Журнал неорганической химии, 2021, T. 66, № 8, стр. 951-957

ВВЕДЕНИЕ

Материалам на основе фосфатов кальция (ФК) уделяется особое внимание благодаря их близости по химическому составу к минеральной компоненте костной ткани. Многообразие химических составов фосфатов кальция, подходящих для медицинского использования, позволило расширить спектр подходов к замещению костных дефектов синтетическими материалами. Регулирование физико-химических характеристик ФК позволяет контролировать процессы, способствующие качественному образованию костной ткани в месте дефекта. Модифицирование структуры ФК путем катионного замещения является эффективным способом придания материалам специфических свойств. В случае гидроксиапатита было изучено замещение ионов кальция на ионы элементов из ряда жизненно-важных для организма человека (Mg, Na, K, Li), элементов, несущих антибактериальные свойства (Ag, Cu, Zn, Fe), а также элементов, способствующих остеоинтеграции (Sr, In, Bi) и др. [1–3]. Развивающимся направлением в изучении катионного замещения ФК является использование редкоземельных элементов (РЗЭ) [4–6]. Ионы РЗЭ обладают уникальными оптическими, магнитными и каталитическими свойствами, что делает их перспективными для применения в медицине, в том числе в терапии, визуализации и диагностике [7–10].

Известно, что ионы РЗЭ и Са²⁺ имеют близкие размеры ионных радиусов и координационные числа (КЧ), поэтому ионы РЗЭ способны замещать ионы Са²⁺ в структуре ГА [1, 3, 11]. Ионный радиус РЗЭ уменьшается в ряду от лантана к лютецию от 1.22 до 0.86 Å для КЧ = 6–9, а ионный радиус Cа²⁺ для тех же чисел составляет 1.00–1.18 Å [12–14]. Тем не менее включение ионов РЗЭ в структуру ГА является сложным процессом, требующим учитывать не только значения ионных радиусов и КЧ, но и механизм замещения, пространственное размещение, валентность. РЗЭ образуют трехвалентные положительные ионы. В этом ряду несколько элементов образуют соединения с аномальной валентностью: церий, празеодим и тербий – IV; самарий, европий и иттербий – II. Исследование гетеровалентных замещений в структуре ГА представляет интерес с точки зрения фазообразования, влияния на структурные особенности и специфические свойства.

В настоящей работе внимание уделяется замещению ионов кальция на ионы церия, поскольку он проявляет комплекс важных для медицинского применения свойств. В литературе упоминается совместное нахождение церия и кальция в природных соединениях, например, в апатитах [15]. В биологическом аспекте тенденция к образованию совместных осажденных солей церия и кальция в условиях организма демонстрирует сродство церия к минеральной компоненте кости [16, 17]. Предполагается, что церий может участвовать в кальцийзависимых реакциях, стимулировать метаболизм, а также накапливаться в небольших количествах в костной ткани [18, 19]. Бактериостатическое действие соединений церия было показано уже в конце XIX в., что привело к их использованию в качестве местных антисептиков в медицине человека и ветеринарии [15, 20]. Во многих источниках отмечается противоопухолевый эффект соединений церия, в частности оксида церия(IV), их потенциал в качестве антиоксидантов и радиопротекторов для лечения онкологических заболеваний [21–23]. В настоящее время РЗЭ, в том числе церий, являются перспективными визуализирующими агентами в области биоимиждинга для диагностики и лечения поврежденных органов и тканей [24, 25]. На сегодняшний день существует ряд ограничений в этой области, связанных с низкой глубиной проникновения ультрафиолетового (УФ) и видимого возбуждения/излучения в биологических тканях, их повреждения, токсического действия контрастного материала и др. Включение визуализирующих агентов в состав биосовместимых материалов позволит избежать указанных недостатков. В последнее время фосфаты кальция, широко используемые в инженерии костной ткани, привлекают внимание в качестве матрицы, несущей функциональные компоненты, действие которых направлено на доставку лекарственного средства, усиление регенеративных процессов и проявление люминесцентных свойств [26]. Так, ионы церия характеризуются люминесценцией в УФ-области света. Это свойство обусловлено электронным переходом внутри оболочки 4f или 4f → 5d в ионизированном атоме [27–30]. Переход электрона между энергетическими уровнями в стабильном Се³⁺ сопровождается быстрым и ярким свечением, в Се⁴⁺ люминесценция значительно слабее и медленнее [31, 32]. Интенсивность люминесценции церийсодержащего материала зависит от количественного содержания ионов Се³⁺, присутствия примесей различной природы и характеристик частиц материала [33, 34]. Следует отметить, что церий присутствует в соединениях в смешанном виде (Се³⁺ и Се⁴⁺), что обусловлено средой внешнего воздействия на материал [35, 36]. Оценить валентное соотношение Ce³⁺/Ce⁴⁺ можно косвенными методами, например, с помощью анализа люминесцентных свойств материала, при этом усиление интенсивности люминесценции свидетельствует об изменении кислородной стехиометрии и наличии ионов Ce³⁺ в структуре [29]. Прямые методы оценки включают рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию и спектроскопию энергетических потерь электронов в условиях вакуума, которые, однако, приводят к частичному восстановлению Ce(IV) до Се(III) [37–39] и др. Возможно применение химических методов анализа [40].

Настоящая работа направлена на получение церийсодержащих порошков гидроксиапатита и изучение фазообразования и люминесцентных свойств. Основной целью работы являлось предотвращение перехода церий(III) → церий(IV) при использовании метода горячего прессования для осуществления восстановительной среды при нагреве, а также за счет введения ионов лития в качестве компенсации заряда при катионном замещении по схеме: Li⁺ + Ce³⁺ = 2Ca²⁺.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Порошки церийсодержащих ГА (Се–ГА) были синтезированы методом осаждения из растворов солей согласно реакциям получения гидроксиапатита с учетом замещения ионов кальция на ионы церия (реакция (1)), а также ионов кальция на ионы церия и лития (реакция (2)).

Водный раствор нитрата кальция (0.5 М) смешивали с водными растворами нитратов соответствующих металлов (нитрата церия (0.1 М) или/и нитрата лития (0.1 М)), затем по каплям добавляли раствор гидрофосфата аммония (0.5 М) при постоянном перемешивании. Добавлением водного 25%-ного раствора аммиака поддерживали значение рН 11.0 ± 0.5. Полученные осадки оставляли на старение в течение 24 ч при комнатной температуре. Осадки отфильтровывали от маточного раствора, промывали дистиллированной водой и сушили при температуре 80°С, затем просеивали через капроновую сетку с размером ячейки 100 мкм. Полученные порошки Се–ГА имели желтоватый оттенок, в отличие от белого порошка ГА. В табл. 1 приведена номенклатура и представлено расчетное содержание добавок в ГА.

Из синтезированных порошков готовили образцы методом двустороннего прессования без введения связки в стальной пресс-форме диаметром и высотой 10 × 4 мм² на гидравлическом ручном прессе при комнатной температуре. Давление прессования составляло 100 МПа. Обжиг заготовок проводили в окислительной среде (воздух) в печи с SiC-нагревателями при нагреве с постоянной скоростью 10 град/мин до 1300°С и выдержкой в течение 60 мин для получения керамических образцов с целью дальнейшей регистрации спектров люминесценции.

Горячее прессование порошков проводили в печи горячего прессования Thermal technology Inc HP 250-3560-20 в углеродной пресс-форме в атмосфере азота при давлении 30 МПа и температурах 900, 1000, 1100 и1200°С с выдержкой 60 мин.

Изучение фазового состава материалов проводили на приборе Shimadzu XRD-6000 на предварительно измельченных в порошок образцах при монохроматизированном CuK_α-излучении (λ = = 1.5418 Å) в диапазоне углов 2θ 10°–60° с шагом 0.02° при скорости движения счетчика 2 град/мин.

Спектры возбуждения и люминесценции керамических образцов регистрировали при комнатной температуре с помощью спектрометра Perkin Elmer LS55 с диапазоном возбуждения (λ_exc) 200–800 нм, диапазоном эмиссии (λ_em) 300–800 нм с разрешением 0.5 нм и спектрофлуориметра Horiba Fluorolog 3D, λ_exc = 200–850 ± 0.5 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Се-содержащие ГА, окислительная среда

После синтеза и термообработки при 1000°С в окислительной среде церийсодержащие ГА соответствуют структуре гидроксиапатита со следовым содержанием оксида церия(IV) в соединениях Се–ГА(0.25) и Се–ГА(0.5) (рис. 1). Увеличение температуры обработки до 1300°С приводит к повышению степени закристаллизованности материалов, о чем свидетельствует сужение рефлексов на дифрактограммах и увеличение их интенсивности, в том числе для фазы СеО₂ (2θ = 28.5°, № 81-0792 JCPDS). Известно, что при изменении валентности церия (III → IV) снижается размер его ионного радиуса, что может внести вклад в процессы перераспределения фаз [35]. По данным РФА установлено, что в процессе синтеза Се³⁺ не полностью входит в структуру ГА, и при термической обработке в условиях окислительной среды сегрегируется в отдельную фазу СеО₂. Это подтверждают спектры люминесценции, полученные для ряда материалов: СеО₂, чистого ГА и Се-содержащих ГА (рис. 2). При возбуждении λ = 270 нм для СеО₂ наблюдаются полосы люминесценции при 420 и 485 нм, подобные описанным в [29]. Все полученные спектры плохо разрешены и имеют сложный вид. Таким образом, полученные обжигом в окислительной среде церийсодержащие ГА не люминесцируют при УФ-облучении (λ_exc = 270 нм), так как добавка сосредоточена в отдельной примесной фазе оксида церия(IV) с низким уровнем свечения.

Рис. 1.

Дифрактограммы Се–ГА, термообработанных при 1000 (а) и 1300°С (б).

Рис. 2.

Спектры люминесценции СеО₂, ГА–0 и ряда Се–ГА после термообработки при 1300°С в окислительной среде (воздух).

Се-содержащие ГА, полученные в восстановительной среде

Для создания восстановительной среды обжига материалов на основе ГА был использован метод горячего прессования (ГП) образцов в углеродной пресс-форме в защитной атмосфере азота. Согласно данным РФА, основной фазой материалов Се–ГА(0.25) и Се–ГА(0.5), полученных в условиях ГП при температурах 900, 1000, 1100 и 1200°С, является ГА; повышение температуры от 1100 до 1200°С приводит к образованию фазы СаО до 2 мас. %. Церийсодержащие фазы не обнаружены. Полученные после обжига материалы обладают значительным свечением, зависящим от температуры обработки и концентрации вводимого при синтезе церия (рис. 3). В связи с высокой интенсивностью свечения регистрацию проводили при сниженных значениях спектральной ширины щели. Так, для состава Се–ГА(0.25) интенсивность люминесценции была значительной и повышалась с ростом температуры обработки от 900 до 1000°С, при дальнейшем увеличении температуры до 1200°С она оставалась почти неизменной (рис. 3а). Это может быть обусловлено как влиянием размеров частиц, слагающих материал, так и процессами, сопровождающими включение ионов Се³⁺ в структуру ГА. Состав Се–ГА(0.5) обладает более низкой интенсивностью люминесценции по сравнению с Се–ГА(0.25), что, вероятно, обусловлено эффектом концентрационного гашения (рис. 3б). Во всех спектрах присутствует пик при 485 нм подобно пику для фазы СеО₂ на рис. 2, который может быть отнесен к наличию ионов Се⁴⁺. Можно предположить, что в условиях ГП при нагреве выше 900°С происходит совместно частичное восстановление Се(IV) → Се(III), перераспределение ионов церия в кристаллической решетке ГА за счет процессов массопереноса при обжиге, также церий частично остается в состоянии Се(IV), но в решетке матрицы ГА. Это можно соотнести с появлением побочной фазы СаО при температурах выше 1100°С, что объясняется вытеснением избытка ионов кальция при замещении на ионы церия в структуре ГА. Повышение температуры способствует вхождению добавки и ее равномерному распределению в кристаллической решетке ГА, что приводит к снижению интенсивности люминесценции материалов в виде эффекта концентрационного гашения.

Рис. 3.

Спектры люминесценции Се–ГА после термообработки при температурах 900, 1000, 1100 и 1200°С в восстановительной среде (ГП): а – Се–ГА(0.25); б – Се–ГА(0.5) .

Двойное замещение Li–Ce–ГА

Для изучения влияния замещения ионов кальция на ионы лития и церия на процессы формирования фаз и распределения церия в ГА была синтезирована серия составов: ГА, Li–ГА(0.25), Ce–ГА(0.25), Li–Ce–ГА(0.25–0.25), Li–Ce–ГА(0.5–0.5). Согласно данным РФА проб материалов после термообработки при 1300°С в воздушной среде, составы ГА и Li–ГА полностью соответствуют ГА; полученные Li–Ce–ГА представляют собой ГА с примесью α-ТКФ до 10 мас. %. Отмечается присутствие фазы СеО₂ в следовом количестве.

Был проведен спектрально-люминесцентный анализ с помощью прибора Horiba Fluorolog 3D (рис. 4). Образец Li–ГА демонстрировал максимальную интенсивность свечения при возбуждении λ_exc = 280 нм, максимум интенсивности находился в области 330 нм. Для составов Li–Се–ГА максимальная интенсивность люминесценции была в области 340 нм при возбуждении λ_exс = = 267–270 нм. Отмечено, что интенсивность люминесценции Li–ГА выше, чем чистого ГА, предположительно, за счет рекомбинационного излучения, связанного с литием. Обнаружено, что материалы с двойным замещением Li–Се–ГА (0.25–0.25) проявляют интенсивное свечение, превышающее в 15 раз свечение Се–ГА (0.25). Увеличение вдвое концентрации добавок приводит к усилению интенсивности люминесценции материалов почти в два раза. Это обусловлено особенностями гетеровалентного замещения в решетке гидроксиапатита по схеме: Li⁺ + Ce³⁺ = 2Ca²⁺. В [41] указано, что при замещении ионов кальция в структуре ГА на трехвалентные ионы дисбаланс заряда компенсируется либо образованием свободных катионных позиций, либо потерей протона в ОН-группах. Важным фактором для формирования оптических и других свойств в соединениях с РЗЭ является образование кислородных вакансий и захват ими электронов [31]. Мы предполагаем, что вводимые в процессе синтеза методом осаждения из растворов ионы Се³⁺ и Li⁺ встроились в структуру ГА на катионные позиции. В дальнейшем в процессах массопереноса в условиях термической активации со вкладом высокой подвижности ионов лития церий более равномерно распределяется в решетке матрицы ГА и, вероятно, остается в структуре в исходной степени окисления. С другой стороны, вклад лития сопровождается усилением эффекта образования кислородных вакансий в анионной подрешетке, которые имеют значение для формирования люминесцентных центров различных типов. Установление механизма замещения требует дальнейших более глубоких исследований свойств и уточнения полученных структур.

Рис. 4.

Спектры люминесценции Li–Cе–ГА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Церийсодержащие гидроксиапатиты (Се–ГА) получены осаждением из водных растворов нитратов кальция и церия(III) и гидрофосфата аммония. Количество вводимого церия составляло 0.1, 0.25, 0.5 мол. %. Установлено, что во время термообработки Се–ГА в окислительной среде (воздух) церий окисляется с переходом Ce(III) → Ce(IV) и сегрегируется в отдельную фазу – CеO₂. Такие материалы характеризуются отсутствием люминесценции при УФ-облучении. Создание восстановительной атмосферы термообработки посредством горячего прессования образцов Се–ГА препятствует окислению церия, формированию ГА с включением Се³⁺ в структуру, что выражается в значительной интенсивности люминесценции таких материалов, зависящей от температуры обработки и концентрации вводимого при синтезе церия. Значительное увеличение интенсивности люминесценции Се–ГА было также достигнуто совместным включением в структуру ГА добавок Се³⁺ и Li⁺, при этом свечение материалов усиливалось с увеличением концентрации добавок.