Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 2, стр. 227-234

ВВЕДЕНИЕ

В качестве компонентов биоматериалов, предназначенных для восстановления дефектов твердых тканей, наряду с широко распространенными кристаллическими модификациями трикальция фосфата (Са₃(РО₄)₂) и гидроксиапатита (ГА, Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂) могут использоваться плохо окристаллизованные формы веществ с высоким потенциалом биоактивности и совместимости с костной тканью. К таковым относятся, например, карбонатгидроксиапатит (КГА) и гидросиликаты кальция (ГСК, rCaO·mSiO₂·nH₂O). Первый рассматривается как аналог минеральной составляющей костной ткани [1] с более высокой растворимостью по сравнению с незамещенным стехиометрическим апатитом, тогда как ГСК, ввиду наличия в их составе кремния, могут принимать активное участие в репаративных процессах костной системы [2]. Названные важные свойства данных веществ и их компонентов обусловливают потенциальную перспективность создания композитных материалов на их основе.

Известны исследования, касающиеся разработки плотных и пористых керамик [3, 4], покрытий [5], цементов [6], гранул [7, 8] на основе КГА. Изучается применимость 3D-матриксов из ГСК в качестве биоматериалов [9, 10]. Публикации, посвященные получению композитов апатита и ГСК, немногочисленны. Так, в работах [11, 12] получали цементы, в результате твердения которых образовывались композиты КГА и ГСК. Авторами данных исследований отмечено, что присутствие в составе материалов аморфного силиката кальция улучшает биологическую активность цементов in vitro и in vivo и усиливает пролиферацию клеток на их поверхности.

Важно, что для формования смесей КГА и ГСК не применимы методики, включающие стадию термической обработки, ввиду нестабильности данных солей при воздействии высоких температур. Объемные материалы на их основе могут быть получены только “мягкими” способами.

Цель данной работы – получение по суспензионной технологии сферических пористых гранул с варьируемой пропорцией плохо окристаллизованного КГА и ГСК, включающих связующий биосовместимый полимер желатин, и их физико-химическое исследование.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходных материалов для синтеза гранул использовали синтетические керамические порошки, представляющие собой композиты плохо окристаллизованного КГА и ГСК (Ca/Si = 1) с примесью кальцита, способ получения, состав и некоторые свойства которых приведены в статье [13] и табл. 1. Гранулы получали по суспензионной технологии, основанной на принципе несмешивающихся жидкостей [1]. Для этого синтетический порошок c заданным соотношением КГА/ГСК (см. табл. 1) массой 1 г смешивали с 2–3 мл 15%-ного раствора желатина (марки П-11, РусХим), разогретого до 40°C, и быстро перемешивали до образования однородной массы. Приготовленную сметанообразную суспензию вводили по каплям в растительное масло и перемешивали на магнитной мешалке со скоростью 1000 об./мин. Образовавшиеся гранулы охлаждали на ледяной бане, отфильтровывали, отмывали от масла 95%-ным этиловым спиртом и сушили на воздухе. Далее образцы высушивали при 100°C в муфельной печи ЭКПС-5 (Смоленское СКТБ СПУ) в течение 2 ч и исследовали.

Рентгенофазовый анализ выполняли на дифрактометре XRD-7000 (Shimadzu). Расшифровку дифрактограмм проводили в программном комплексе Sleve+ с использованием базы данных ICCD PDF-4+ 2022 г. ИК-спектры поглощения гранул регистрировали на ИК-Фурье-спектрометре ФТ-801 (Simex) с помощью программы ZаIR 3.5 (Simex). Образцы готовили прессованием в таблетки с KBr. Запись ИК-спектров проводили в области от 4000 до 500 см^–1. Термогравиметрический анализ проводили на синхронном термическом анализаторе STA-449C (NETZSCH). Образцы прокаливали на воздухе со скоростью нагрева 10°C/мин. Морфологию поверхности и внутреннюю структуру гранул изучали методом сканирующей электронной микроскопии на электронном микроскопе JCM-5700 (JEOL) с безазотным рентгеновским энергодисперсионным спектрометром для элементного анализа.

Для оценки распределения гранул по размерам образцы материалов рассеивали на серии лабораторных сит с размерами ячеек от 0.5 до 4 мм и взвешивали полученные фракции на аналитических весах AGN100 (AXIS). Открытую пористость устанавливали пикнометрическим методом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе работы получены гранулы с различным массовым соотношением КГА/ГСК (табл. 1). Они имеют белый цвет с желтоватым оттенком. Форма гранул близка к сферической (рис. 1). Размеры частиц варьируют от 500 мкм до 5 мм (рис. 2). Основной объем материалов (до 60 мас. %) представлен гранулами с диаметрами 1–3 мм.

Гранулы и их исходные компоненты исследованы методом РФА (рис. 3). На дифрактограммах всех полученных материалов имеется пологий пик в области 20°–27° по 2θ (рис. 3а), обусловленный наличием желатина в их составе (подобное гало присутствует и на дифрактограмме желатина, рис. 3б).

Пики, соответствующие фазе апатита (25.9°, 31.8°, 39.8°, 46.7°, 49.5°, 53.1° по 2θ согласно карточке № 01-085-3476 ICCD PDF-4+), присутствуют на дифрактограммах образцов, полученных из порошков, содержащих КГА. Слабое разрешение рефлексов в области 30°–35° указывает на невысокую степень кристалличности фосфата кальция (ФК). Также отмечено закономерное снижение интенсивности пиков апатита по мере уменьшения его доли в исходном керамическом порошке.

На дифрактограмме ГСК (рис. 3б) четко различимы пики при 23.1°, 29.5°, 36.0°, 39.5°, 43.3°, 47.6°, 48.6°, 50.2°, соответствующие кальциту (СаСО₃, карточка № 01-083-4606 ICCD PDF-4+), а также пологий пик небольшой интенсивности в области 30°–35°, характерный для ГСК со структурой, близкой к аморфной [14]. Согласно результатам [15, 16], СаСО₃ является естественной примесью ГСК, получаемого осаждением на воздухе. Образующийся по реакции

кристаллический кальцит дает четкие пики на дифрактограммах, тогда как аморфный СК методом РФА фактически не определяется.

Присутствие ГСК в составе материалов однозначно фиксируется методом ИК-Фурье-спектроскопии (рис. 4). Спектры данного образца (рис. 4б) и гранул (рис. 4а) содержат полосы поглощения связей в силоксановых мостиках Si–O–Si (670 см^–1) и группировках Si–O (970 и 1060 см^–1), а также моды деформационных колебаний связей Н–О–Н молекул воды (1645 см^–1), входящих в структуру ГСК [17]. Интенсивность названных полос поглощения на ИК-спектрах гранул закономерно уменьшается при снижении доли СК в керамических порошках, использованных для получения объемных материалов (рис. 4а). Примесь карбоната кальция в образце ГСК (рис. 4б) обнаруживается по полосам, соответствующим модам колебаний связей C–О в ионах ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }}$(875, 1420, 1460 см^–1) из состава СаСО₃ [18].

Апатит в спектрах гранул идентифицируется по пикам при 565 и 605 см^–1, вызванным валентными колебаниями О–Р–О, и 962, 1030 и 1060 см^–1, обусловленным симметричными деформационными колебаниями связей Р–О в РО₄-тетераэдрах [19]. Слабое разрешение максимумов в области 1030–1090 см^–1 указывает на невысокую степень кристалличности ГА, что согласуется с данными РФА (рис. 3). В спектре ФК (рис. 4б) также регистрируются моды колебаний связей C–О (875, 1420, 1460 см^–1) в ионах ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }},$ которые частично замещают позиции РО₄-тетраэдров в апатите.

Пики карбонат-ионов из структуры КГА в спектрах гранул (рис. 4а) перекрываются с поглощением функциональных группировок, входящих в состав желатина. Так, полосы в области 1260–1400 см^–1 вызваны колебаниями карбоксильных группировок в желатине I типа; максимум при 1550 см^–1 отвечает деформационным колебаниям связей N–H в амиде II, а поглощение в области 3270–3370 см^–1 соответствует валентным колебаниям связей N–H; при 1650 см^–1 проявляются полосы деформационных колебаний связей N–H и валентных колебаний связей С=О и О–Н [20].

Таким образом, данные ИК-Фурье-спектроскопии подтверждают поликомпонентный состав гранул, а именно: совместное присутствие в материалах плохо окристаллизованного КГА, ГСК и желатина. Это в свою очередь указывает на неизменность исходных компонентов материалов при их формовании и отсутствие побочных реакций в ходе синтеза.

Согласно данным ТГА (рис. 5), при прокаливании гранул на воздухе по мере повышения температуры происходит непрерывное уменьшение массы материалов в результате последовательного протекания процессов удаления химически не связанной воды (до 200°C), пиролиза желатина (200–450°C), а также выхода из состава ГСК кристаллизационной воды, диссоциации кальцита и потери КГА карбонат-ионов (550–800°C) [20–23]. Наибольшее изменение массы образцов наблюдается на этапе разложения органической составляющей. В табл. 2 приведены рассчитанные по результатам ТГА содержания желатина и минеральной составляющей (суммарно КГА и ГСК) в гранулах различного состава. Видно, что гранулы состоят преимущественно из неорганических солей (на 60–75 мас. %). Содержание желатина в образцах варьирует в диапазоне 19–29 мас. % и возрастает при повышении доли ГСК в исходном керамическом порошке.

Помимо химического состава материалов, предназначенных для восстановления твердых тканей, важное значение имеют их микроструктура и пористость. На рис. 6а видно, что гранулы имеют форму, близкую к сферической. На их поверхности различимы устья пор различных размеров и формы, появившихся в результате высыхания геля желатина (рис. 6а, 6б). Материалы имеют шероховатую поверхность с углублениями и выступами различной высоты, которые сложены кристаллическими агломератами исходного керамического порошка, склеенными полимером-связкой (рис. 6в). Границы частиц КГА и ГСК сглажены покрывающим их слоем желатина. Этим обусловлено высокое содержание углерода (до 50 мас. %) на поверхности гранул, обнаруживаемое методом энергодисперсионной спектроскопии (рис. 7а).

При элементном анализе (мас. %) среза композитных сфер идентифицируются Са, Р, Si, О и С (рис. 7б). При этом количества Са, Р и Si имеют тот же порядок величины, что и С, поскольку исследуемая область (скол гранул) включает как разломы керамических частиц, так и пограничные слои органического связующего.

На срезе гранул (рис. 8) видна пористая внутренняя структура материалов. Между керамическими частицами (на рис. 8а светлые области) различимы каналы и щели с размерами от единиц до сотен микрон, одиночные или сливающиеся в бо́льшие по объему полости. Поры расположены как в приповерхностной, так и во внутренней части гранул. Они распределены в теле материала хаотично, без организации какой-либо специфической пространственной структуры.

Оценка пористости экспериментальных материалов показала, что все образцы имеют открытую пористость от 40 до 60% (табл. 3). Исключением являются гранулы с отношением КГА/ГСК 80/20 мас. % с минимальным значением открытой пористости – 26.4%. Вероятно, это связано с тем, что исходный порошок с данной пропорцией КГА/ГСК характеризуется наименьшей удельной площадью поверхности (табл. 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По суспензионной технологии получена серия сферических гранул, включающих биосовместимый полимер желатин (до 20 мас. %) и керамические композитные частицы, сложенные плохо окристаллизованным КГА и ГСК в пропорциях от 100/0 до 0/100 мас. % соответственно. Показано, что в условиях эксперимента формируются полидисперсные образцы гранул с преобладающей фракцией 1–3 мм в диаметре. Все материалы имеют пористую структуру и открытую пористость до 60%. Наличие в составе гранул биосовместимых резорбируемых компонентов, а также высокая пористость обусловливают перспективность их применения в костнопластических операциях и в качестве систем доставки лекарственных веществ.