Синтез и коллоидно химические ствойства кальций дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» На правах рукописи ДОАН ВАН ДАТ СИНТЕЗ И КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАЛЬЦИЙДЕФИЦИТНОГО КАРБОНАТСОДЕРЖАЩЕГО ГИДРОКСИАПАТИТА 02.00.11 Коллоидная химия Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Трубицын М.А Белгород - 2015 Оглавление Список сокращений и условных обозначений Введение Глава Коллоидно-химические аспекты синтеза нанокристаллического КГАП и его практическое применение 14 1.1 Биоапатит в кальцинированных тканях живых организмов 14 1.1.1 Структура и химический состав биоапатита 14 1.1.2 Природа дефицита кальция в биоапатите 17 1.1.3 Биологическая роль карбонат-ионов в организме 18 1.2 Структурно-морфологические и коллоидно-химические свойства КГАП как кристаллохимического аналога биоапатита 18 1.2.1 Кристаллохимия карбонатсодержащего гидроксиапатита 18 1.2.2 Влияние строения кристаллов КГАП на их коллоидно-химические свойства 20 1.3 Методы синтеза карбонатсодержащего гидроксиапатита 22 1.3.1 Методы твердофазного синтеза 23 1.3.2 Растворные методы 23 1.4 Коллоидно-химические особенности формирования КГАП 25 1.5 Области применения КГАП 31 Выводы по литературному обзору 32 Глава Методы синтеза и исследования объектов 36 2.1 Синтез нанокристаллического КГАП методом химического осаждения из водного раствора 36 2.2 Определение величины ξ-потенциала синтезированного КГАП 38 2.3 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) 38 2.4 Растровая электронная микроскопия (РЭМ) 39 2.5 Метод рентгенофазового анализа (РФА) 39 2.6 Определение величин удельной поверхности и пористости образцов КГАП методом БЭТ 39 2.7 ИК-Фурье спектроскопия 40 2.8 Метод термогравиметрического и дифференциального термического анализа 40 2.9 Методы определения химического состава образцов КГАП 41 2.10 Определение биорезорбируемости КГАП «in vitro» 42 2.11 Оценка биосовместимых свойств КГАП «in vivo» 43 2.12 Исследование влияния КГАП на реакцию эритроцитов 44 2.13 Оценка эффективности извлечения катионов тяжелых металлов карбонатсодержащим гидроксиапатитом из человеческой крови 45 2.14 Определение сорбционной активности образцов КГАП по отношению к катионам тяжелых металлов Pb2+, Cd2+ 46 2.15 Определение десорбции ионов тяжелых металлов 47 Глава Изучение технохимических закономерностей синтеза кальцийдефицитного КГАП 49 3.1 Внедрение СО32- ионов в структуру гидроксиапатита 49 3.2 Влияние степени замещения карбонат-ионов объемно-поверхностные характеристики КГАП 55 3.3 Исследование технохимических параметров синтеза КГАП 57 3.4 Условия получения кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита 67 Выводы по главе 73 Глава Экспериментальные исследования коллоидно-химических и медико-биологических свойств кальций-дефицитного КГАП 76 4.1 Проведение экспериментальных исследований коллоидно-химических свойств КГАП 76 4.1.1 Исследование электроповерхностных свойств КГАП 76 4.1.2 Влияние кальций-дефицитного КГАП на реакцию эритроцитов 78 4.1.3 Оценка эффективности извлечения ионов тяжелых металлов кальций-дефицитными КГАП из крови человека 79 4.1.4 Исследование сорбционной активности КГАП по отношению к катионам тяжелых металлов 81 4.2 Проведение экспериментальных исследований медико-биологических свойств КГАП 91 4.2.1 Оценка резорбируемости КГАП «in vitro» 91 4.2.2 Оценка биосовместимости КГАП «in vivo» 93 Выводы по главе 96 Глава Опытно-производственная апробация синтетического нанокристаллического КГАП 98 5.1 Описание технологической и аппаратурной схемы производства нанокристаллического кальций-дефицитного КГАП 98 5.2 Выпуск и испытание кальций-дефицитного КГАП опытнопромышленной партии 104 5.3 Технико-экономические показатели новой продукции 107 Выводы по главе 109 Заключение 110 Список литературы 113 Приложение 130 Список сокращений и условных обозначений ГАП – гидрокси(л)апатит КГАП – карбонатсодержащий гидроксиапатит АФК – аморфный фосфат кальция ФК – фосфат кальция ТКФ – трикальциевый фосфат ОКФ – октакальциевый фосфат ЭДТА – Этилендиаминтетраацетат натрия двузамещенный ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия ИК-спектроскопия – спектральный метод исследования в инфракрасной области СЭМ – сканирующая электронная микроскопия Метод БЭТ – метод Брунауера, Эммета и Теллера РФА – метод рентгенофазового анализа Средний размер ОКР кристаллитов – средний размер областей когерентного рассеяния кристаллитов ТГ – термогравиметричесий анализ ДТГ – дифференциальный термогравиметричесий анализ ICDD – Interational Center for Diffraction data ЛД50 – полулетальная доза Введение Хорошо известно, что гидроксиапатит (ГАП, Са10(РО4)6(ОН)2) обладает остеокондуктивными свойствами и может способствовать образованию новой кости, не вызывая никакой местной или системной токсичности, воспаления или реакции инородного тела [1-4] Материалы на основе ГАП находят широкое применение в стоматологии, реконструктивно-восстановительной костной хирургии и ортопедии [5] В последние годы наблюдается повышенный интерес к исследованию сорбционных свойств ГАП для удаления ионов тяжелых металлов [6-9] По сравнению с синтетическим стехиометрическим гидроксиапатит немодифицированным вызывает ГАП, повышенный карбонатсодержащий интерес благодаря своей превосходной биорезорбируемости [10-12], биосовместимости [13], сродству к биополимерам [14] и высокому остеогенному потенциалу [15] Следует отметить, что кристаллы биоапатита являются наноразмерными и в биологической среде (рН > 7) обладают отрицательно заряженной поверхностью [16] Поскольку частицы биоапатита, находящиеся в межтканевой жидкости, непосредственно взаимодействуют с биологическими тканями, молекулами и ионами, то в межфазном взаимодействии важную роль играет поверхностный заряд биоапатита Биоапатит в костях и зубах человека и животных не отвечает стехиометрическому мольному соотношению Ca/P = 1.67 В основном можно считать, что апатит биологического происхождения соответствует нанокристаллическим карбонатсодержащим кальций-дефицитным гидроксиапатитом (КГАП - Ca10-d(HPO4)x(PO4)6-x-y(CO3)y(OH)z.nH2O) с мольным соотношением Ca/(P+C) < 1.67 [17] Разработка новых способов получения наноструктурированных материалов, особенно биомиметических наноматериалов медицинского назначения в настоящее время относится к активно развивающимся направлениям современной коллоидной химии Автор диссертационной работы исходил из предположения, что электрокинетический потенциал наночастиц гидроксиапатита (ГАП) во многом определяется степенью дефицитности кальция и гидроксиапатит с максимальным подобием по химическому составу и структуре биологическому апатиту, обладает оптимальными биорезорбируемыми, биосовместимыми и сорбционными свойствами О получении нанокристаллического кальций-дефицитного карбонатсодержащего гидроксиапатита, максимально близкого по составу и структуре с биоапатитом, в литературе имеется недостаточно сведений Существующие способы наноструктурированый не КГАП в полной с мере заданными позволяют получать коллоидно-химическими свойствами, прежде всего, в отношении регулирования дефицита кальция, величины и знака поверхностного заряда Поэтому разработка нового способа получения карбонатсодержащего наногидроксиапатита с регулируемыми составом, структурой и свойствами сегодня является актуальным направлением исследования Целью настоящей работы является разработка нового способа синтеза нанокристаллического кальций-дефицитного КГАП с заданными составом, структурой и поверхностным резорбируемых зарядом, биосовместимых обеспечивающего материалов нового получение поколения, предназначенных для применения в различных областях медицины Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: – выявить особенности внедрения ионов СО32- в структуру гидроксиапатита; – определить оптимальные технохимические параметры синтеза КГАП с управляемыми составом и структурой; – получить нанокристаллический кальций-дефицитный карбонатсодержащий гидроксиапатит смешанного типа с требуемыми степенями дефицитности кальция; – выявить взаимосвязь степени дефицитности кальция и электрокинетического потенциала частиц КГАП; – провести изучение сорбционных свойств КГАП по отношению к ионам тяжелых металлов; – протестировать медико-биологические свойства синтезированного КГАП in vitro и in vivo Научная новизна  Выявлены закономерности морфологических и коллоидно-химических формирования структурно- характеристик синтетических карбонатсодержащих гидроксиапатитов в зависимости от технохимических параметров синтеза, позволяющие получать нанокристаллический кальцийдефицитный КГАП смешанного типа с заданным содержанием карбонатанионов, управляемой степенью дефицитности кальция и поверхностным зарядом  Обнаружено, что при температуре выше 650 °С начинается разложение КГАП с образованием ГАП и СаСО3, причем источником СО32- в карбонате кальция является СО32- из позиции Б карбонатсодержащего гидроксиапатита  Установлено, что повышение в структуре степени дефицитности кальция позволяет увеличить удельную поверхность КГАП до 184 м 2/г, что в 2-3 раза больше по сравнению с немодифицированным гидроксиапатитом  Показано, что величина заряда поверхности и скорость резорбции КГАП целенаправленно управляется варьированием степени дефицитности кальция: чем больше степень дефицитности кальция, тем выше значения отрицательного заряда и скорости резорбции  Определено, что сорбционная емкость синтезированного кальций- дефицитного КГАП в модельных средах по отношению к ионам тяжелых металлов в 3-5 раз превышает сорбционную емкость известных кальцийфосфатных биоматериалов При этом сорбция ионов тяжелых металлов на полученных образцах КГАП реализуется, в основном, по механизму изоморфного замещения ионов Ca2+ на ионы тяжелых металлов Практическая значимость  Разработан способ получения нанокристаллического кальций- дефицитного КГАП смешанного типа с требуемыми параметрами: дефицитностью кальция, величиной и знаком поверхностного заряда  Оптимизированы технохимические параметры синтеза: массовая доля раствора H3PO4 10-20 масс %; скорость подачи кислоты 0.5-5 мл/мин; скорость перемешивания 1200-2000 об/мин; температура процесса синтеза 012 ч.; степень замещения карбонат-ионами 0.25[...]... отвечаю и за и резорб и и непрерывную генера и костной тка и [46] 1.2 Структурно-морфоло и ес и и колл и но- и и ес и свойства КГАП как к и талло и и еского аналога и апа и а 1.2.1 К и талло и и карбонатсодержащего и рок и па и а С точ и зре и б и ос и и и еского состава, н и олее подходя и на роль заме и елей костной тка и является и те и ес и мо и и и ованный карбонат -и на и и рок и па и ,... является и еет мольное каль и -де и и ным Несте и мет и ность и и еского состава и апа и а в сторону де и и а каль и п и о и к повыше и его раство и ос и и, как следст и – к уве и е и скорос и и резорб и in vivo [17, 40] П и и ы де и и а каль и в структуре и апа и а можно разде и ь на две основные группы Первая группа п и и связана с и и ес и мо и и и ова и м апа и а К и таллы и апа и а характе и уются... содержа и м 11 карбонат-а и нов и управляемой степенью де и и нос и каль и ; – за и и ость электро и е и еского потен и ла каль и -де и и ного КГАП от степе и де и и нос и каль и ; – результаты и следова и сорб и нной ак и нос и КГАП по отноше и к и нам тяжелых металлов; – результаты оцен и и резор и уемос и и и совмес и ос и полученных образцов КГАП; – и и о- и и ес и основы техноло и пр и водства... что п и о и к улучше и адге и остеобластов, про и ера и и и ера и а и Нанок и тал и ес и КГАП эму и ует и рар и ескую орга и а и кос и, и и и рует рост слоя апа и а и создает усло и для клеточной и тканевой реак и в процессе костного ремоде и ова и Остеоплас и ес и и мате и лы, и пользую и ся в раз и ных областях ме и и ы сегодня в основном составляют и сте и мет и нного КГАП, отвечающего... и ло и еской и темой, и ду и овать процессы образова и костной тка и 3 В послед и годы и те и ес и КГАП с и ается весьма перспек и ным остеоплас и ес и и мате и лом для реставра и и и даже замены поврежденных костей Нанок и тал и ес и КГАП и еет повышенную и ло и ескую ак и ность по сравне и с наноразмерным немо и и и ованным и рок и па и ом и суб и рок и тал и ес и КГАП, что п и о и ... и ольчатую морфоло и с д и ой ~30 нм, тол и ой ~4 нм В за и и ос и от возраста и и а костей, д и а к и таллов и апа и а может вар и оваться в и пазоне 12-70 нм, тол и а 4-15 нм [36] Структурные и к и талло и и ес и параметры апа и ов и ло и еского пр и хожде и , как и и те и ес и продуктов, подвержены и мен и ос и и пазон вар и ова и структурных параметров к и тал и еской решет и и апа и а... морфоло и ес и и колл и но и и ес и характе и и час и от усло и и тез является крайне важным для созда и оп и ального способа получе и и и е и еского нанок и тал и еского КГАП с мак и альным подо и м и еральному компоненту костей человека и и отных 36 ГЛАВА 2 МЕТОДЫ И ТЕЗА И ИССЛЕДОВА И ОБЪЕКТОВ 2.1 и тез нанок и тал и еского КГАП методом и и еского осажде и и водного раствора и тез... каль и и ованных тканей и ых орга и мов является и апа и В за и и ос и от возраста и и а костей, д и а к и таллов и апа и а может вар и оваться в и пазоне 12-70 нм, тол и а 4-15 нм К и таллы и апа и а фор и ующейся кос и имеют 33 и ольчатую морфоло и с д и ой ~30 нм, тол и ой ~4 нм Структурные и к и талло и и ес и параметры к и тал и еской решет и и апа и а составляют a = 9.48 - 9.35 Å и с... ана и а; и женеру Крыцыне Е.В., сотруд и у лаборато и ана и и еского контроля; канд ф-м н Колес и ову Д.А., заведующему электронной и роско и и рентгеноструктурного ана и а за доброе отноше и и с и ул в заверше и труда 14 ГЛАВА 1 КОЛЛ И НО- И И ЕС И АСПЕКТЫ И ТЕЗА НАНОК И ТАЛ И ЕСКОГО КГАП И ЕГО ПРАК И ЕСКОЕ П И ЕНЕ И 1.1 и апа и в каль и и ованных тканях и ых орга и мов 1.1.1 Структура и. .. состава и апа и а в сторону де и и а каль и п и о и к повыше и его раство и ос и и, как следст и – к уве и е и скорос и и резорб и in vivo Электроповерхностные свойства час и , наряду с и размером и формой, являются важны и характе и и а и КГАП, и рают большую роль в адсорб и белков, в и ет на процессы и ера и а и и роста новой костной тка и И вестно, что час и ы КГАП, обладаю и от и ательно