)₂HPO₄ – NH₄OH – H₂O (25 ^oC) // Журн. неорг. химии. 1992. Т. 37, № 4. -С. 881-883.
7. Driessens F.C.M. The minerals in bone, dentin and tooth enamel // Bull. Soc. Chem. Belg. 1980. V. 89. P.- 663-664.