Синтез кальций-фосфатных слоев на биоактивных композитах TiO 2 –SiO 2 –P 2 O 5 /CaO и TiO 2 –SiO 2 –P 2 O 5 /La 2 O 3

В. А. Ткачук; Ткачук В. А.; Е. С. Лютова; Лютова Е. С.; Л. П. Борило; Борило Л. П.; Л. Н. Спивакова; Спивакова Л. Н.; А. А. Бузаев; Бузаев А. А.

doi:10.31857/S0002337X24010052

Синтез кальций-фосфатных слоев на биоактивных композитах TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃

Authors: Ткачук В.А.¹, Лютова Е.С.¹, Борило Л.П.¹, Спивакова Л.Н.¹, Бузаев А.А.¹
Affiliations:
1. Национальный исследовательский Томский государственный университет
Issue: Vol 60, No 1 (2024)
Pages: 36-42
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/274439
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X24010052
EDN: https://elibrary.ru/MIDDHA
ID: 274439

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

В работе установлены свойства карбоксильного ионита с дивинилбензольной матрицей по отношению к ионам кальция и лантана(III). Золь–гель-методом получены композиты TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃ на основе катионита «Токем-250». Выявлены особенности фазообразования и физико-химических свойств полученных материалов. Установлено, что на поверхности материалов TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃ в жидкости, имитирующей внутреннюю среду организма человека, способен образовываться кальций-фосфатный слой.

Keywords

кальций-фосфатный слой, биоматериалы, золь–гель-синтез, композиционные материалы

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Для человеческого организма характерна способность к быстрой регенерации тканей и органов, нарушенных вследствие заболеваний или травм [1]. Однако существуют ткани, которые не могут восстанавливаться самостоятельно по различным причинам, возможно, это связано с низкой скоростью регенерации ткани или с большим размером области, нуждающейся в восстановлении. В связи с этим возникает необходимость в разработке материалов для тканевой инженерии и медицины [2, 3], которые могли бы заменить естественные трансплантаты.

Биосовместимость и биоактивность являются ключевыми требованиями при создании биоматериала [4, 5]. В современных хирургических методах существует большой выбор имплантатов, включая материалы на основе сплавов металлов, кальций-фосфатную керамику и костные трансплантаты [6].

Наиболее перспективными материалами для восстановления костных тканей являются кальций-фосфатные покрытия (на основе оксидов CaO, SiO₂, P₂O₅, Na₂O), такие биоматериалы способны к костному срастанию за счет образования кальций-фосфатного слоя, состав и структура которого идентичны минеральному составу кости [7, 8]. Для улучшения характеристик материала необходимо модифицирование кальций-фосфатных покрытий различными оксидами, например, TiO₂. Известно, что TiO₂улучшает химическую стойкость, повышает модуль упругости покрытий [9, 10].

Добавка лантана в биоматериал используется в основном благодаря его естественным антикоагулянтным эффектам и высокой устойчивости к свертыванию крови [11]. Считается, что лантан влияет на различные стадии процесса свертывания крови, ингибирование метаболизма ионов Са²⁺ и исключение ионов Са²⁺ из систем с одним или несколькими белковыми факторами свертывания [12]. Помимо антикоагулянтного действия, лантан характеризуется умеренным противовоспалительным антисептическим действием, так как его ионы имеют тесное сродство к фосфолипидам и стабилизируют активность клеточных мембран, что положительно сказывается на свойствах биоматериалов, содержащих лантан [13].

Одним из эффективных способов ускорения процесса заживления костных тканей является использование в составе имплантатов ионообменных смол [14]. Такие смолы эффективно улавливают ионы кальция, магния, фосфора и других элементов, стимулирующих процесс остеоинтеграции [15, 16].

Целью данной работы было исследование кинетики образования кальций-фосфатного слоя в растворе SBF на поверхности композиционных биоактивных материалов TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Композиционные материалы представляют собой сферические гранулы. Для придания материалам объемной формы в качестве матрицы использовали акрил-дивинлбензольный катионит марки «Токем-250» (ООО «НПО Токем») со средним размером зерна 0.4–0.6 мм). Выбор катионита был основан на его высокой селективности к ионам кальция и лантана. Значения полной обменной емкости (ПОЕ) и сорбционной емкости по отношению к Ca²⁺ и La³⁺ были рассчитаны экспериментально и представлены в табл. 1. По полученным значениям можно сказать, что катионит «Токем-250» обладает большей сорбционной емкостью к ионам кальция по сравнению с ионами лантана(III), что связано с размерами ионов. В работе [17] установлено, что внутренняя часть катионита «Токем-250» представлена сорбированным оксидом кальция в материале TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и оксидом лантана(III) в материале TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃. Ионы Ca²⁺ и La³⁺ были сорбированы внутрь катионита из насыщенных растворов солей Са(NО₃)₂(«ч.д.а.», ООО «Компонент-Реактив») и La(NO₃)₃·6Н₂О («ч.д.а.», ООО «Компонент-Реактив») соответственно. Поверхность катионита покрыта пленкой состава TiO₂–SiO₂–P₂O₅ с массовым содержанием оксидов 65, 30, 3 мас. % соответственно. Пленку получали методом погружения катионита в агрегативно-стабильный золь на 1 сут. После этого образцы высушивали при 60 °С в течение 1 ч и проводили ступенчатую термическую обработку при 150, 250, 350 °С в течение 30 мин на каждой ступени, при 600 °С в течение 6 ч для образца TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и 150, 250, 350 °С в течение 30 мин для каждой температуры, через 24 ч при 550 °С в течение 4 ч для образца TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃ и при 800 °С 1 ч для обоих образцов. Для получения золя использовали ортофосфорную кислоту («ос.ч.», ООО «СГС Хим»), тетраэтоксисилан («ос.ч.», АО «Экос-1»), тетрабутоксититан («ос.ч.», Acros Organics BVBA), бутиловый спирт («х.ч.», АО «Экос-1»). Концентрация основных компонентов в растворе составляла 0.1 моль/л.

Таблица 1. Полная и сорбционная емкость по ионам Cа²⁺ и La³⁺, влагосодержание катионита «Токем-250»

Катион	ПОЕ, ммоль-экв/г	СЕ, ммоль-экв/г	Влагосодержание, %
Cа²⁺	10.25 ± 0.27	8.60 ± 0.08	54.0 ± 0.5
La³⁺	10.25 ± 0.27	3,04 ± 0.08	54.0 ± 0.5

Термический анализ проводили на анализаторе NETSCH STA 449 С в диапазоне температур 20–1000 °С со скоростью нагрева 10 °С/мин на воздухе. Инфракрасные спектры порошков были получены с помощью Фурье-спектрометра Nicolet 6700 (Thermo Scientific) в области 400–4000 см^–1. Рентгенофазовый анализ, проводился на дифрактометре XRD-6000 (излучение CuK_α1.5406 Ǻ в интервале 2θ = 0°–90°, шаг 2 град/мин) с использованием баз данных PCPDFWIN.

Структуру и химический состав образцов исследовали методами сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии с помощью электронного микроскопа Hitachi TM-3000 (Thermo Fisher Scientific) с приставкой ShiftED 3000 для микрорентгеноспектрального анализа.

Исследования биологических свойств материалов проводили с использованием методики, предложенной Кокубо, в растворе, моделирующем биологическую жидкость (SBF-раствор, Simulated Body Fluid) [18]. Сферические материалы выдерживали в SBF-растворе при 37 °C в течение 14 сут с ежедневным обновлением раствора. Концентрацию ионов кальция и магния в растворе после погружения определяли методом трилонометрического титрования.

Коэффициент накопления ионов на поверхности рассчитывали по формуле $\frac{Δ C ({Ca}^{2 +} + {Mg}^{2 +})}{τ}$ , где ΔC (Ca²⁺+ Mg²⁺) – общее изменение концентрации в течение временного интервала τ (в днях) [19].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам термического анализа, формирование исследуемых материалов в ходе термической обработки происходит в три стадии для образца TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и в две стадии для образца TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃. Для каждой стадии методом Метцгера–Горовица были рассчитаны энергии активации и порядок реакции (табл. 2).

Таблица 2. Значения энергий активации сферических композитов по данным термического анализа

Температура эффекта, °С	Энергия активации, кДж/моль	Температура эффекта, °С	Энергия активации, кДж/моль
TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃		TiO₂–SiO₂–P₂O₅/СаO
376.1	155.0	87.7	35.04
424.3	222.0	385.1	161.9
491.8	124.0	466.4	462.8
754.4	409.0	713.3	419.2

При t < 150 °С для образца TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO происходят процессы, связанные с удалением воды и остатков растворителя. Физическую природу процесса подтверждает низкое значение энергии активации.

В интервале от 300 до 500 °С наблюдаются экзотермические эффекты: при температурах 424.3 и 491.8 °С для сферического композита TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃; при температурах 385.1 и 466.5 °С для TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO. В этом интервале температур происходят удаление органической матрицы катионита, разложение этокси- и бутоксигрупп.

Стадия в области температур от 500 до 1000 °С характеризуется эндотермическим эффектом при 713.3 и 754 °С для образцов TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃ соответственно. На данной стадии происходит переход от аморфной к кристаллической структуре образцов. Изменение массы составило 18.3 и 10.1% для образцов TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃ соответственно.

На рис. 1 представлены ИК-спектры образцов TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃. Выше 60 °С на спектрах фиксируется полоса поглощения с максимумами 3265–3475 и 3663 см^-1, характеризующая присутствие ОН-групп, для TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO и TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃ соответственно. Для обоих образцов наблюдаются деформационные колебания ОН-групп в области 1290–1310 см^-1, полоса в области 2995– 2849 см^-1 характерна для связей C–H, колебания в области 1597.3–1511.43 см^-1 характерны для бензольного кольца. Увеличение температуры обработки способствует удалению органических компонентов и образованию кристаллических фаз. После отжига при 800 °С в обеих системах фиксируются валентные колебания Ti–O(H)–Ti, δ(Si–O–Si) в областях 1498–1369 и 827–886 см^-1 соответственно. Валентные колебания Ti–O октаэдра TiO₆ наблюдаются при 738 см^-1, валентные колебания La–O подтверждаются полосой при 629 см^-1 для TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃.

Рис. 1. ИК-спектры образцов после сушки при 60 °С (а), после отжига при 600 °С (б)

Формирование кристаллических фаз происходит при 800 °С. По результатам рентгенофазового анализа, в обоих образцах фиксируются фазы TiO₂ и SiO₂. Диоксид титана представлен в модификации рутила, который упрочняет образовавшийся материал. На поверхности материала атомы титана и кремния являются активными центрами, на которых начинается процесс образования апатитоподобного слоя. Кроме диоксида титана и диоксида кремния, композит TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaO содержит фазу СаО, TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂O₃ – фазу La₂O₃. Согласно [20], фаза La₂O₃в составе композитане обладает токсичным действием и повышает пролиферацию эндотелиальных клеток, а также других важных типов клеток, таких как фибробласты, что приводит к ускорению процесса восстановления тканей.

Для оценки влияния оксида лантана на процесс образования на поверхности композиционных материалов кальций-фосфатного слоя исследовали скорость осаждения ионов кальция и магния из SBF-раствора на поверхность следующих образцов: 1 – TiO₂–SiO₂–P₂O₅/СаО; 2 – TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂О₃; 3 – TiO₂–SiO₂–P₂O₅/СаО : TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂О₃ с весовым соотношением 1 : 1. Кривые осаждения ионов кальция и магния представлены на рис. 2. Для всех образцов осаждение идет в три стадии. В табл. 3 представлены коэффициенты накопления ионов кальция и магния на поверхности.

Рис. 2. График накопления ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ на поверхности образцов после погружения в SBF-раствор: 1 – образец TiO₂–SiO₂–P₂O₅/СаО, 2 – образец TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂О_3, 3 – образец с соотношением TiO₂–SiO₂–P₂O₅/СаО : TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂О₃ = 1 : 1

На первой стадии (до 3 сут) происходят миграция щелочных и щелочноземельных ионов из раствора на поверхность материала и взаимодействие с активными центрами на поверхности материала, в качестве которых выступают атомы титана и кремния [21]. На второй стадии (4–8 сут) происходит осаждение ионов кальция и магния с сопутствующими ионами. На этой стадии для всех образцов наблюдается наибольшая скорость осаждения ионов. Это объясняется тем, что ионы кальция, присутствующие в образце, также могут выступать в качестве активных центров. На третьей стадии (после 8 сут) осажденные ионы стабилизируются и образуют апатитоподобный слой [21]. Результаты исследования показали, что осаждение ионов кальция и магния идет менее интенсивно для композитов, содержащих только оксид лантана.

Таблица 3. Коэффициент накопления ионов Са²⁺и Мg²⁺в образцах (k, ммоль/л)

Образец	k (0–3 сут)	k (4–8 сут)	k (9–14 сут)
Ca	1.12	1.28	0.87
La	1.06	1.18	0.75
Ca/La	1.09	1.22	0.5

Изучение морфологии поверхности до и после погружения в SBF-раствор показало, что все образцы способны образовывать кальций-фосфатный слой на своей поверхности. Микрофотографии образцов и распределение элементов по поверхности представлены на рис. 3.

Рис. 3. Микрофотографии образцов (а–в) и распределение элементов по линии (г–е) после погружения в SBF-раствор на 14 сут: а, г – образец TiO₂–SiO₂–P₂O₅/CaО; б, д – образец TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂О₃; в, е – образец с соотношением TiO₂–SiO₂–P₂O₅/СаО : TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂О₃ = 1 : 1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены композиты TiO₂–SiO₂–P₂O₅/СаО и TiO₂–SiO₂–P₂O₅/La₂О₃ на основе катионита «Токем-250». Методами термического анализа и ИК-спектроскопии изучены процессы, происходящие при формировании материалов. Показана принципиальная возможность образования кальций-фосфатной фазы на поверхности лантансодержащих композитов.

Исследование кинетики образования кальций-фосфатного слоя показало, что добавка оксида лантана уменьшает скорость осаждения ионов кальция и магния на поверхности материала.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено при поддержке Программы развития Томского государственного университета (Приоритет-2030).