Введение 3
1. Теоретическая часть
1.1. Ортофосфаты кальция: структура и свойства 5
1.2. Основы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) 9
1.3. Введение в спектроскопию 12
1.4. Спектрометры ЭПР 19
2. Экспериментальная часть
2.1. Экспериментальное оборудование 21
2.2. Эксперимент 26
Заключение 43
Список литературы 44
С древних времен медики и ученные задаются вопросом: «Какой материал можно использовать для устранения или замещения дефекта костных тканей?» В процессе решения данной проблемы возникает ряд условий, которые невозможно обойти стороной. Например, материал должен быть биологически совместимым с тканью и биоактивным, другими словами иметь непосредственную связь с биологической системой, а также достаточно прочным, чтобы мог выдерживать физиологические нагрузки и при этом не разрушаться, не быть токсичным, не вызывать отрицательных иммунных и других реакций со стороны организма, то есть не отторгаться как инородное тело. Имплантат должен сохранять свои функциональные качества в течение определенного периода времени, не изменяя при этом свои механические свойства и структуру [1].
Значительный прогресс был достигнут в реконструктивно-восстановительной костной хирургии с появлением нового метода, который получил название bonetissueengineering или инженерия костной ткани. Основой этого метода является создание матрикса определенной архитектуры, поместив который в место дефекта, полагают, что организм сам начинает наращивать ткань и восстанавливать поврежденную кость [2].
В матриксе создают и выращивают стволовые клетки пациента, далее к композиционной конструкции добавляют препараты, которые необходимы для жизнедеятельности клеток, факторы роста и протеины и выдерживают в специальном реакторе. Затем матрикс имплантируется пациенту, после этих процедур он способен адаптироваться к изменению физиологических условий, а также развиваться и эволюционировать как собственная костная ткань пациента.
При создании матриксов были созданы и опробованы различные материалы, выявлены наиболее подходящие и перспективные. Ими оказались биостекла, некоторые полимеры и кальций-фосфатная керамика. Высокими механическими и технологическими качествами обладали биосовместимые полимеры, но их существенным недостатком являлась их токсичность и кинетика резорбции, которая была несовместима с остеогенезом. Поэтому ученые уделили особое внимание разработке керамических матриксов, наиболее перспективными из которых являлись матриксы на основе апатитовой кальций-фосфатной керамики, так как основной минеральной составляющей костной ткани является гидроксиапатит кальция.
Интерес к кальций-фосфатным соединениям не ограничивается биоимплантами. Например, показано, что гидроксиапатит является основой органоминерального матрикса атеросклеротической бляшки (АСБ) [5-6], Следовательно, наличие и физико-химические свойства гидроксиапатита могут отражать статус стабильности АСБ.
Цель данной работы - изучение замещенных фосфатных керамик (ФК) методом ЭПР. Достижение этой цели преследовало решение некоторых задач, таких как:
1) освоение методики проведения ЭПР измерений;
2) изучение возможностей метода и используемой аппаратуры для характеризации ФК замещенных керамик;
3) детектирование и расшифровка спектров ЭПР ионов Си 2 +и М п 2 +, которые содержатся в замещенных трикальцийфосфатных керамиках и порошках гидроксиапатита .
1. Освоена работа на новом настольном спектрометре ЭПР «Labrador», изучены его реальные характеристики, необходимые для детектирования ЭПР спектров с максимальной чувствительностью и разрешением.
2. На основании данных ЭПР спектроскопии был обнаружен факт «загрязнения» синтезированных спеченных образцов ТКФ и медьзамещенных ТКФ ионами марганца Mn2+, что не было выявлено другими проведенными аналитическими измерениями. Основываясь на полученных результатах, группа химиков-синтетиков вносит коррективы в технологию синтеза.
3. Показано, что ионы Mn2+входят в структуру ТКФ как минимум в двух позициях Mn(1) и Mn(2) со слегка различающимися g-факторами gMn(1) = 2.00 и gMn(2) = 2.02 и примерно одинаковыми параметрами СТС (94 Гс). В то же время для ГАп значения константы СТС определено несколько меньшим (91,5 Гс). Это позволяет предполагать, что с помощью метода ЭПР можно будет различать фазу (фазы) внедрения ионов двухвалентного марганца в бифазных ГАп-ТКФ системах.
Надеемся также, что полученные данные позволят идентифицировать вид и состояние кальцификата атеросклеротической бляшки по наличию и спектру ионов марганца в органоминеральном матриксе АСБ.
Автор выражает благодарности сотрудникам кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии И.Г. Мотыгуллину, Г.В. Мамину, С.Б. Орлинскому, А.А.Родионову за всестороннюю помощь в проведении ЭПР экспериментов.
1. Баринов, С.М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины [Текст] /С.М. Баринов // Успехи химии. - 2010. - №79(1). - С.16-32.
2. Баринов, С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция [Текст] / С. М. Баринов, В.С. Комлев// М., Наука. - 2005. - 200 с.
3. Швед, С.И. Кальцийфосфатные материалы в биологических средах [Текст] /С.И. Швед// Успехи современной биологии. - 1995. - Т.115, №1. - С.58-73
4. Третьяков, Ю.Д. Новые поколения неорганических
функциональных материалов [Текст] / Ю.Д. Третьяков, О.А.Брылев// Ж. Росс.хим. Общества им. Д.И.Менделеева. - 2000.-Т.44, №4 (ч.1). - С.10¬20.
5. Абдульянов, В.А. Стационарный и импульсный
высокочастотный ЭПР кальцифицированной атеросклеротической бляшки [Текст] / В.А. Абдульянов, Л.Ф. Галиуллина, А.С. Галявич , В.Г. Изотов, Г.В. Мамин, С.Б. Орлинский , А.А. Родионов, М.Х. Салахов, Н.И. Силкин, Л.М. Ситдикова, Р.Н. Хайруллин, Ю.А. Челышев / / Письма в ЖЭТФ. - 2008. - Т. 88, вып. 1. - С. 75-79.
6. Ложкин, А.П. Анализ содержания марганца в атеросклеротической бляшке как основа определения стадий атерогенеза [Текст] / А.П. Ложкин, Т.Б. Биктагиров, Е.В. Тимонина, В.А. Абдульянов, А.В. Волошин, Н.И. Силкин, Р.Н. Хайруллин, М.Х. Салахов, О.Н. Ильинская // Материалы ежегодной научно-практической конференции “Инновации РАН 2010”. - Казань, 2010 - С.227-230.
7. Вавилова, Т.П. Биохимия тканей и жидкостей рта: учебное пособие [Текст] / Т.П.Вавилова// М., Наука,- 2008. - 208 с.
8. Yashima,M. Crystal structure analysis of b-tricalcium phosphate Ca3(PO4)2 by neutron powder diffraction/A. Sakai,T.Kamiyama, A.Hoshikawa // Journal of Solid State Chemistry - 2003. -V 175. - P. 272-277.
9. Эмануэль, Н.М. Электронный парамагнитный резонанс [Текст] / Н.М. Эмануэль, М.Г. Кузьмина//М., Наука - 1985. - 54 с.
10. Блюмельфельд, Л.А. Электронный парамагнитный резонанс
[Текст] / Л.А. Блюмельфельд, А.Н.Тихонов // Соросовский
образовательный журнал. - 1997. - №9. С.91-99.
11. Блюменфельд, Л.А. Применение электронного парамагнитного резонанса в химии [Текст] / Л.А. Блюменфельд , В.В. Воеводский , А.Г.Семенов // Изд-во Сиб. отд-ния АН СССР, - 1962. -240 с.
12. Альтшулер, С. А. ЭПР соединений элементов промежуточных групп [Текст] / СА. Альтшулер, Б.М.Козырев // М., Наука, - 1972. - 670 c.
13. Ralph,T. Руководство пользователя EMX Plus [Text] /
YRalph,D.Weber, J.Jiang, P. Barr // BrukerBioSpinCorporation, - 2007. - 78 с
14. Зарипов, М.М. Лабораторная работа по курсу Магнитная радиоспектроскопия. Часть 3. ЭПР ионов двухвалентного марганца в кристаллах апатита и флюорита [Текст] / М.М. Зарипов, М.В. Еремин, А.В. Дуглав, В.В. Изотов, И.Н. Куркин// Казань, - 2004. - 48 с.
15. Вонсовский, С.В Магнетизм микрочастиц [Текст] /
С.В.Вонсовский // М., Наука, - 1973. - 280 с.
16. Пул, Ч. Техника ЭПР-спектроскопии [Текст] / Ч.Пул // М., Мир, - 1970. - 557 c.
17. Смирнов А.С. Руководство по эксплуатации ЭПР Спектрометра ЮГИШ [Текст] / А.С.Смирнов // Екатеринбург, Изд-во «Явиар»,- 2015. - 30 с.
18. Скальный, А.В. Биоэлементы в медицине [Текст] /А.В. Скальный, И.А. Рудаков // М., Мир. - 2004 - 272 с.
19. Matsumoto, N. Preparation and characterization of P-tricalcium phosphate co-doped with monovalent and divalent antibacterial metal ions [Text] / N. Matsumoto, K. Sato, K. Yoshida // Acta Biomaterialia. - 2009. -
V. 5. - P. 3157-3164.
20. Meyer, A. Phase Relations Between P-Tricalcium Phosphate and Hydroxyapatite with Manganese(II) [Text] / A.Meyer // Structural and Spectroscopic Properties Eur. J. Inorg. Chem - 2006. - V 2006. - P. 1460¬1465.
21. Gafurov, M. The Interplay of manganese and nitrate in hydroxyapatite nanoparticles as revealed by pulsed EPR and DFT [Text] / M. Gafurov, T. Biktagirov, G. Mamin, E. Klimashina, V. Putlayev, L. Kuznetsova, S. Orlinskii // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2015. - P. 17 -25.
22. Гафуров, М.Р. Изучение эффектов содопирования
нанокристаллов гидроксиапатита методами импульсного электронного парамагнитного резонанса [Текст] / М.Р.Гафуров, Т.Б.Биктагиров, Г.В.Мамин, Д.В.Шуртакова, Е.С.Климашина, В.И.Путляев,
С.Б.Орлинский // ФТТ, 2016, том 58, выпуск 3. -2016. - 458 - 463 с.