Журнал неорганической химии, 2019, T. 64, № 7, стр. 690-699

ВВЕДЕНИЕ

Современное материаловедение в области разработки биокомпозитов ставит перед собой задачу поиска новых полимеров, способных к разложению в природной среде, а также рассматривает возможность создания безопасных и экологичных процессов выделения полимеров из исходного сырья и их дальнейшую переработку, получение продукта, соответствующего нормам и требованиям при его использовании [1].

В связи с этим особое значение имеет создание новых биодеградируемых материалов медицинского назначения, предназначенных для контакта со средой живого организма и необходимых для разработки инновационных лекарственных форм, восстановления поврежденных тканей, повышения биосовместимости используемых материалов [1–3]. Такие материалы должны быть нетоксичными, а их структура характеризоваться высокой пористостью с размером пор до десятков микрометров и способностью иметь каналы для миграции необходимых веществ к матрице полимера [2, 4, 5].

С целью применения для создания новых материалов всестороннему исследованию подвергались такие биополимеры, как хитин и хитозан [6–12].

Данные соединения являются аморфно-кристаллическими полимерами, для которых характерно явление полиморфизма [6]. Хитин и хитозан – нерастворимые в воде полимеры. Отличительным химическим свойством хитозана является его способность растворяться в разбавленных растворах кислот, например уксусной или соляной, в то время как хитин не растворяется даже в концентрированных кислотах [7, 8].

Хитозан – простейшее производное хитина, образующееся при его деацетилировании, – обладает уникальными биологическими свойствами: может предотвращать развитие инфекций, снижать уровень холестерина в крови, проявляет иммуномодулирующее действие, а также бактерицидную и ранозаживляющую активность [7, 9].

Хитин, извлеченный в основном из моллюсков, представляет собой биополимер на основе мономера N-ацетилглюкозамина [10]. Это второй (после целлюлозы) по распространенности в природе полисахарид, строение которого создает предпосылки для успешного его применения в самых разнообразных областях. Хитин является основой скелетной системы в панцирях ракообразных, кутикуле насекомых, клеточной стенке грибов и бактерий [10–12].

Благодаря биосовместимости с тканями человека, способности усиливать регенеративные процессы при заживлении ран, наличию бактериостатических/бактерицидных свойств хитин и хитозан представляют большой интерес для использования их в качестве матриц при создании биокомпозитов на основе неорганических веществ.

Наиболее интересны в качестве неорганической компоненты в составе композиционных материалов фосфаты кальция – дикальцийфосфат двухводный (ДКФД, брушит) и гидроксилапатит (ГА) [13–20].

Считается, что образование брушита происходит на промежуточном этапе в процессе минерализации костной ткани и при разрушении эмали [13–17]. Гидроксилапатит – наименее растворимый из всех ортофосфатов кальция. Чистый ГА никогда не встречается в биологических системах, однако из-за схожести его химического состава с компонентами кости и зубного минерала композит широко применяется в ортопедии и травматологии [18–20].

Композиционные материалы, синтезированные на основе данных фосфатов кальция и природных полимеров хитозана и хитина, могут обладать высокой биосовместимостью и биоактивностью [21], остеоиндуктивностью [22], резорбируемостью [23].

Целью данной работы является синтез, исследование и сравнение физико-химических свойств композитов на основе фосфатов кальция (ГА, ДКФД) с полимерами хитин и хитозан.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Методом РФА установлено, что полученные композиты ДКФД-хитозан и ДКФД-хитин представлены фазой ДКФД (рис. 1, кривые 1, 2). В изучаемых условиях происходит осаждение кристаллов ДКФД, принадлежащих моноклинной сингонии [26]. Исследование образцов ГА-хитозан и ГА-хитин методом РФА показало, что состав синтезированных образцов, полученных после высушивания, представлен ГА (2θ: 32.0°, 35.0°, 39.5°, 47.0°, 49.0°) с небольшими включениями аморфной фазы (рис. 1, кривые 3, 4).

Рис. 1.

Дифрактограммы образцов, полученных в присутствии 0.08 г/л хитозана и хитина: ДКФД-хитозан (1), ДКФД-хитин (2), ГА-хитозан (3), ГА-хитин (4).

Результаты исследования образцов методом ИК-Фурье-спектроскопии представлены на рис. 2. Для всех синтезированных композитов отмечены характерные полосы поглощения, обусловленные валентными асимметричными колебаниями (1024 и 1154 см^–1) связей О–Р–О. Полосы при 530, 574 см^–1 соответствуют колебаниям в тетраэдрах ${\text{Р О }}_{4}^{{3 - }}.$ Широкая полоса в области 3489–3583 cм^–1 и пик при 3142 cм^–1 могут быть отнесены к модaм валентных колебаний Н–О–Н и ОН– соответственно.

Рис. 2.

ИК-спектры образцов, полученных в присутствии 0.08 г/л хитозана и хитина: ДКФД-хитин, ДКФД-хитозан, ГА-хитин, ГА-хитозан.

Для хитозана и хитина широкую полосу поглощения при 3290 cм^–1 можно отнести к валентным и деформационным колебаниям –ОН- и –NH₂-групп, участвующих в образовании внутри- и межмолекулярных связей. Валентные асимметричные колебания связи С–Н в метиленовых компонентах хитозана выявляются при 2876 cм^–1. Деформационные колебания ассоциированной аминогруппы ${\text{NH}}_{{}}^{{3 + }}$ в молекулах хитозана соответствуют частоте 1663 cм^–1. Для образца ДКФД-хитозан с массой хитозана 0.16 г в исходном растворе при 1239 cм^–1 наблюдаются валентные колебания связи >С=О. Для образцов ГА-хитозан и ГА-хитин колебания связи О–С–О проявляются при 877 cм^–1 (рис. 2).

Таким образом, структуры синтезированных образцов аналогичны друг другу, отличие в спектрах хитозана и хитина проявляется только в разной интенсивности пиков характерных групп. Анализ ИК-спектров образцов на основе хитозана позволяет предположить, что наиболее вероятным процессом взаимодействия между ДКФД и хитозаном в растворе является фосфорилирование хитозана фосфат-ионами раствора. Взаимодействие ГА и хитозана также протекает через ассоциированную аминогруппу [7].

Для образцов на основе хитина взаимодействие с ДКФД и ГА, вероятно, осуществляется через гидроксильную группу.

Исследование образцов методом оптической микроскопии показало, что образцы ДКФД-хитозан имеют одинаковую пластинчатую форму, характерную для этих кристаллов, в то время как образцы ДКФД-хитин представлены более мелкими кристаллитами неопределенной формы (рис. 3а, 3б). С увеличением содержания хитозана в составе композитов на основе ДКФД размеры кристаллитов увеличиваются (рис. 4а). Для композитов ГА-хитозан отмечена аналогичная закономерность (рис. 3в, 3г, рис. 4а). Такие зависимости объясняются тем, что с увеличением содержания хитозана в растворе увеличивается вязкость растворов, способствуя росту кристаллов за счет процессов диффузии.

Рис. 3.

Микрофотографии образцов на основе брушита (а, б) и ГА (в, г).

Рис. 4.

Зависимость среднего размера агрегатов частиц (мкм) от массы хитозана (а) и хитина (б), г: 1 – ДКФД-хитозан; 2 – ГА-хитозан.

Для композитов ГА-хитин наблюдается уменьшение размеров кристаллов с увеличением содержания хитина в исходном растворе (рис. 4б).

Из полученных фотографий (рис. 3а, 3б) видно, что образцы на основе хитозана представлены только кристаллической фазой с ярко выраженной пластинчатой формой и большими размерами по сравнению с образцами на основе хитина.

С целью изучения термических свойств и фазовых превращений продуктов кристаллизации проведен термогравиметрический анализ композитов. Для всех синтезированных образцов наблюдается убыль массы. В случае ДКФД-хитозан и ДКФД-хитин наибольшее уменьшение массы образцов соответствует диапазону температур 200–400°С, что вызвано удалением адсорбционной и кристаллизационной воды, а также деструкцией хитозана и хитина. Характерное преобразование ДКФД в монетит (400°С), а затем в γ-пирофосфат (600°С) подтверждено результатами РФА (рис. 5). При этом образцы на основе хитозана в составе ДКФД менее устойчивы, чем композиты на основе хитина.

Рис. 5.

Дифрактограммы образцов ДКФД-хитозан после прокаливания при 400 (а) и 600°С (б).

Для образцов ГА-хитозан максимальное уменьшение массы зафиксировано для образца с содержанием хитозана 0.16 г (88.8%). Уменьшение массы композитов ГА-хитозан после прокаливания в соответствии с увеличением содержания хитозана наблюдается при 400°С, а для композита ГА-хитин уменьшение массы композита с увеличением содержания хитина наблюдается на температурном участке 300–800°С (рис. 6). Таким образом, образцы на основе хитозана в составе ГА более устойчивы, чем образцы на основе хитина и композитов на основе ДКФД.

Рис. 6.

Изменение массы образцов с содержанием хитозана/хитина (1 – 0.02, 2 – 0.08, 3 – 0.16 г/л) после термообработки при различных тепловых режимах для композитов ДКФД-хитозан, ГА-хитозан, ДКФД-хитин, ГА-хитин.

Изменения функционально-группового состава композитов при прокаливании фиксировали методом ИК-Фурье-спектроскопии (рис. 7). В спектрах композита ДКФД-хитозан исчезают полосы, соответствующие колебаниям кристаллизационной воды. В спектрах образцов после прокаливания при 600°С исчезает максимум, отвечающий колебаниям связей С–Н в метиленовых группировках хитозана. Для композитов ДКФД-хитин с увеличением температуры прокаливания наблюдается уменьшение интенсивности пиков, соответствующих колебаниям связей N–H и О–Н. Кроме того, увеличивается интенсивность пика, отвечающего колебаниям связи С–Н.

Рис. 7.

ИК-спектры образцов с содержанием хитозана и хитина 0.08 г/л после термической обработки при различных режимах: 1 – 200, 2 – 400, 3 – 600°С.

Для образцов ГА-хитозан и ГА-хитин при 200°С значительных изменений в функционально-групповом составе не происходит. При 600°С исчезают пики, отвечающие валентным и деформационным колебаниям –ОН- и –NH₂-групп в структуре хитозана, а для композитов на основе хитина их интенсивность уменьшается с увеличением температуры. Также при 600°С исчезает пик, соответствующий колебаниям ассоциированной аминогруппы, в композитах на основе хитозана, а для композитов ГА-хитин интенсивность этого пика уменьшается.

Для определения биорезорбируемости синтезируемых композитов фиксировали изменение рН и концентрации ионов кальция в изотоническом растворе потенциометрическим методом.

Установлено, что в случае композитов ДКФД-хитозан с увеличением содержания хитозана в исходном растворе рН снижается, а концентрация ионов кальция увеличивается (рис. 8 ); для композитов ГА-хитозан получена противоположная зависимость. Аналогичная картина наблюдается и для композитов изучаемых фосфатов кальция с хитином.

Рис. 8.

Зависимости рН от времени растворения композитов ДКФД-хитозан, ГА-хитозан, ДКФД-хитин, ГА-хитин в 0.9%-ном растворе NaCl с содержанием хитозана и хитина: 1 – 0.02, 2 – 0.08, 3 – 0.16, 4 – 0 г/л.

Поглощение протонов на начальном этапе растворения приводит к значительному росту рН, который фиксируется в виде максимума на кинетических кривых рН = f(τ). Это указывает на высокую интенсивность резорбции композитов за счет растворения неорганического компонента композита (фосфата кальция) уже на начальных этапах взаимодействия с растворителем. На основании полученных экспериментальных зависимостей рСа = f(τ) рассчитаны начальные значения скоростей выделения ионов кальция в раствор. По значениям начальных скоростей растворения композитов видно, что присутствие хитозана и хитина в составе твердой фазы уменьшает пассивную резорбцию для ДКФД и увеличивает для ГА (табл. 2, 3).

Таким образом, образцы на основе ГА и ДКФД, синтезированные в присутствии хитина и хитозана, проявляют аналогичные свойства при растворении в изотоническом растворе. Сравнение скоростей растворения композитов фосфатов кальция, полученных на основе хитозана и хитина, показало, что большую скорость растворения в физиологическом растворе, имеют биокомпозиты, синтезированные в присутствии хитозана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Состав синтезированных образцов на основе ДКФД, ГА, хитина и хитозана постоянен, наличие функциональных групп ДКФД, ГА и исследуемых полимеров подтверждено методом ИК-спектроскопии, присутствие фаз ДКФД и ГА – методом РФА. Все композиты, кроме ДКФД-хитина, осаждаются в виде кристаллитов определенной формы, их размер увеличивается с ростом содержания биополимера в исходном растворе. С увеличением температуры прокаливания масса всех композитов уменьшается. Скорость растворения образцов на основе хитина в изотоническом растворе меньше, чем композитов на основе хитозана.