Помощь студентам в учебе
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЙ- И КРЕМНИЙ- МОДИФИЦИРОВАННЫХ ГИДРОКСИАПАТИТОВ И БИОРЕЗОРБИРУЕМЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИМЕРОВ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗАМЕНЫ КОСТНОЙ ТКАНИ. СОСТАВ, СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ 12
1.1 Состав и структура костной ткани. Современные требования к костным
имплантатам 12
1.2 Ортофосфаты кальция 18
Применения, классификация, получение, свойства 18
1.3 Способы и особенности синтеза гидроксиапатита 25
1.4 Структура гидроксиапатита, возможности модифицирования 30
1.5 Изоморфные замещения в апатитах 31
1.5.1 Анионные замещения 31
1.5.2 Катионные замещения 35
1.6 Полимеры, применяемые в реконструктивной медицине 37
1.7 Полимерные композиты на основе гидроксиапатита 38
1.8 Постановка цели и задач исследования 43
ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ 45
2.1 Характеристика веществ, использованных для синтеза и исследования
свойств материалов на основе гидроксиапатита 45
2.2 Особенности применения СВЧ-излучения в ходе синтеза неорганических
веществ 47
2.3 Методы исследования дисперсных и композиционных полимерных
материалов 48
2.3.1 Метод рентгенофазового анализа 48
2.3.2 Метод ИК спектроскопии 50
2.3.3 Методы определения элементного состава 50
2.3.3 Метод гель-проникающей хроматографии 51
2.3.5 Измерение площади удельной поверхности 51
2.3.6 Методы определения морфологии и размеров частиц материалов .... 52
2.3.7 Определение растворимости образцов в физиологическом растворе
методом комплексонометрического титрования 53
2.3.8 Методы определения кислотно-основных свойств поверхности 54
2.3.9 SBF-исследования биомиметических свойств 55
2.3.10 Метод иммуноферментного анализа 55
ГЛАВА 3. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ
НЕМОДИФИЦИРОВАННОГО ГИДРОКСИАПАТИТА 58
3.1 Подбор условий СВЧ-синтеза гидроксиапатита 58
3.2 Влияние условий синтеза гидроксиапатита на его состав 60
3.3 Сравнение свойств гидроксиапатита, полученного по классической
методике и при СВЧ-воздействии 65
ГЛАВА 4. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ГИДРОКСИАПАТИТА 69
ИОНАМИ Mg2+ и SiO44" 69
4.1 Синтез магний- и кремний-модифицированных гидроксиапатитов 69
4.2 Идентификация состава модифицированных гидроксиапатитов 70
4.3 Физико-химические свойства модифицированных гидроксиапатитов 78
4.4 Оценка резорбируемости и биомиметические свойства
модифицированных гидроксиапатитов 82
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОКСИАПАТИТА И ПОЛИМЕРОВ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ 87
5.1 Получение композиционных материалов на основе гидроксиапатита и
полимеров молочной кислоты низкой молекулярной массы 87
5.2 Идентификация состава композитов и исследование взаимодействия между гидроксиапатитом и молочной кислотой в процессе формирования композитов с полимерами молочной кислоты низкой молекулярной массы . 89
5.3 Получение композитов на основе гидроксиапатита с полимерами
молочной кислоты высокой молекулярной массы 92
5.5 Биосовместимость полимерных композитов на основе гидроксиапатита на
клетках иммунной системы человека 97
5.6 Технология получения биорезорбируемых композиционных материалов
на основе гидроксиапатита 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
ВЫВОДЫ 104
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 106
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 136
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗАМЕНЫ КОСТНОЙ ТКАНИ. СОСТАВ, СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ 12
1.1 Состав и структура костной ткани. Современные требования к костным
имплантатам 12
1.2 Ортофосфаты кальция 18
Применения, классификация, получение, свойства 18
1.3 Способы и особенности синтеза гидроксиапатита 25
1.4 Структура гидроксиапатита, возможности модифицирования 30
1.5 Изоморфные замещения в апатитах 31
1.5.1 Анионные замещения 31
1.5.2 Катионные замещения 35
1.6 Полимеры, применяемые в реконструктивной медицине 37
1.7 Полимерные композиты на основе гидроксиапатита 38
1.8 Постановка цели и задач исследования 43
ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ 45
2.1 Характеристика веществ, использованных для синтеза и исследования
свойств материалов на основе гидроксиапатита 45
2.2 Особенности применения СВЧ-излучения в ходе синтеза неорганических
веществ 47
2.3 Методы исследования дисперсных и композиционных полимерных
материалов 48
2.3.1 Метод рентгенофазового анализа 48
2.3.2 Метод ИК спектроскопии 50
2.3.3 Методы определения элементного состава 50
2.3.3 Метод гель-проникающей хроматографии 51
2.3.5 Измерение площади удельной поверхности 51
2.3.6 Методы определения морфологии и размеров частиц материалов .... 52
2.3.7 Определение растворимости образцов в физиологическом растворе
методом комплексонометрического титрования 53
2.3.8 Методы определения кислотно-основных свойств поверхности 54
2.3.9 SBF-исследования биомиметических свойств 55
2.3.10 Метод иммуноферментного анализа 55
ГЛАВА 3. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ
НЕМОДИФИЦИРОВАННОГО ГИДРОКСИАПАТИТА 58
3.1 Подбор условий СВЧ-синтеза гидроксиапатита 58
3.2 Влияние условий синтеза гидроксиапатита на его состав 60
3.3 Сравнение свойств гидроксиапатита, полученного по классической
методике и при СВЧ-воздействии 65
ГЛАВА 4. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ГИДРОКСИАПАТИТА 69
ИОНАМИ Mg2+ и SiO44" 69
4.1 Синтез магний- и кремний-модифицированных гидроксиапатитов 69
4.2 Идентификация состава модифицированных гидроксиапатитов 70
4.3 Физико-химические свойства модифицированных гидроксиапатитов 78
4.4 Оценка резорбируемости и биомиметические свойства
модифицированных гидроксиапатитов 82
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОКСИАПАТИТА И ПОЛИМЕРОВ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ 87
5.1 Получение композиционных материалов на основе гидроксиапатита и
полимеров молочной кислоты низкой молекулярной массы 87
5.2 Идентификация состава композитов и исследование взаимодействия между гидроксиапатитом и молочной кислотой в процессе формирования композитов с полимерами молочной кислоты низкой молекулярной массы . 89
5.3 Получение композитов на основе гидроксиапатита с полимерами
молочной кислоты высокой молекулярной массы 92
5.5 Биосовместимость полимерных композитов на основе гидроксиапатита на
клетках иммунной системы человека 97
5.6 Технология получения биорезорбируемых композиционных материалов
на основе гидроксиапатита 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
ВЫВОДЫ 104
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 106
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 136
Актуальность исследования
Биологическая совместимость, уникальная биоактивность, структурное и химическое подобие костной ткани человека позволяют синтетическому гидроксиапатиту (Саю(РО4)6(ОН)2, ГА) - аналогу неорганической компоненты костного материала - находить широкое применение в современной медицине и материаловедении.
Трудоемкость и длительность процессов жидкофазного синтеза ГА заставляет химиков и технологов проводить поиск новых методов его получения и разрабатывать упрощенные технологии синтеза ГА. Так, за последние 15 лет количество статей, посвященных разработкам новых методов синтеза ГА, возросло ~ в 3 раза. В этом плане преимущества применения сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения при получении ГА очевидны: малая длительность синтеза, быстрый нагрев реакционной смеси, хорошая воспроизводимость, а также значительный выход и высокая степень чистоты продукта. Но материалы на основе чистого ГА в настоящее время имеют ограниченное применение, что связано с его низкой растворимостью (и как следствие, резорбируемостью) в жидкостях организма, а также высокой хрупкостью. Для целенаправленного получения новых биоматериалов на основе ГА с необходимым набором физико-химических характеристик и функциональных свойств новые возможности открываются при изоморфном замещении ГА и использовании полимерных композитов на его основе. Введение ионов Mg2+ и SiO44- в структуру ГА позволяет управлять процессами биорезорбции с одной стороны и, с другой стороны, способствует формированию костного вещества (кальций-фосфатного слоя, КФС) на поверхности материала. Материалы на основе магний- и кремний- модифицированного ГА проявляют высокую биоактивность и
резорбируемость, способствуют ускорению процессов биоминерализации и интеграции имплантатов в области костных дефектов.
Для приближения свойств ГА к свойствам натуральной кости, которая представляет собой композит ГА-коллаген, в настоящее время актуальна разработка полимерных композитов на основе ГА. Особый интерес представляют полимеры молочной кислоты (ПМК), что связано с их способностью к биодеградации в организме с оптимальной скоростью резорбции, нетоксичностью продуктов распада (CO2, H2O) и высокой механической прочностью.
Степень разработанности диссертационной работы
В работе проанализированы сведения о современном состоянии исследований в области получения, изучения, практического использования биоматериалов на основе фосфатов кальция, в частности ГА, разработанных в ведущих научно-исследовательских центрах РФ и за рубежом. Диссертационная работа выполнена в направлении получения биосовместимых материалов на основе фосфатов кальция и биодеградируемых полимеров молочной кислоты (ПМК). Осуществлена разработка экспрессного и
недорогого метода синтеза ГА (в т.ч. ион-модифицированного) как
наполнителя полимерных композитов с одновременной возможностью управления его функциональными свойствами. Относительная новизна и недостаточная изученность поведения ПМК в сочетании с ГА делают целесообразными исследования композитов на их основе. В работе получены композиционные материалы на основе ГА и ПМК и исследованы их свойства. Объекты исследований биосовместимые композиционные материалы на основе гидроксиапатита, в т.ч. модифицированного ионами Mg2+, SiO44-, и полимеров молочной кислоты.
Предмет исследований - физико-химические процессы получения и свойства биосовместимых композиционных материалов на основе гидроксиапатита.
Цель работы - разработка технологии получения и исследование физикохимических свойств биорезорбируемых материалов на основе синтезированного при СВЧ воздействии модифицированного ГА и композитов немодифицированного ГА с полимерами молочной кислоты.
Задачи, поставленные в работе, выполняемые для достижения цели:
• разработка и определение условий СВЧ-синтеза немодифицированного ГА; установление влияния СВЧ-излучения на фазовый состав, растворимость и физико-химические свойства ГА;
• синтез магний- и кремний- модифицированных гидроксиапатитов (MgГА и 81ГА) с использованием СВЧ-излучения, исследование их качественного и количественного состава; определение влияния ионов Mg2+ и SiO44- на дисперсность, растворимость порошков в физиологическом растворе (рН 7, 25 °С, ш (NaCl) = 0,9 %);
• установление влияния ионов Mg2+ и SiO44- на кислотно-основные свойства поверхности ГА, способность МдГА и SirA формировать кальцийфосфатный слой (КФС) на своей поверхности в SBF-растворе (от англ. - Simulated Body Fluid - искусственная межтканевая жидкость) при 37 °С;
• установление состава и технологических режимов создания биорезорбируемых композитов на основе ГА и полимеров молочной кислоты низкой молекулярной массы (ПМК); исследование растворимости полученных композитов в физиологическом растворе и способности формировать КФС;
• разработка технологической схемы получения биосовместимых композитов на основе ГА и полимера молочной кислоты большой молекулярной массы (полилактид, ПЛ); исследование их биосовместимости на клетках иммунной системы человека и способность формировать КФС на своей поверхности.
Научная новизна работы
1. Установлено, что синтез под воздействием СВЧ-излучения обеспечивает получение однофазных порошков ГА, значительно сокращая время их синтеза, повышая дисперсность и растворимость порошков ГА в физиологическом растворе. Показано, что суммарная концентрация ионов Ca2+ в насыщенных растворах увеличивается на 28 % в случае магний-модифицированного ГА (МдГА) и на 47 % в случае кремний-модифицированного ГА ^ГГА) по сравнению с немодифицированным ГА, что объясняется микронапряжениями в кристаллической решетке ГА за счет образования твердых растворов замещения и появлением вторичных фаз витлокита и ларнита.
2. Установлено, что на поверхности образцов ГА, MgГА и 81ГА имеются Льюисовские кислотные центры (Ca2+, Mg2+, Si4+), сила и концентрация которых в образцах ион-модифицированных гидроксиапатитов убывает в следующем ряду: SirA > МдГА > ГА, что что связано с большим значением электроотрицательностей магния и кремния относительно кальция.
3. Установлено, что получение композита на основе ГА и полимеров молочной кислоты низкой молекулярной массы (ПМК) происходит с формированием фазы СаНРО4, наличие которой обуславливает повышенную относительно чистого ГА растворимость композита.
4. Установлена зависимость скорости роста кальций-фосфатного слоя на поверхности материалов при 37 °С в модельном SBF-растворе от состава материалов: SiГA > МдГА > ГА > ГА-полилактид > ГА-ПМК.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии представлений о процессах и способах получения биосовместимых полимерных материалов, содержащих неорганический наполнитель; расширении представлений в области жидкофазного СВЧ-синтеза неорганических соединений; обобщении практических знаний о строении, функциональных свойствах и применении биорезорбируемых полимерных материалов на основе фосфатов кальция.
Практическая значимость
1. Разработана СВЧ-технология экспрессного получения порошков как чистого, так и магний-, кремний-модифицированного гидроксиапатитов, обладающих свойствами улучшенной биоактивности и резорбируемости.
2. Разработаны составы и технология получения биосовместимых материалов на основе ГА и полимеров молочной кислоты различных молекулярных масс, способствующие активному формированию КФС на своей поверхности.
3. Разработанная методика СВЧ-синтеза чистого, магний- и кремний- модифицированного гидроксиапатита включена в учебно-методическое пособие «Лабораторный практикум по курсу «Современный неорганический синтез. СВЧ-синтез фосфатов кальция (магистерская программа химического факультета НИ ТГУ «Химия твердого тела», направление подготовки 020100 - Химия).
Методология и методы диссертационного исследования
Методологической основой диссертационного исследования являлся системный комплексный подход к анализу современных проблем в области создания биосовместимых материалов с использованием эффективных методов исследования.
Методы исследования. Для исследования составов материалов применены методы рентгенофазового (XRD-6000), ИК спектроскопического (Nicolet 6700, Shimadzu 8300), элементного (энергидисперсионные приставки к электронным микроскопам Zeiss Supra 55VP, Leo Supra 50VP, микроанализатор ShiftED 300) анализа. Микрофотографии получены с помощью сканирующих электронных микроскопов Carl Ziess NVision 40, Leo Supra 50VP, JEOL-7500FA, HITACHI- 3000. Удельную поверхность, объем и размер пор порошков измеряли на приборе TriStar II Micromeritics. Гель-проникающей хроматографии выполнена на приборе фирмы GPC Agilent System 1100. SBF-исследования выполняли с использованием метода трилонометрического титрования ионов Ca2+ в присутствии аммиачного буфера. Биосовместимость оценивали на клеточных культурах макрафагов с использованием метода иммуноферментного анализа (электронный фотоколориметр Infinite 200 NanoQuant).
Положения, выносимые на защиту
1. Положение об ускорении синтеза ГА под воздействием СВЧ-излучения, позволяющего получать однофазные порошки ГА с размером частиц 20-40 нм.
2. Результаты исследования процессов формирования и свойств биорезорбируемых материалов на основе Mg- и Si-модифицированных ГА, синтезированных с использованием СВЧ-излучения;
3. Технологическая схема создания биосовместимых композиционных материалов на основе ГА и полимеров молочной кислоты различной молекулярной массы.
Личный вклад автора состоит в формулировке научной проблемы, выявлении актуальных направлений исследований в результате анализа отечественной и зарубежной литературы по этой проблеме, постановке и организации эксперимента, проведении химических и физико-химических исследований, обработке результатов исследований и представлении их в виде докладов, тезисов, статей, патентных заявок на изобретения.
Достоверность полученных результатов обусловлена применением современных приборов и методов, сопоставлением полученных результатов с данными других исследований в области создания биоматериалов на основе гидроксиапатита.
Апробация работы. По результатам диссертационных исследований были сделаны доклады на следующих всероссийских и международных конференциях: IV Всероссийской конференции молодых ученых
«Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2009), VI Всероссийской конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2010), Международной научно-практической конференции «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине» (Томск, 2010, 2012, 2013), I и II Международной Российско- Казахстанской конференции «Химия и химическая технология» (Томск, 2011, Караганда, 2012), ХШ Всероссийской Научно-практической конференции с международным участием им. проф. Кулёва студентов и молодых ученых с международным участием «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2012, 2013), Всероссийской с международным участием научной
конференции «Полифункциональные химические материалы и технологии» (Томск, 2012, 2013, 2015), Шестой каргинской конференции «Полимеры 2014» (Москва, 2014), X конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2014), XI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2014, 2015).
Публикации результатов. По материалам диссертации опубликовано 30 печатных работ, из них статей в изданиях, индексируемых РИНЦ - 7, Scopus и WoS - 3, в сборниках трудов российских и международных конференций - 22.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на страницах, содержит рисунка, таблицы, список цитируемой литературы состоит из наименования.
Благодарность. Автор выражает огромную благодарность главному научному консультанту к.х.н., доценту каф. неорг. химии ХФ ТГУ Коротченко Н.М. за поддержку и столь неоценимую и искреннюю помощь в планировании, получении и оформлении результатов диссертационной работы. Автор также выражает благодарность д.ф.-м.н., доценту каф. физ.-кол. химии Курзиной И.А. за помощь в планировании и реализации эксперимента; руководителю (д.х.н., профессор Филимошкин А.Г.) и сотрудникам отдела полимеров и мономеров Лаборатории каталитических исследований за помощь в получении, обработке и интерпретации результатов диссертационной работы; руководителю (д.б.н., профессор Кжышковска Ю.Г.) и сотрудникам отдела врожденного иммунитета и толерантности Института трансфузионной медицины и иммунологии (г. Маннхайм, Германия); сотрудникам лаборатории кислотно-основного катализа Института катализа им. Г.К. Борескова (д.х.н., профессор Пакштис Е.А.; к.х.н., м.н.с. Ларина Т.В.) за помощь в получении и обработке результатов работы
Биологическая совместимость, уникальная биоактивность, структурное и химическое подобие костной ткани человека позволяют синтетическому гидроксиапатиту (Саю(РО4)6(ОН)2, ГА) - аналогу неорганической компоненты костного материала - находить широкое применение в современной медицине и материаловедении.
Трудоемкость и длительность процессов жидкофазного синтеза ГА заставляет химиков и технологов проводить поиск новых методов его получения и разрабатывать упрощенные технологии синтеза ГА. Так, за последние 15 лет количество статей, посвященных разработкам новых методов синтеза ГА, возросло ~ в 3 раза. В этом плане преимущества применения сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения при получении ГА очевидны: малая длительность синтеза, быстрый нагрев реакционной смеси, хорошая воспроизводимость, а также значительный выход и высокая степень чистоты продукта. Но материалы на основе чистого ГА в настоящее время имеют ограниченное применение, что связано с его низкой растворимостью (и как следствие, резорбируемостью) в жидкостях организма, а также высокой хрупкостью. Для целенаправленного получения новых биоматериалов на основе ГА с необходимым набором физико-химических характеристик и функциональных свойств новые возможности открываются при изоморфном замещении ГА и использовании полимерных композитов на его основе. Введение ионов Mg2+ и SiO44- в структуру ГА позволяет управлять процессами биорезорбции с одной стороны и, с другой стороны, способствует формированию костного вещества (кальций-фосфатного слоя, КФС) на поверхности материала. Материалы на основе магний- и кремний- модифицированного ГА проявляют высокую биоактивность и
резорбируемость, способствуют ускорению процессов биоминерализации и интеграции имплантатов в области костных дефектов.
Для приближения свойств ГА к свойствам натуральной кости, которая представляет собой композит ГА-коллаген, в настоящее время актуальна разработка полимерных композитов на основе ГА. Особый интерес представляют полимеры молочной кислоты (ПМК), что связано с их способностью к биодеградации в организме с оптимальной скоростью резорбции, нетоксичностью продуктов распада (CO2, H2O) и высокой механической прочностью.
Степень разработанности диссертационной работы
В работе проанализированы сведения о современном состоянии исследований в области получения, изучения, практического использования биоматериалов на основе фосфатов кальция, в частности ГА, разработанных в ведущих научно-исследовательских центрах РФ и за рубежом. Диссертационная работа выполнена в направлении получения биосовместимых материалов на основе фосфатов кальция и биодеградируемых полимеров молочной кислоты (ПМК). Осуществлена разработка экспрессного и
недорогого метода синтеза ГА (в т.ч. ион-модифицированного) как
наполнителя полимерных композитов с одновременной возможностью управления его функциональными свойствами. Относительная новизна и недостаточная изученность поведения ПМК в сочетании с ГА делают целесообразными исследования композитов на их основе. В работе получены композиционные материалы на основе ГА и ПМК и исследованы их свойства. Объекты исследований биосовместимые композиционные материалы на основе гидроксиапатита, в т.ч. модифицированного ионами Mg2+, SiO44-, и полимеров молочной кислоты.
Предмет исследований - физико-химические процессы получения и свойства биосовместимых композиционных материалов на основе гидроксиапатита.
Цель работы - разработка технологии получения и исследование физикохимических свойств биорезорбируемых материалов на основе синтезированного при СВЧ воздействии модифицированного ГА и композитов немодифицированного ГА с полимерами молочной кислоты.
Задачи, поставленные в работе, выполняемые для достижения цели:
• разработка и определение условий СВЧ-синтеза немодифицированного ГА; установление влияния СВЧ-излучения на фазовый состав, растворимость и физико-химические свойства ГА;
• синтез магний- и кремний- модифицированных гидроксиапатитов (MgГА и 81ГА) с использованием СВЧ-излучения, исследование их качественного и количественного состава; определение влияния ионов Mg2+ и SiO44- на дисперсность, растворимость порошков в физиологическом растворе (рН 7, 25 °С, ш (NaCl) = 0,9 %);
• установление влияния ионов Mg2+ и SiO44- на кислотно-основные свойства поверхности ГА, способность МдГА и SirA формировать кальцийфосфатный слой (КФС) на своей поверхности в SBF-растворе (от англ. - Simulated Body Fluid - искусственная межтканевая жидкость) при 37 °С;
• установление состава и технологических режимов создания биорезорбируемых композитов на основе ГА и полимеров молочной кислоты низкой молекулярной массы (ПМК); исследование растворимости полученных композитов в физиологическом растворе и способности формировать КФС;
• разработка технологической схемы получения биосовместимых композитов на основе ГА и полимера молочной кислоты большой молекулярной массы (полилактид, ПЛ); исследование их биосовместимости на клетках иммунной системы человека и способность формировать КФС на своей поверхности.
Научная новизна работы
1. Установлено, что синтез под воздействием СВЧ-излучения обеспечивает получение однофазных порошков ГА, значительно сокращая время их синтеза, повышая дисперсность и растворимость порошков ГА в физиологическом растворе. Показано, что суммарная концентрация ионов Ca2+ в насыщенных растворах увеличивается на 28 % в случае магний-модифицированного ГА (МдГА) и на 47 % в случае кремний-модифицированного ГА ^ГГА) по сравнению с немодифицированным ГА, что объясняется микронапряжениями в кристаллической решетке ГА за счет образования твердых растворов замещения и появлением вторичных фаз витлокита и ларнита.
2. Установлено, что на поверхности образцов ГА, MgГА и 81ГА имеются Льюисовские кислотные центры (Ca2+, Mg2+, Si4+), сила и концентрация которых в образцах ион-модифицированных гидроксиапатитов убывает в следующем ряду: SirA > МдГА > ГА, что что связано с большим значением электроотрицательностей магния и кремния относительно кальция.
3. Установлено, что получение композита на основе ГА и полимеров молочной кислоты низкой молекулярной массы (ПМК) происходит с формированием фазы СаНРО4, наличие которой обуславливает повышенную относительно чистого ГА растворимость композита.
4. Установлена зависимость скорости роста кальций-фосфатного слоя на поверхности материалов при 37 °С в модельном SBF-растворе от состава материалов: SiГA > МдГА > ГА > ГА-полилактид > ГА-ПМК.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии представлений о процессах и способах получения биосовместимых полимерных материалов, содержащих неорганический наполнитель; расширении представлений в области жидкофазного СВЧ-синтеза неорганических соединений; обобщении практических знаний о строении, функциональных свойствах и применении биорезорбируемых полимерных материалов на основе фосфатов кальция.
Практическая значимость
1. Разработана СВЧ-технология экспрессного получения порошков как чистого, так и магний-, кремний-модифицированного гидроксиапатитов, обладающих свойствами улучшенной биоактивности и резорбируемости.
2. Разработаны составы и технология получения биосовместимых материалов на основе ГА и полимеров молочной кислоты различных молекулярных масс, способствующие активному формированию КФС на своей поверхности.
3. Разработанная методика СВЧ-синтеза чистого, магний- и кремний- модифицированного гидроксиапатита включена в учебно-методическое пособие «Лабораторный практикум по курсу «Современный неорганический синтез. СВЧ-синтез фосфатов кальция (магистерская программа химического факультета НИ ТГУ «Химия твердого тела», направление подготовки 020100 - Химия).
Методология и методы диссертационного исследования
Методологической основой диссертационного исследования являлся системный комплексный подход к анализу современных проблем в области создания биосовместимых материалов с использованием эффективных методов исследования.
Методы исследования. Для исследования составов материалов применены методы рентгенофазового (XRD-6000), ИК спектроскопического (Nicolet 6700, Shimadzu 8300), элементного (энергидисперсионные приставки к электронным микроскопам Zeiss Supra 55VP, Leo Supra 50VP, микроанализатор ShiftED 300) анализа. Микрофотографии получены с помощью сканирующих электронных микроскопов Carl Ziess NVision 40, Leo Supra 50VP, JEOL-7500FA, HITACHI- 3000. Удельную поверхность, объем и размер пор порошков измеряли на приборе TriStar II Micromeritics. Гель-проникающей хроматографии выполнена на приборе фирмы GPC Agilent System 1100. SBF-исследования выполняли с использованием метода трилонометрического титрования ионов Ca2+ в присутствии аммиачного буфера. Биосовместимость оценивали на клеточных культурах макрафагов с использованием метода иммуноферментного анализа (электронный фотоколориметр Infinite 200 NanoQuant).
Положения, выносимые на защиту
1. Положение об ускорении синтеза ГА под воздействием СВЧ-излучения, позволяющего получать однофазные порошки ГА с размером частиц 20-40 нм.
2. Результаты исследования процессов формирования и свойств биорезорбируемых материалов на основе Mg- и Si-модифицированных ГА, синтезированных с использованием СВЧ-излучения;
3. Технологическая схема создания биосовместимых композиционных материалов на основе ГА и полимеров молочной кислоты различной молекулярной массы.
Личный вклад автора состоит в формулировке научной проблемы, выявлении актуальных направлений исследований в результате анализа отечественной и зарубежной литературы по этой проблеме, постановке и организации эксперимента, проведении химических и физико-химических исследований, обработке результатов исследований и представлении их в виде докладов, тезисов, статей, патентных заявок на изобретения.
Достоверность полученных результатов обусловлена применением современных приборов и методов, сопоставлением полученных результатов с данными других исследований в области создания биоматериалов на основе гидроксиапатита.
Апробация работы. По результатам диссертационных исследований были сделаны доклады на следующих всероссийских и международных конференциях: IV Всероссийской конференции молодых ученых
«Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2009), VI Всероссийской конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2010), Международной научно-практической конференции «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине» (Томск, 2010, 2012, 2013), I и II Международной Российско- Казахстанской конференции «Химия и химическая технология» (Томск, 2011, Караганда, 2012), ХШ Всероссийской Научно-практической конференции с международным участием им. проф. Кулёва студентов и молодых ученых с международным участием «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2012, 2013), Всероссийской с международным участием научной
конференции «Полифункциональные химические материалы и технологии» (Томск, 2012, 2013, 2015), Шестой каргинской конференции «Полимеры 2014» (Москва, 2014), X конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2014), XI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2014, 2015).
Публикации результатов. По материалам диссертации опубликовано 30 печатных работ, из них статей в изданиях, индексируемых РИНЦ - 7, Scopus и WoS - 3, в сборниках трудов российских и международных конференций - 22.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на страницах, содержит рисунка, таблицы, список цитируемой литературы состоит из наименования.
Благодарность. Автор выражает огромную благодарность главному научному консультанту к.х.н., доценту каф. неорг. химии ХФ ТГУ Коротченко Н.М. за поддержку и столь неоценимую и искреннюю помощь в планировании, получении и оформлении результатов диссертационной работы. Автор также выражает благодарность д.ф.-м.н., доценту каф. физ.-кол. химии Курзиной И.А. за помощь в планировании и реализации эксперимента; руководителю (д.х.н., профессор Филимошкин А.Г.) и сотрудникам отдела полимеров и мономеров Лаборатории каталитических исследований за помощь в получении, обработке и интерпретации результатов диссертационной работы; руководителю (д.б.н., профессор Кжышковска Ю.Г.) и сотрудникам отдела врожденного иммунитета и толерантности Института трансфузионной медицины и иммунологии (г. Маннхайм, Германия); сотрудникам лаборатории кислотно-основного катализа Института катализа им. Г.К. Борескова (д.х.н., профессор Пакштис Е.А.; к.х.н., м.н.с. Ларина Т.В.) за помощь в получении и обработке результатов работы
1. Применение СВЧ-излучения в ходе жидкофазного синтеза гидроксиапатита (ГА) значительно снижает время его получения и позволяет синтезировать однофазные порошки ГА, влияя на его свойства: уменьшается средний размер частиц от 52 нм до 22 нм, увеличиваются однородность частиц по форме и степень полидисперсности порошков в интервалах от (50-120) нм до (20-40) нм; удельная поверхность порошков от 44 м2/г до 106 м2/г; растворимость порошков в физиологическом растворе (СС£2+насыщ, моль/л) от (1,19 ± 0,03)-10“3 до (1,59 ± 0,03)-10"3 при 20 °С и от (1,33 ± 0,02)-10"3 до (1,74 ± 0,04)Ч0"3 при 37 °С.
2. Синтез ГА в присутствии ионов Mg2+ и SiO44- проходит с образованием бифазных продуктов. Ионы Mg2+ и SiO44- присутствуют в составе продуктов синтеза как в виде вторичных фаз - витлокит (магний-модифицированный ГА, МдГА) и ларнит (кремний-модифицированный ГА, SiГА), так и в составе фазы ГА, образуя твердые растворы замещения.
3. В продуктах синтеза модифицированных ГА наблюдается увеличение размеров частиц относительно немодифицированного ГА. Дисперсность уменьшается в следующем ряду: ГА > SiГА > МдГА. На поверхности образцов ГА, МдГА и SilA имеются Льюисовские кислотные центры (Ca2+, Mg2+, Si4+), сила которых убывает в ряду материалов: SiГА > МдГА > ГА, что связано с большим значением электроотрицательностей магния и кремния относительно кальция. Данный ряд изменения кислотных свойств поверхности материалов сохраняется и при оценке скорости формирования кальций-фосфатного слоя на их поверхности из SBF-раствора при 37 °С.
4. Формирование композита ГА-ПМК (полимер молочной кислоты низкой молекулярной массы) проходит с образованием фазы СаНРО4 как продукта взаимодействия ГА и молочной кислоты непосредственно в момент ее поликонденсации. Формирование гидрофосфата кальция СаНРО4 способствует увеличению растворимости композитов ГА-ПМК в физиологическом растворе в 2-4 раза относительно чистого ГА.
5. Разработанная технология получения биорезорбируемых композитов на основе ГА и полимеров молочной кислоты высокой молекулярной массы (полилактид, ПЛ) с массовым соотношением компонентов ®(ГА) : ®(ПЛ) = 10 : 90 позволяет сохранять фазовый состав исходных компонентов и однородное распределение частиц ГА в полимерной матрице.
6. Скорость формирования кальций-фосфатного слоя на поверхности материалов при 37 °С в модельном SBF-растворе зависит от состава материалов: SirA > МдГА > ГА > ГА-ПЛ > ГА-ПМК. Уменьшение скорости роста кальцийфосфатного слоя на поверхности полимерных композитов связано с «блокирующим» действием полимера на частицы ГА, являющиеся центрами адсорбции ионов Са2+ из SBF-раствора.
7. Оценка способности материалов вызывать воспалительные реакции у клеток иммунной системы человека, подтвердила, что материалы ГА, ПЛ и ГА- ПЛ не способствуют выделению провоспалительных цитокинов (СФНО-а < 25-35 пкг/мл) у исследуемого донора, что свидетельствует об отсутствии воспалительных реакций на материал. Присутствие ПЛ способствует выделению моноцитами противовоспалительных цитокинов (СССЛ-18 ~ 180-104 пкг/мл), что указывает на потенциальные противовоспалительные свойства этого материала.
2. Синтез ГА в присутствии ионов Mg2+ и SiO44- проходит с образованием бифазных продуктов. Ионы Mg2+ и SiO44- присутствуют в составе продуктов синтеза как в виде вторичных фаз - витлокит (магний-модифицированный ГА, МдГА) и ларнит (кремний-модифицированный ГА, SiГА), так и в составе фазы ГА, образуя твердые растворы замещения.
3. В продуктах синтеза модифицированных ГА наблюдается увеличение размеров частиц относительно немодифицированного ГА. Дисперсность уменьшается в следующем ряду: ГА > SiГА > МдГА. На поверхности образцов ГА, МдГА и SilA имеются Льюисовские кислотные центры (Ca2+, Mg2+, Si4+), сила которых убывает в ряду материалов: SiГА > МдГА > ГА, что связано с большим значением электроотрицательностей магния и кремния относительно кальция. Данный ряд изменения кислотных свойств поверхности материалов сохраняется и при оценке скорости формирования кальций-фосфатного слоя на их поверхности из SBF-раствора при 37 °С.
4. Формирование композита ГА-ПМК (полимер молочной кислоты низкой молекулярной массы) проходит с образованием фазы СаНРО4 как продукта взаимодействия ГА и молочной кислоты непосредственно в момент ее поликонденсации. Формирование гидрофосфата кальция СаНРО4 способствует увеличению растворимости композитов ГА-ПМК в физиологическом растворе в 2-4 раза относительно чистого ГА.
5. Разработанная технология получения биорезорбируемых композитов на основе ГА и полимеров молочной кислоты высокой молекулярной массы (полилактид, ПЛ) с массовым соотношением компонентов ®(ГА) : ®(ПЛ) = 10 : 90 позволяет сохранять фазовый состав исходных компонентов и однородное распределение частиц ГА в полимерной матрице.
6. Скорость формирования кальций-фосфатного слоя на поверхности материалов при 37 °С в модельном SBF-растворе зависит от состава материалов: SirA > МдГА > ГА > ГА-ПЛ > ГА-ПМК. Уменьшение скорости роста кальцийфосфатного слоя на поверхности полимерных композитов связано с «блокирующим» действием полимера на частицы ГА, являющиеся центрами адсорбции ионов Са2+ из SBF-раствора.
7. Оценка способности материалов вызывать воспалительные реакции у клеток иммунной системы человека, подтвердила, что материалы ГА, ПЛ и ГА- ПЛ не способствуют выделению провоспалительных цитокинов (СФНО-а < 25-35 пкг/мл) у исследуемого донора, что свидетельствует об отсутствии воспалительных реакций на материал. Присутствие ПЛ способствует выделению моноцитами противовоспалительных цитокинов (СССЛ-18 ~ 180-104 пкг/мл), что указывает на потенциальные противовоспалительные свойства этого материала.