Синтез, свойства и антибактериальная активность цинкзамещенного гидроксиапатита
- Authors: Папежук М.В.1, Иванин С.Н.1, Волынкин В.А.1, Якупов П.П.2, Васильева Л.В.1
-
Affiliations:
- Кубанский государственный университет
- Санкт-Петербургский государственный университет
- Issue: Vol 60, No 4 (2024)
- Pages: 478-489
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/274565
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X24040084
- EDN: https://elibrary.ru/MZOYKK
- ID: 274565
Cite item
Abstract
В работе получены гидроксиапатит (ГА) и цинкзамещенный (ZnГА) гидроксиапатит методом осаждения из раствора. Значения кристаллографических параметров для ZnГА (а, b = 9.41766 Å, с = 6.88048 Å) по отношению к кристаллографическим параметрам ГА (а, b= 9.41866 Å, с = 6.88158) уменьшаются примерно на 0.001 Å. Изменение кристаллографических параметров исследованного ZnГА подтверждает частичное замещение ионов Ca2+ на ионы Zn2+ в кристаллической решетке ГА. По ИК-спектрам определено наличие функциональных групп (OH-, PO43-) в составе ГА. По данным растровой электронной микроскопии, размер частиц порошка ZnГА, полученного методом осаждения с последующей термообработкой при 900°С, составляет 200–400 нм. Методом энергодисперсионного микроанализа определены соотношения Ca/P и (Ca+Zn)/P для ГА и ZnГА, равные 1.68 и 1.66 соответственно. В среде физиологического раствора увеличение растворимости ZnГА в 2 раза по отношению к ГА указывает на перспективу хорошей резорбции в организме. Исследование образцов в виде дисков в растворе SBF показало, что на поверхности происходит активное формирование нового кальций-фосфатного слоя за счет химической адсорбции ионов Ca2+, Mg2+, HPO42-, PO43-, OH- из раствора. Состав ZnГА показал активность как к грамположительным: Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, так и к грамотрицательным микроорганизмам: Escherichia coli, Acinetobacter calcoaceticus.
Full Text

About the authors
М. В. Папежук
Кубанский государственный университет
Author for correspondence.
Email: marina-marina322@mail.ru
Russian Federation, 350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149
С. Н. Иванин
Кубанский государственный университет
Email: marina-marina322@mail.ru
Russian Federation, 350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149
В. А. Волынкин
Кубанский государственный университет
Email: marina-marina322@mail.ru
Russian Federation, 350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149
П. П. Якупов
Санкт-Петербургский государственный университет
Email: marina-marina322@mail.ru
Russian Federation, 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7-9
Л. В. Васильева
Кубанский государственный университет
Email: marina-marina322@mail.ru
Russian Federation, 350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149
References
- Currey J. Biomaterials: Sacrificial Bonds Heal Bone // Nature. 2001. V. 414. P. 699–708. https://doi.org/10.1038/414699a
- Bakan F., Laçin O., Sarac H. A Novel Low Temperature Sol–Gel Synthesis Process for Thermally Stable Nano Crystalline Hydroxyapatite // Powder Technol. 2013. V. 233. P. 295–302. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.08.030
- Chatakun P., Nunez-Toldra R., Diaz Lopez E.J., Gil-Recio, C., Martinez-Sarra E., Hernandez-Alfaro F., Ferres-Padro E., Giner-Tarrida L., Atari M. The Effect of Five Proteins on Stem Cells Used for Osteoblast Differentiation and Proliferation: A Current Review of the Literature // Cell Mol. Life Sci. 2014. V. 71. P. 113–142. https://doi.org/10.1007/s00018-013-1326-0
- Папежук М.В., Иванин С.Н., Якупов Р.П., Бузько В.Ю., Сухно И.В., Гнеуш А.Н. Синтез микрокристаллического гидроксиапатита с полимерными органическими добавками и получение волокон на его основе методом электроформования // Журн. СФУ. Химия. 2024. Т. 17. № 1. С. 138–150.
- Ковылин Р.С., Алейник Д.А., Федюшкин И.Л. Современные пористые полимерные имплантаты: изготовление, свойства и применение // Высокомолекулярные соединения (серия С). 2021. Т. 63. № 1. С. 33–53. https://doi.org/10.31857/S2308114721010039
- Папежук М.В., Пилунова Е.М., Иванин С.Н., Якупов Р.П. Синтез микрокристаллического гидроксиапатита и получение волокон методом электроформования на его основе // Тр. КНЦ РАН. Сер.: Технические науки. 2023. Т. 14. № 2. С. 192-196. https://doi.org/10.37614/2949-1215.2023.14.2.036
- Писарева Е.В., Власов М.Ю., Волова Л.Т. Показатели обмена костной ткани кроликов при введении «Аллогенного гидроксиапатита» // Изв. Самарского научного центра Российской академии наук. 2015. Т. 17. № 5(3). С. 908-912.
- Романова Д.А., Писарева Е.В., Даниэль М.А., Власов М.Ю. Исследование безопасности применения аллогенного гидроксиапатита при моделировании глюкокортикоидной остеорезорбции в эксперименте на крысах // Остеопороз и остеопатии. 2020. Т. 23. № 2. С.139-140.
- Velasco Barraza R., Alvarez Suarez A.S., Villarreal Gomez L.J., Paz González J.A., Iglesias A.L., Vera Graziano R. Designing a Low-Cost Electrospinning Device for Practical Learning in a Bioengineering Biomaterials Course // Rev. Mex. Ing. Bioméd. 2016. V. 37. № 1. P. 7-16. https://doi.org/10.17488/RMIB.37.1.1
- Thomas M., Puleo D. Infection, Inflammation, and Bone Regeneration: a Paradoxical Relationship // J. Dent. Res. 2011. V. 90. № 9. P. 1052-1061. https://doi.org/10.1177/0022034510393967
- Korai H. Current Situation and Future of Inorganic Antimicrobial Agent // J. Inorg. Mater. Jpn. 1999. V. 6. P. 428–436. https://doi.org/10.1002/vjch.201800068
- Singh A., Dubey A.K. Various Biomaterials and Techniques for Improving Antibacterial Response // ACS Appl. Bio Mater. 2018. V. 1. P. 3–20. https://doi.org/10.1021/acsabm.8b00033
- Shanmugamn S., Gopal B. Copper Substituted Hydroxyapatiteand Fluorapatite: Synthesis, Characterization and Antimicrobial Properties // Ceram. Int. 2014. V. 40. P. 15655–15662. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.07.086
- Rameshbabu N., Sampathkumar T.S., Prabhakar T.G., Sastry V.S., Murty K.V. G.K., Prasad Rao K. Antibacterial Nanosized Silver Substituted Hydroxyapatite: Synthesis and Characterization // J. Biomed. Mater. Res. A. 2007. V. 80. № 3. P. 581–591. https://doi.org/10.1002/jbm.a.30958
- Zhang Y., Huang X., Ding Q., Pang X. Antibacterial and Bioactivity of Silver Substituted Hydroxyapatite/TiO2 Nanotube Composite Coatings on Titanium // Appl. Surf. Sci. 2014. V. 314. P. 348–357. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.07.027
- Фадеева И.В., Бакунова Н.В., Комлев В.С., Медвецкий Л., Фомин А.С., Гурин А.Н. Цинк и серебросодержащие гидроксиапатиты: синтез и свойства // Докл. Академии наук. 2012. Т. 442. № 6. С. 780–783. https://doi.org/10.1134/S0012500812020097
- Thian E. S., Konishi T., Kawanobe Y., Lim P.N., Choong C., Ho B., Aizawa M. Zinc-substituted Hydroxyapatite: a Biomaterial with Enhanced Bioactivity and Antibacterial Properties // J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2013. V. 24. № 2. P.437-445. https://doi.org/10.1007/s10856-012-4817-x
- Shi D. Introduction to Biomaterials. World Scientific Publishing, 2006. 253 p.
- Berzina-Cimdina L., Borodajenko N. Research of Calcium Phosphates Using Fourier Transform Infrared Spectroscopy // Infrared Spectrosc. – Mater. Sci., Eng. Technol. 2012. V. 6. P. 124-148. https://doi.org/10.5772/36942.
- Yang L., Perez-Amodio S., Barrere-de Groot F.Y., Everts V., A van Blitterswijk C., Habibovic P. The Effects of Inorganic Additives to Calcium Phosphate on in Vitro Behavior of Osteoblasts and Osteoclasts // Biomaterials. 2010. V. 31. № 11. P. 2976–2989. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2010.01.002
- Медков М.А., Грищенко Д.Н., Руднев В.С., Шулепин И.В., Череповский А.С., Пономаренко А.И., Дюйзен И.В. Особенности остеорепарации при использовании биоматериалов на основе гидроксиапатита и стронций-замещенного гидроксиапатита // Тихоокеанский медицинский журн. 2015. № 4. С. 48-52.
- Samani S., Hossainalipour S.M., Tamizifar M., Rezaie H.R. In Vitro Antibacterial Evaluation of Sol-gel-derived Zn-, Ag-, and (Zn+Ag)-doped Hydroxyapatite Coatings Against Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus // J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2013. V. 101. P. 222–230. https://doi.org/10.1002/jbm.a.34322.
- Anwar A., Akbar S., Sadiqa A., Kazmi M. Novel Continuous Flow Synthesis, Characterization and Antibacterial Studies of Nanoscale Zinc Substituted Hydroxyapatite Bioceramics // Inorg. Chim. Acta. 2016. V. 453. P. 16–22. https://doi.org/10.1016/j.ica.2016.07.041
- Chung R.-J., Hsieh M.-F., Huang K.-C., Perng L.-H., Chou F.-I., Chin T.-S. Anti-microbial Hydroxyapatite Particles Synthesized by a Sol-Gel Route // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2005. V. 33. P. 229–239. https://doi.org/10.1007/s10971-005-5618-1.
- Ohtsuki C., Kushitani H., Kokubo T., Kotani S., Yamamuro T. Apatite Formation on the Surface of Ceravital-Type Glass-Ceramic in The Body // J. Biomed. Mater. Res. 1991. V. 25. P. 1363-1370. https://doi.org/10.1002/jbm.820251105
- Kokubo T., Takadama H. How Useful is SBF in Predicting in vivo Bone Bioactivity // Biomaterials. 2006. V. 27. № 15. Р. 2907–2915. https://doi.org/10.1016/j. biomaterials.2006.01.017
- Ressler A., Zuzic A., Ivanisevic I., Kamboj N., Ivankovic H. Ionic Substituted Hydroxyapatite for Bone Regeneration Applications: A Review // Open Ceram. 2021. V. 6. Р. 100122. https://doi.org/10.1016/j.oceram.2021.100122
- Boanini E., Gazzano M., Bigi A. Ionic Substitutions in Calcium Phosphates Synthesized at Low Temperature // Acta Biomater. 2010. V. 6. P. 1882–1894. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2009.12.041.
- Makshakova O.N., Gafurov M.R., Goldberg M.A. The Mutual Incorporation of Mg2+ and CO32− into Hydroxyapatite: A DFT Study // Materials. 2022. V. 15. Р. 9046. https://doi.org/10.3390/ ma15249046
- Cipreste M.F., Peres A.M., Cotta A.A.C., Aragon F.H., Antunes A.M., Leal A.S., Macedo W.A.A., Sousa E.M.B. Synthesis and Characterization of 159Gd-Doped Hydroxyapatite Nanorods for Bioapplications as Theranostic Systems // Mater. Chem. Phys. 2016. V. 181. Р. 301e311. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.06.063
- Guerra-Lopez J.R., Bianchi A.E., Ramos M.A., Ferraresi-Curotto V., Güida J.A., Echeverría G.A. Novel Synthesis and Crystallographic Results of Zinc Substituted Hydroxyapatite with High Thermal Stability // Phys. B: Condens. Matter. 2024. V. 676. Р. 415676. https://doi.org/10.1016/j.physb.2024.415676
- Papezhuk M.V., Ivanin S.N., Yakupov R.P., Buz’ko V.Y., Sukhno I.V., Gneush A.N., Petriev I.S. Obtaining Polyvinylpyrrolidone Fibers Using the Electroforming Method with the Inclusion of Microcrystalline High-Temperature Phosphates // Int. J. Mol. Sci. 2024. V. 25. P. 2298. https://doi.org/10.3390/ijms25042298
- Hughes J.M., Cameron M., Crowley K.D. Structural Variations in Natural F, OH, and Cl Apatites // Am. Mineral. 1989. V. 74. P. 870-876.
- Rabiei M., Palevicius A., Dashti A., Nasiri S., Monshi A., Doustmohammadi A., Vilkauskas A., Janusas G. X-ray Diffraction Analysis and Williamson-Hall Method in Usdm Model for Estimating More Accurate Values of Stress-Strain of Unit Cell and Super Cells (2 × 2 × 2) Of Hydroxyapatite, Confirmed by Ultrasonic Pulse-Echo Test // Materials. 2021. V. 14. Р. 2949. https://doi.org/10.3390/ma14112949
- Горячко А.И., Иванин С.Н., Бузько В.Ю. Синтез, микроструктурные и электромагнитные характеристики кобальт-цинкового феррита // Конденсированные среды и межфазные границы. Т. 22. № 4. С. 446-452. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/3115
- Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides // Acta Crystallogr., Sect. A. 1976. V.32. P. 751-767.
- Shepherd D., Best S.M. Production of Zinc Substituted Hydroxyapatite Using Various Precipitation Routes // Biomed. Mater. 2013. V. 8. Р. 025003. https://doi.org/10.1088/1748-6041/8/2/025003
- Thian E.S., Konishi T., Kawanobe Y., Lim P.N., Choong C., Ho B., Aizawa M. Zinc-substituted Hydroxyapatite: A Biomaterial with Enhanced Bioactivity and Antibacterial Properties // J. Mater. Sci: Mater. Med. 2013. V. 24. P. 437–445. https://doi.org/10.1007/s10856-012-4817-x
- Friederichs R.J., Chappell H.F., Shepherd D.V., Best S.M. Synthesis, Characterization and Modelling of Zinc and Silicate Co-Substituted Hydroxyapatite // J. R. Soc. Interface. 2015. V. 12. № 108.Р. 20150190. https://doi.org/10.1098/rsif.2015.0190
- Kannan S., Goetz-Neunhoeffer F., Neubauer J., Ferreira J.M.F. Ionic Substitutions in Biphasic Hydroxyapatite and B-Tricalcium Phosphate Mixtures: Structural Analysis by Rietveld Refinement // J. Am. Ceram. Soc. 2008. V. 91. № 1. Р. 1–12. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.02117.x
- Tazibt N., Kaci M., Dehouche N., Ragoubi M., Atanase. L.I. Effect of Filler Content on the Morphology and Physical Properties of Poly(Lactic Acid)-Hydroxyapatite // Compos. Mater. 2023. V. 16. Р. 809. https://doi.org/10.3390/ma16020809
- Meejoo S., Maneeprakorn W., Winotai P. Phase and Thermal Stability of Nanocrystalline Hydroxyapatite Prepared Via Microwave Heating // Thermochim. Acta. 2006. № 447. P. 115–120. https://doi.org/10.1016/j.tca.2006.04.013
- Han J-K., Song H-Y., Saito F., Lee B.-T. Synthesis of Height Purity Nano-Sized Hydroxyapatite Powder by Microwave-Hydrothermal Method // Mater. Chem. Phys. 2006. № 99. P. 235–239. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.10.017
- Destainville A., Champion E., Bernache-Assollante D., Laborde E. Synthesis, Characterization and Thermal Behaviour of Apatite Tricalcium Phosphate // Mater. Chem. Phys. 2003. № 80. P. 269–277. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(02)00466-2
- Klee W.E., Engel G. Infrared Spectra of the Phosphate Ions in Various Apatite // J. Inorg. Nucl. Chem. 1970. V. 32. Р. 1837. https://doi.org/10.1016/0022-1902(70)80590-5
- Ma G., Liu X.Y. Hydroxyapatite: Hexagonal or Monoclinic? // Cryst. Growth Des. 2009. V. 9. № 7. P. 2991–2994. https://doi.org/10.1021/cg900156w
- Голощапов Д.Л., Кашкаров В.М., Румянцева Н.А., Середин П.В., Леншин А.С., Агапов Б.Л., Домашевская Е.П. Получение нанокристаллического гидроксиапатита методом химического осаждения с использованием биогенного источника кальция // Конденсированные среды и межфазные границы. 2011. Т. 13. № 4. С. 427-441.
- Buzko V., Babushkin M., Ivanin S., Goryachko A., Petriev I. Study of Electromagnetic Shielding Properties of Composites Based on Glass Fiber Metallized with Metal Films // Coatings. 2022. V. 12. № 8. Р. 1173. https://doi.org/10.3390/coatings12081173
- Павлова Т.В., Бавыкина Т.Ю. Сравнительная оценка минерального состава и ультрамикроструктуры тканей зуба в норме и при кариесе // Современные наукоемкие технологии. 2009. № 12. С. 15-18.
- Liu D.-M., Troczynski T., Tseng W.J. Water-Based Sol–Gel Synthesis of Hydroxyapatite: Process Development // Biomaterials. 2001. V. 22. P. 1721-1730. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(00)00332-x
- LeGeros R.Z. Calcium Phosphates in Oral Biology and Medicine // Monogr. Oral. Sci. 1991. V. 15. P. 1–201.
- Nelson D.G.A. The Influence of Carbonate on the Atomic Structure and Reactivity of Hydroxyapatite // J. Dent. Res. 1981.V. 60. P. 1621–1630. https://doi.org/10.1177/0022034581060003S1201
- Fulmer M.T., Ison I.C., Hankermayer C.R., Constantz B.R., Ross J. Measurements of the Solubilities and Dissolution Rates of Several Hydroxyapatites // Biomaterials. 2002. V. 23. № 3. P. 751–755. https://doi.org/10.1016/s0142-9612(01)00180-6
- Vargas-Becerril N., Patiño-Carachure C., Rodriguez-Lorenzo L., Téllez-Jurado L. Synthesis of Hybrid Compounds Apatite-alendronate by Reactive Milling and Effects on the Structure and Morphology of the Apatite Phase // Ceram. Int. 2013. V. 39. № 4. P. 3921-3929. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.10.239
- N. Vargas-Becerril, D.A. Sánchez-Téllez, L. Zarazúa-Villalobos, D.M. González-García, M.A. Álvarez-Pérez, C. de León-Escobedo, L. Téllez-Jurado. Structure of Biomimetic Apatite Grown on Hydroxyapatite (HA) // Ceram. Int. 2020. V. 46. P. 28806–28813. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.08.044
- Kim H.-M., Himeno T., Kawashita M., Kokubo T., Nakamura T. The Mechanism of Biomineralization of Bone-like Apatite on Synthetic Hydroxyapatite: an in Vitro Assessment // J. R. Soc. Interface. 2004. V. 1. № 1. P. 17-22. https://doi.org/10.1098/rsif.2004.0003
- Shu X., Liao J., Wang L., Shi Q., Xie X. Osteogenic, Angiogenic, and Antibacterial Bioactive Nanohydroxyapatite Co-Synthesized Using Γ-Polyglutamic Acid and Copper // ACS Biomater. Sci Eng. 2020. V. 6. № 4. P. 1920-1930. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.0c00096
- Хлебникова А.Н., Петрунин Д.Д. Цинк, его биологическая роль и применение в дерматологии // Вестник дерматологии и венерологии. 2013. Т. 6. С. 100–116.
- Юсупов У.К. Минимальная ингибирующая концентрация и антибиопленочная активность эндофитного гриба Penicillium roqueforti 12ph, выделенного из растения Peganum harmala // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2022. Т. 2. № 92. https://doi.org/10.32743/UniChem.2022.92.2.13021
Supplementary files
