Помощь студентам в учебе
ИЗУЧЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ (ГИДРОКСИАПАТИТ И ТРИКАЛЬЦИЙФОСФАТ) С ПРИМЕСЬЮ ИОНОВ МАРГАНЦА МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
|
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 СВОЙСТВА ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ КАК БИОМАТЕРИАЛА 11
1.1 История развития биосовместимых материалов для костной
трансплантологии 11
1.2 Физико-химические свойства ФК - соединений, позволяющие
использовать их в современной медицине 14
1.3 ЭПР спектроскопия фосфатов кальция (ГА и ТКФ) с примесью
ионов марганца Mn2+ 16
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 25
2.1 Синтез образцов с примесями ионов марганца Mn2+ 25
2.1.1 Гидроксиапатит 25
2.1.2 Трикальцийфосфат 26
2.2 Структура материалов 28
2.2.1 Г идроксиапатит 28
2.2.2 Трикальцийфосфат 30
2.3 Влияние примесей ионов марганца Мп2+на физико-химические
свойства материалов (ГА и ТКФ) 32
2.4 Методы исследования 34
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 40
3.1 Спектроскопия ЭПР в стационарном режиме 40
3.1.1 Спектры ЭПР в X-диапазоне 40
3.1.2 Низкополевые сингулярности. Модель угловой зависимости и
расчет параметров ТС 45
3.1.3 Высокочастотный диапазон 50
3.2 Спектроскопия ЭПР в импульсном режиме 53
3.2.1 Спектры ЭПР в X-диапазоне 53
3.2.2 Высокочастотный диапазон 57
ГЛАВА 4 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРОННО ЯДЕРНЫЙ РЕЗОНАНС ГА-Mn И ТКФ-Mn 61
4.1 Локальное ядерное окружение Mn в трикальцийфосфате 61
4.2 Локальное ядерное окружение Mn в гидроксиапатите 64
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 68
ПРИЛОЖЕНИЕ 75
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 СВОЙСТВА ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ КАК БИОМАТЕРИАЛА 11
1.1 История развития биосовместимых материалов для костной
трансплантологии 11
1.2 Физико-химические свойства ФК - соединений, позволяющие
использовать их в современной медицине 14
1.3 ЭПР спектроскопия фосфатов кальция (ГА и ТКФ) с примесью
ионов марганца Mn2+ 16
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 25
2.1 Синтез образцов с примесями ионов марганца Mn2+ 25
2.1.1 Гидроксиапатит 25
2.1.2 Трикальцийфосфат 26
2.2 Структура материалов 28
2.2.1 Г идроксиапатит 28
2.2.2 Трикальцийфосфат 30
2.3 Влияние примесей ионов марганца Мп2+на физико-химические
свойства материалов (ГА и ТКФ) 32
2.4 Методы исследования 34
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 40
3.1 Спектроскопия ЭПР в стационарном режиме 40
3.1.1 Спектры ЭПР в X-диапазоне 40
3.1.2 Низкополевые сингулярности. Модель угловой зависимости и
расчет параметров ТС 45
3.1.3 Высокочастотный диапазон 50
3.2 Спектроскопия ЭПР в импульсном режиме 53
3.2.1 Спектры ЭПР в X-диапазоне 53
3.2.2 Высокочастотный диапазон 57
ГЛАВА 4 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРОННО ЯДЕРНЫЙ РЕЗОНАНС ГА-Mn И ТКФ-Mn 61
4.1 Локальное ядерное окружение Mn в трикальцийфосфате 61
4.2 Локальное ядерное окружение Mn в гидроксиапатите 64
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 68
ПРИЛОЖЕНИЕ 75
Интерес к созданию новых материалов, с ранее неизученными свойствами, у человечества был всегда. Начиная с каменного века и завершая сегодняшним днем, главным движущим механизмом данного поиска, является постоянное желание человека совершенствовать широко используемое им сырье. Порой, как будет описано ниже, подобный интерес, может стать жизненно необходимым [1, 2].
С середины прошлого столетия демографы многих развитых стран, стали отмечать зарождение новой тенденции - увеличение среднего возраста населения. Мир стареет, а это означает, что рост доли пожилого населения будет затрагивать все основные сферы жизни общества. Человек, с возрастом, становиться все более уязвимым к различным заболеваниям. Одна из категорий болезней относится к патологиям костно-суставной системы, насчитываемая более двух десятков. Снижение минеральной плотности костной ткани и нарушение микроархитектоники костного матрикса приводит к такому страшному недугу как остеопороз. Остеопороз - мировая проблема, поражающая десятки миллионов людей по всему миру. В Европе, количество летальных исходов пациентов связанных с остепоротическими переломами превышает онкологическую [3, 4, 5].
Для того, чтобы вернуть пациенту утраченные функции опорнодвигательного аппарата, подвижность и трудоспособность, возникает потребность в имплантационной хирургии. Данный вид операций включает полную или частичную замену поврежденной части костного скелета на имплант, а также исправление образовавшегося костного дефекта с помощью специальных наполнителей. Ежегодно по всему миру проводится более двух миллионов подобных операций, еще несколько миллионов постоянно нуждаются в ней. Вследствие чего, возникла клиническая потребность в улучшении и совершенствовании хирургических и терапевтических методов лечения[6, 7, 8].
Важной частью современных методов лечения являются биосовместимые материалы, которые используются в качестве основных компонент костных имплантов и наполнителей. Очевидно, что такие материалы должны быть идентичны натуральной костной ткани человека по фазовому, минеральному и элементному составу. Импланты должны обладать такими свойствами, как биосовместимость, остеокондуктивность, остеоиндуктивность, остеогенная активность, механическая прочность и постепенная (контролируемая) биорезорбция. Следовательно, ведутся активные поиски синтетических биоинертных материалов, способные стать альтернативной заменой костной ткани [9, 10, 11, 12].
На сегодняшний час, известно более двух десятков соединений, которые являются потенциально пригодными для создания костных протезов и различных бионаполнителей. Однако, каждый, из приведенных в списке материалов (таблица 1 см. в приложении № 1), обладает своим собственным недостатком, что не позволяет их применять в полном объеме без ограничений. На данный момент, не существует идеального биоматериала, удовлетворяющего всем перечисленным выше требованиям.
Синтетическая фосфатная керамика на основе гидроксиапатита (ГА) и трикальцийфосфата (ТКФ), является распространенным биоматериалом, использующийся в медицине с 80-х гг. прошлого века. Материалы, достаточно хорошо изучены на предмет их биосовместимости и наличия остеорегенеративных свойств. Несмотря на то, что в последние годы были достигнуты значительные достижения в области полимерных соединений, для биомедицинских приложений (в том числе и ортопедии), ГА и ТКФ остаются в числе ведущих материалов в биоинженерии костной ткани. Главным преимуществом ФК - соединений, перед остальными, является тот факт, что неорганическая компонента натуральной костной ткани человека состоит из ГА. Следовательно, производя направленный синтез данных материалов (ГА и ТКФ), с необходимыми ионными примесями в требуемых концентрациях,
возможно добиться максимальной идентичности с природной костной тканью человека. Одной из таких важных примесей является двухвалентный марганец Mn2+ [13].
Примесь иона двухвалентного марганца Mn2+ может в значительной мере влиять на физико-химические свойства фосфорно-кальциевых соединений (ГА и ТКФ). Марганец является важнейшим микроэлементом во всем организме человека. Опорно-двигательная система не является исключением. Ионы Mn играют важную роль в метаболизме костной ткани, контролируя клеточную активность остекластов и остеобластов. Более подробно о влиянии иона на свойства исследуемых образцов описано в разделе «Влияние примесей ионов марганца Mn на физико-химические свойства материалов (ГА и ТКФ)».
Кроме того, что марганец, с медицинской точки зрения, является важной примесью в фосфорно-кальциевых соединениях, наличие у данного иона Mn парамагнитных свойств, позволяет ему выступать в качестве зонда для ЭПР спектроскопии. Данный комплекс обладает электронным и ядерным спином равными S = I = 5/2. Для подобной конфигурации в кристаллической структуре ГА и ТКФ, спектры ЭПР в различных режимах, а также высокочастотного ДЭЯР, будут содержать достаточно богатую информацию, по которым можно будет охарактеризовать данные парамагнитные центры, вплоть до их локализации в решетке. Следовательно, целью данной работы является исследование нанокристаллических порошковых образцов гидроксиапатита и трикальцийфосфата с примесными ионами Mn методами ЭПР. В ходе выполнения работы решались следующие задачи:
1. Изучение порошков ГА и ТКФ с разными концентрациями примесных ионов Mn , применяя стационарную и импульсную ЭПР спектроскопию в X (v = 9.6 ГГц) и W (v = 94 ГГц) диапазонах при T = 25 К - 298 К.
2. Проведение анализа и интерпретации полученных экспериментальных результатов, определение основных спектроскопических показателей спектров ЭПР (параметров спинового гамильтониана).
3. Анализ сверхтонкого взаимодействия Mn с окружающими ядрами H и P в структуре образцов методом импульсного двойного электронноядерного резонанса (ДЭЯР) в сильных магнитных полях (B0 = 3.5 T). Научная новизна работы состоит в следующем:
1 Проведен комплексный сравнительный анализ стационарных и импульсных спектров ЭПР, соответственно статических и динамических характеристик, образцов ГА и ТКФ с примесными ионами Mn в двух частотных диапазонах.
2 Приведена теоретическая модель угловой зависимости компонент тонкой структуры для Mn (высокоспиновый ион) в ориентационно-неупорядоченных средах. Данные теоретические расчеты вместе с разносторонними экспериментальными результатами, позволяют интерпретировать низкополевые сигналы как разрешенные спиновые переходы тонкой структуры Mn2+.
3 Впервые была проведена регистрация и анализ спектров импульсного двойного электронно - ядерного резонанса в ВЧ-диапазоне (W-band, v = 94 ГГц) при T = 25 K для детального изучения ядерного окружения марганца. Данные результаты позволили подтвердить, а также дополнить информацию о ранее предполагаемых позициях замещения исходных ионов катионами Mn в структуре ГА и ТКФ.
Практическая значимость:
1. Полученные спектроскопические данные, такие как g-фактор, параметры кристаллического поля Bqk, величины изотропного сверхтонкого взаимодействия Mn2+ и суперсверхтонкого взаимодействия иона Mn2+ с окружающими ядрами H и P будут использованы для дальнейших расчетов электронной структуры исследуемых систем методом теории функционала плотности (ТФП или density functional theory - DFT). Подобные вычисления требуются при создании/построения модели кристаллических ячеек ГА и ТКФ с примесными центрами ионов Mn2+.
2. Экспериментальные результаты по низкополевым сверхтонким структурам и соответствующие теоретические расчеты могут помочь при интерпретации сложных спектров ЭПР от высокоспиновых систем (Mn , Fe ) в подобных ориентационно-неупорядоченных средах (поликристаллических матрицах).
3. Полученные результаты могут быть полезны для идентификации ГА-Mn и ТКФ-Mn в различных природных апатитах и фосфатах кальция биогенного происхождения. Так, в работе [14] продемонстрировано присутствие ГА-Mn в атеросклеротических бляшках, изучение стабильности которых, является на данный момент очень важной задачей.
4. Обменное взаимодействие (обменное сужение) в ГА-Mn может быть использовано для экспресс контроля наличия примесных центров и количественного определения концентрации примесных ионов в ГА.
С середины прошлого столетия демографы многих развитых стран, стали отмечать зарождение новой тенденции - увеличение среднего возраста населения. Мир стареет, а это означает, что рост доли пожилого населения будет затрагивать все основные сферы жизни общества. Человек, с возрастом, становиться все более уязвимым к различным заболеваниям. Одна из категорий болезней относится к патологиям костно-суставной системы, насчитываемая более двух десятков. Снижение минеральной плотности костной ткани и нарушение микроархитектоники костного матрикса приводит к такому страшному недугу как остеопороз. Остеопороз - мировая проблема, поражающая десятки миллионов людей по всему миру. В Европе, количество летальных исходов пациентов связанных с остепоротическими переломами превышает онкологическую [3, 4, 5].
Для того, чтобы вернуть пациенту утраченные функции опорнодвигательного аппарата, подвижность и трудоспособность, возникает потребность в имплантационной хирургии. Данный вид операций включает полную или частичную замену поврежденной части костного скелета на имплант, а также исправление образовавшегося костного дефекта с помощью специальных наполнителей. Ежегодно по всему миру проводится более двух миллионов подобных операций, еще несколько миллионов постоянно нуждаются в ней. Вследствие чего, возникла клиническая потребность в улучшении и совершенствовании хирургических и терапевтических методов лечения[6, 7, 8].
Важной частью современных методов лечения являются биосовместимые материалы, которые используются в качестве основных компонент костных имплантов и наполнителей. Очевидно, что такие материалы должны быть идентичны натуральной костной ткани человека по фазовому, минеральному и элементному составу. Импланты должны обладать такими свойствами, как биосовместимость, остеокондуктивность, остеоиндуктивность, остеогенная активность, механическая прочность и постепенная (контролируемая) биорезорбция. Следовательно, ведутся активные поиски синтетических биоинертных материалов, способные стать альтернативной заменой костной ткани [9, 10, 11, 12].
На сегодняшний час, известно более двух десятков соединений, которые являются потенциально пригодными для создания костных протезов и различных бионаполнителей. Однако, каждый, из приведенных в списке материалов (таблица 1 см. в приложении № 1), обладает своим собственным недостатком, что не позволяет их применять в полном объеме без ограничений. На данный момент, не существует идеального биоматериала, удовлетворяющего всем перечисленным выше требованиям.
Синтетическая фосфатная керамика на основе гидроксиапатита (ГА) и трикальцийфосфата (ТКФ), является распространенным биоматериалом, использующийся в медицине с 80-х гг. прошлого века. Материалы, достаточно хорошо изучены на предмет их биосовместимости и наличия остеорегенеративных свойств. Несмотря на то, что в последние годы были достигнуты значительные достижения в области полимерных соединений, для биомедицинских приложений (в том числе и ортопедии), ГА и ТКФ остаются в числе ведущих материалов в биоинженерии костной ткани. Главным преимуществом ФК - соединений, перед остальными, является тот факт, что неорганическая компонента натуральной костной ткани человека состоит из ГА. Следовательно, производя направленный синтез данных материалов (ГА и ТКФ), с необходимыми ионными примесями в требуемых концентрациях,
возможно добиться максимальной идентичности с природной костной тканью человека. Одной из таких важных примесей является двухвалентный марганец Mn2+ [13].
Примесь иона двухвалентного марганца Mn2+ может в значительной мере влиять на физико-химические свойства фосфорно-кальциевых соединений (ГА и ТКФ). Марганец является важнейшим микроэлементом во всем организме человека. Опорно-двигательная система не является исключением. Ионы Mn играют важную роль в метаболизме костной ткани, контролируя клеточную активность остекластов и остеобластов. Более подробно о влиянии иона на свойства исследуемых образцов описано в разделе «Влияние примесей ионов марганца Mn на физико-химические свойства материалов (ГА и ТКФ)».
Кроме того, что марганец, с медицинской точки зрения, является важной примесью в фосфорно-кальциевых соединениях, наличие у данного иона Mn парамагнитных свойств, позволяет ему выступать в качестве зонда для ЭПР спектроскопии. Данный комплекс обладает электронным и ядерным спином равными S = I = 5/2. Для подобной конфигурации в кристаллической структуре ГА и ТКФ, спектры ЭПР в различных режимах, а также высокочастотного ДЭЯР, будут содержать достаточно богатую информацию, по которым можно будет охарактеризовать данные парамагнитные центры, вплоть до их локализации в решетке. Следовательно, целью данной работы является исследование нанокристаллических порошковых образцов гидроксиапатита и трикальцийфосфата с примесными ионами Mn методами ЭПР. В ходе выполнения работы решались следующие задачи:
1. Изучение порошков ГА и ТКФ с разными концентрациями примесных ионов Mn , применяя стационарную и импульсную ЭПР спектроскопию в X (v = 9.6 ГГц) и W (v = 94 ГГц) диапазонах при T = 25 К - 298 К.
2. Проведение анализа и интерпретации полученных экспериментальных результатов, определение основных спектроскопических показателей спектров ЭПР (параметров спинового гамильтониана).
3. Анализ сверхтонкого взаимодействия Mn с окружающими ядрами H и P в структуре образцов методом импульсного двойного электронноядерного резонанса (ДЭЯР) в сильных магнитных полях (B0 = 3.5 T). Научная новизна работы состоит в следующем:
1 Проведен комплексный сравнительный анализ стационарных и импульсных спектров ЭПР, соответственно статических и динамических характеристик, образцов ГА и ТКФ с примесными ионами Mn в двух частотных диапазонах.
2 Приведена теоретическая модель угловой зависимости компонент тонкой структуры для Mn (высокоспиновый ион) в ориентационно-неупорядоченных средах. Данные теоретические расчеты вместе с разносторонними экспериментальными результатами, позволяют интерпретировать низкополевые сигналы как разрешенные спиновые переходы тонкой структуры Mn2+.
3 Впервые была проведена регистрация и анализ спектров импульсного двойного электронно - ядерного резонанса в ВЧ-диапазоне (W-band, v = 94 ГГц) при T = 25 K для детального изучения ядерного окружения марганца. Данные результаты позволили подтвердить, а также дополнить информацию о ранее предполагаемых позициях замещения исходных ионов катионами Mn в структуре ГА и ТКФ.
Практическая значимость:
1. Полученные спектроскопические данные, такие как g-фактор, параметры кристаллического поля Bqk, величины изотропного сверхтонкого взаимодействия Mn2+ и суперсверхтонкого взаимодействия иона Mn2+ с окружающими ядрами H и P будут использованы для дальнейших расчетов электронной структуры исследуемых систем методом теории функционала плотности (ТФП или density functional theory - DFT). Подобные вычисления требуются при создании/построения модели кристаллических ячеек ГА и ТКФ с примесными центрами ионов Mn2+.
2. Экспериментальные результаты по низкополевым сверхтонким структурам и соответствующие теоретические расчеты могут помочь при интерпретации сложных спектров ЭПР от высокоспиновых систем (Mn , Fe ) в подобных ориентационно-неупорядоченных средах (поликристаллических матрицах).
3. Полученные результаты могут быть полезны для идентификации ГА-Mn и ТКФ-Mn в различных природных апатитах и фосфатах кальция биогенного происхождения. Так, в работе [14] продемонстрировано присутствие ГА-Mn в атеросклеротических бляшках, изучение стабильности которых, является на данный момент очень важной задачей.
4. Обменное взаимодействие (обменное сужение) в ГА-Mn может быть использовано для экспресс контроля наличия примесных центров и количественного определения концентрации примесных ионов в ГА.
1. Из анализа спектров высокочастотного ЭПР и ДЭЯР установлено, что в ТКФ уже при очень малых концентрациях (0.02 %) ион марганца Mn замещает три конкретные позиции кальция (Ca(2), Ca(4) и Ca(5)) из пяти возможных. Для ГА при наименьшей из возможных концентраций Mn (0.05%), обе позиции Ca(1) и Ca(2) являются равновероятными для замещения марганцем.
2. Определены параметры спинового гамильтониана и построены модели ориентационной зависимости компонент тонкой структуры в двух разных частотных диапазонах (v = 9.61 ГГц и v = 94 ГГц), описывающие низкополевые сигналы ЭПР. Благодаря двухчастотным экспериментам и соответствующим аналитическим расчетам установлено, что данные низкополевые сверхтонкие структуры относятся к разрешенным переходам тонкой структуры примесных центров Mn2+ с g-фактором, близким к ge = 2.0023.
3. Возможность наблюдения низкополевых сверхтонких структур Mn обусловлено малой степенью дислокации кристаллической решетки нанокристаллических образцов, приводящее к малому разбросу параметров тонкой структуры и g-фактора. Длинное время спин-спиновой релаксации Т2 = 1.5 мкс при T = 25 K для обоих образцов, говорит о равномерном распределении примесей Mn2+ во всем образце без образования кластеров. Проведенная полевая зависимость (для v = 9.61 ГГц от 700 Гс до 5000 Гс и для v = 94 ГГц на центральном переходе) времен релаксации Т1 и Т2 не содержит скачкообразных изменений данных величин, что говорит об отсутствии различных дополнительных марганцевых фаз. Отклонение Т1 и Т2 от средних значений находится в диапазоне допустимой погрешности.
4. Наблюдение обменного взаимодействия (обменного сужения с увеличением концентрации) для ГА уже при низких концентрациях и слабое проявление у ТКФ говорит об отличии в механизмах/характере взаимодействия между ионами Mn . Сравнение интегральных интенсивностей (ИИ) сигнала ЭПР от Mn с элементным анализом ICP-MS в зависимости от концентрации подтверждает, что ИИ прямо пропорциональна количеству внедренных ионов, находящиеся в состоянии Mn . Отсюда, для ГА данную зависимость ширины линии центрального перехода от концентрации можно использовать для неразрушающего экспресс - контроля количества примесей Mn в фосфатах кальция.
2. Определены параметры спинового гамильтониана и построены модели ориентационной зависимости компонент тонкой структуры в двух разных частотных диапазонах (v = 9.61 ГГц и v = 94 ГГц), описывающие низкополевые сигналы ЭПР. Благодаря двухчастотным экспериментам и соответствующим аналитическим расчетам установлено, что данные низкополевые сверхтонкие структуры относятся к разрешенным переходам тонкой структуры примесных центров Mn2+ с g-фактором, близким к ge = 2.0023.
3. Возможность наблюдения низкополевых сверхтонких структур Mn обусловлено малой степенью дислокации кристаллической решетки нанокристаллических образцов, приводящее к малому разбросу параметров тонкой структуры и g-фактора. Длинное время спин-спиновой релаксации Т2 = 1.5 мкс при T = 25 K для обоих образцов, говорит о равномерном распределении примесей Mn2+ во всем образце без образования кластеров. Проведенная полевая зависимость (для v = 9.61 ГГц от 700 Гс до 5000 Гс и для v = 94 ГГц на центральном переходе) времен релаксации Т1 и Т2 не содержит скачкообразных изменений данных величин, что говорит об отсутствии различных дополнительных марганцевых фаз. Отклонение Т1 и Т2 от средних значений находится в диапазоне допустимой погрешности.
4. Наблюдение обменного взаимодействия (обменного сужения с увеличением концентрации) для ГА уже при низких концентрациях и слабое проявление у ТКФ говорит об отличии в механизмах/характере взаимодействия между ионами Mn . Сравнение интегральных интенсивностей (ИИ) сигнала ЭПР от Mn с элементным анализом ICP-MS в зависимости от концентрации подтверждает, что ИИ прямо пропорциональна количеству внедренных ионов, находящиеся в состоянии Mn . Отсюда, для ГА данную зависимость ширины линии центрального перехода от концентрации можно использовать для неразрушающего экспресс - контроля количества примесей Mn в фосфатах кальция.