Журнал неорганической химии, 2020, T. 65, № 7, стр. 888-893

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших направлений регенеративной медицины является поиск и разработка новых материалов. Синтез композитов на основе фосфатов кальция, содержащих неорганическое вещество в матрице органического полимера, активно развивается учеными с целью их использования в ортопедии и травматологии для восстановления поврежденных или утраченных участков костей человека [1–3]. Кроме того, данные композиты могут применяться в качестве биологически активного слоя имплантатов, выполненных из нержавеющей стали, хром-кобальтовых сплавов, титана и т.д. [4].

В настоящее время интерес вызывают природные полимеры животного и растительного происхождения, в частности полисахариды (пектин, альгинат, хитозан, гликоген). Широкое применение этих полимеров связано с их биологическими свойствами – биосовместимостью, противовоспалительным действием, низкой токсичностью [5, 6]. Наиболее перспективными из них являются альгинат натрия и хитозан [7–10]. Альгинат натрия – ионогенный полисахарид, получаемый в результате щелочной экстракции бурых водорослей. Благодаря таким свойствам, как водорастворимость, высокая загущающая способность и нетоксичность этот полимер нашел широкое применением в медицине, пищевой, косметической, текстильной, бумажной и других отраслях промышленности [11]. Особый интерес к альгинату натрия обусловлен его способностью формировать гидрогели в водных растворах при добавлении бивалетных металлов, что позволяет разрабатывать новые материалы различного назначения [12]. Хитозан – дезацетилированное производное хитина, второй по распространенности природный полимер после целлюлозы [7, 13]. Хитозан обладает иммунологическими и противоопухолевыми свойствами, высокой биосовместимостью, а также антитромботическими и кровоостанавливающими свойствами [5]. В последние годы особый интерес исследователей уделяется новому классу биополимеров – полиэлектролитным комплексам (ПЭК) разноименно заряженных полисахаридов. Часто ПЭК обладают физико-химическими и биологическими свойствами, отличными от свойств исходных полимеров. Согласно литературным данным, образование альгинат-хитозанового комплекса осуществляется за счет электростатических взаимодействий между карбоксильными группами альгината и аминогруппами хитозана, а также за счет дисперсионных взаимодействий и водородных связей, возникающих между отдельными макромолекулами [14–16]. Водорастворимые альгинат-хитозановые комплексы находят применение как стабилизаторы в пищевой промышленности, матрицы для лекарственных препаратов и основа получения высокотехнологичного льда для охлаждения гидробионтов [17–19]. Известно, что данный комплекс биосовместим, нетоксичен и легко подвергается биодеградации, следовательно, в сочетании с фосфатным наполнителем [20] он может быть перспективным материалом для остеопластики.

Целью настоящей работы является получение композиционного материала на основе ПЭК и смеси фосфатов кальция (ФК), описание его физико-химических свойств, а также установление возможности использования в медицинских целях.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

На основе литературных данных [21, 22] был выбран способ синтеза смеси фосфатов кальция [23] путем осаждения из водного раствора. Осаждение проводили при температуре 40°С, рН 6.5 с введением добавки ионов магния в концентрации 12.5 ммоль/л. Эта добавка позволяет получать многофазные порошки фосфатов кальция, которые в перспективе могут оказаться более приживаемыми и биологически активными [24], чем в настоящее время. В основе данного способа лежит следующая химическая реакция:

Смешивание растворов проводили при охлаждении до 0–5°С. После вызревания осадка под маточным раствором в течение 48 ч твердую фазу отделяли от раствора фильтрованием, высушивали при температуре ~80°С до полного удаления химически несвязанной воды, взвешивали и исследовали с применением группы физико-химических методов.

Для получения композиционного материала в качестве биополимера использовали альгинат-хитозановый ПЭК. Готовили смесь 1 : 1 – 2%-ной водной суспензии альгината натрия и 2%-ного раствора хитозана в 0.5%-ной уксусной кислоте. В суспензию вводили порошок (смесь фосфатов кальция) в количестве 10, 30, 50 мас. % и интенсивно перемешивали. Вспенивание осуществляли с помощью магнитной мешалки. Пену помещали в тигель и высушивали при температуре 25 или 200°С.

Фазовый состав полученных образцов исследовали с помощью РФА (дифрактометр D8 Advance фирмы Bruker). Съемку рентгеновской дифрактограммы выполняли на порошковом рентгеновском дифрактометре D8 Advance фирмы Bruker в CuK_α-излучении (длина волны 0.15406 нм) с использованием позиционно-чувствительного детектора Lynxeye. Область сканирования 5°–80°. Идентификацию пиков на дифрактограммах проводили с помощью картотеки JCPDS (гидроксилапатит (ГА) – JCPDS 09-0432, брушит – JCPDS 72-0713, октакальций фосфат (ОКФ) – JCPDS 26-1056) и программных пакетов DifWin 4.0 и Crystallographica Search-Match. Содержание присутствующих фаз в образцах определяли по методу корундовых чисел (метод Чанга, программа Crystallographica Search-Match).

ИК-спектры получали на спектрофотометре ФСМ 2202 (Инфраспек, Россия). В ходе исследования образец в виде порошка смешивали с KBr, насыпали в германиевую кювету и прессовали. Регистрацию спектров проводили с разрешением 4 см^–1, общее число сканирований – 50. Запись спектра исследуемых образцов проводили в области от 400 до 4000 см^–1. Обработку данных осуществляли с использованием программы Origin Pro 8.0. Предел обнаружения составлял 5%.

Измерение удельной поверхности образцов по методу БЭТ (S_БЭТ-N2) проводили на адсорбционном приборе “Сорбтометр” по адсорбции стандартного газа азота при 77.4 K по одной точке изотермы адсорбции азота в токе гелия (относительное давление паров азота p/p₀ = 0.075) в течение 3 ч. Диапазон измерения удельной поверхности от 0.5 до 999 м²/г. Предел допускаемой относительной погрешности измерений удельной поверхности в режиме многократного измерения <5%.

Изучение морфологии и определение формы частиц твердых фаз проводили методом оптической микроcкопии c помощью микроcкопa серии XSP-140. В качестве материала для исследования использовали осадок фосфатов кальция с добавкой ПЭК. Пробы тонким слоем наносили на часовое стекло и изучали материал под микроскопом. Расчет размеров кристаллов проводили с помощью программы Toup View.

Измерения динамической вязкости осуществляли при помощи ротационного вискозиметра серии SMART (Fungilab).

Исследование резорбции полученных образцов проводили путем их динамического растворения при постоянном перемешивании в растворе 0.9%-ного хлорида натрия (рН 7.0), ацетатном буфере (pH 4.75) и растворе соляной кислоты (рН 1.0) при температуре 22°C. Через определенные промежутки времени (0–90 мин) с помощью прямой потенциометрии фиксировали значение кислотности среды и показателя концентрации ионов кальция в растворе. Кинетические кривые были обработаны в соответствии с предложенными в работах [23, 25] алгоритмами. Математическую обработку всех данных осуществляли с использованием статистических программ Statistica 10 из статистического пакета StatSoft и Static2.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При синтезе смеси фосфатов кальция методом РФА установлено, что полученный осадок представлен фазами октакальций фосфата, брушита и гидроксилапатита (рис. 1), основным интенсивным линиям которых соответствуют углы 2θ: ОКФ – 11.4°, 22.8°; ГА – 25.9°, 29.6°, 31.8°; брушит – 20.4°, 47.3°, 35.2°. ИК-спектр полученного образца содержит полосы, характерные для фосфатных групп (рис. 2): валентные асимметричные колебания при 1024 и 1154 см^–1, характерные для связей О–Р–О, а также пики при 530 и 574 см^–1, соответствующие колебаниям в ${\text{РО}}_{4}^{{3-}}.$ Из результатов оптической микроскопии (рис. 3) следует, что образующиеся кристаллы имеют морфологию “розеток”, состоящих из пластинчатых кристаллов, характерных для ОКФ, кристаллов моноклинной структуры, характерной для брушита, и кристаллов гексагональной сингонии, характерной для ГА, с размерами кристаллитов: ОКФ – 2.96, брушит – 2.45, ГА – 2.15 нм.

Рис. 1.

Дифрактограмма смеси фосфатов кальция.

Рис. 2.

ИК-спектр смеси фосфатов кальция.

Рис. 3.

Вид частиц смеси фосфатов кальция.

По результатам РФА получено, что внедрение порошкового материала в матрицу ПЭК не изменяет его состав вне зависимости от соотношения наполнитель/матрица. Например, композит с соотношением 50/50 представлен смесью фаз ОКФ, брушита и ГА, основным интенсивным линиям которых соответствуют углы 2θ (рис. 4): ОКФ – 23.4°; ГА – 29.6°, 33.6°; брушита – 11.6°, 20.8°.

Рис. 4.

Дифрактограмма композиционного материала (t_сушки = 200°С, содержание наполнителя 50%).

Методом ИК-спектроскопии установлено, что композиционные материалы на основе ПЭК содержат полосы, характерные для фосфатов кальция и альгината натрия. На рис. 5 представлены валентные колебания, характерные для группы >С=О, при 1240 см^–1, колебания СН-группы при 2490 см^–1, валентные асимметричные колебания при 1024 и 1154 см^–1, характерные для связей О–Р–О, а также пики при 530, 574 см^–1, соответствующие колебаниям в Р${\text{O}}_{4}^{{3 - }}$.

Рис. 5.

ИК-спектр композиционного материала (t_сушки = = 200°С, содержание наполнителя 50%).

Из литературных данных известно, что альгинат натрия подвергается значительному структурированию в присутствии ионов кальция, которые замещают ионы натрия и сшивают полимерные полисахаридные цепи между собой [26]. Для ПЭК характерен схожий механизм, о чем свидетельствует почти двукратное увеличение вязкости суспензии при добавлении 1% наполнителя – смеси ФК (табл. 1).

Стоит отметить, что композиционный материал принял заданную форму и монолитность (рис. 6).

Рис. 6.

Фотографии композиционного материала на основе ПЭК с содержанием наполнителя 50%.

Методом БЭТ установлено, что удельная поверхность композиционного материала, характеризующегося соотношением наполнитель/матрица 30/70, уменьшилась по сравнению с порошковым материалом от 23 до 18 м²/г, но при этом занимает промежуточное значение между данными, полученными для подобных композиционных материалов, матрицей в которых выступали альгинат натрия – 37 м²/г и хитозан – 6 м²/г. Важно отметить, что увеличение температуры сушки образца от 25 до 200°С способствовало росту удельной поверхности до 27 м²/г, что свидетельствует о возможности получения композита с заданной удельной поверхностью путем варьирования температуры сушки и соотношения альгинат натрия/хитозан.

Для изучения биорезорбируемости образцов было проведено их растворение в 0.1 М растворе HCl, ацетатном буферном и 0.9%-ном растворе NaCl. Экспоненциальная зависимость (рис. 7) соответствует кинетике реакции первого порядка, поэтому в качестве количественной меры процесса можно рассматривать начальную скорость растворения (табл. 2), определенную, как тангенс угла наклона линейного участка прямой, построенной в координатах pCa = f(τ).

Рис. 7.

Кинетические кривые растворения композиционного материала с различным содержанием наполнителя в растворе: а – 0.1 М HCl; б – ацетатном буферном; в – 0.9%-ном NaCl.

Из данных табл. 2 следует, что резорбируемость полученных композитов выше, чем у соответствующего образца (ФК) без биополимера. Установлено, что при увеличении соотношения наполнитель/матрица и роста температуры сушки композита резорбируемость возрастает, что связано с повышением пористости материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен способ получения композиционных материалов на основе смеси ФК и ПЭК, свойства которых можно корректировать за счет варьирования соотношения наполнитель/матрица и температуры сушки. Выяснено, что оптимальная температура сушки образцов – 200°С, так как при данной температуре характеризуются максимальным значением удельной поверхности и начальной скорости растворения. Установлено, что скорость резорбции синтезированных образцов увеличивается с ростом температуры сушки и содержания наполнителя. Таким образом, в работе получен композиционный материал, который имеет перспективу применения в медицинских изделиях.