Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 4, стр. 399-407

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия основной упор при создании костных имплантатов делался на достижение биосовместимости, биорезорбируемости, необходимых механических свойств и индуцирование направленной дифференциации стволовых клеток для искусственной трансформации в биологическую ткань [1, 2]. Данные характеристики делают их пригодными для различных применений, включая челюстно-лицевую хирургию, пародонтологическое лечение и ортопедию [3]. В то же время один из основных недостатков керамических материалов для костных имплантатов состоит в хрупкости, что ограничивает их использование в медицине [4]. Биокерамические цементы на основе фосфатных материалов обладают такими свойствами, как остеокондуктивность и биосовместимость, что делает их применимыми для устранения костных дефектов, травм и повреждений. Трикальцийфосфат (ТКФ) Са₃(PO₄)₂ имеет состав, достаточно близкий к материалу неорганического компонента кости (гидроксиапатита (ГА)) при более высокой резорбируемости, чем собственно ГА, в связи с чем часто используется для залечивания костных дефектов. ТКФ имеет остеокондуктивные свойства, но не обладает эффектом дифференциации клеток и умеренной регенерации костей, из-за чего его применение в медицинских приложениях ограничено [5, 6]. Кроме того, использование ТКФ, обладающего более высокой растворимостью, чем ГА, может привести к повторному перелому, связанному с ухудшением механической прочности имплантатов во время процессов ремоделирования кости, и воспалительным реакциям.

Чтобы улучшить биологическую активность, механические свойства, способность к спеканию ТКФ, в его состав добавляются различные катионы металлов и анионы. β-ТКФ является остеокондуктивным, а β-CaSiO₃ – биоактивным материалом с остеостимулирующими свойствами. Пористые композитные биокерамические матрицы с различными соотношениями β-ТКФ/β-CaSiO₃ были разработаны для сочетания этих свойств. Результаты экспериментов in vivo и исследований регенерации кости показали, что матрицы с 50 и 80 мас. % β-CaSiO₃ увеличивали количество новообразованной кости и снижали скорость деградации. Пористый β-CaSiO₃ показал плохое образование новой кости из-за его быстрой деградации, в то время как пористый β-ТКФ продемонстрировал умеренную регенерацию кости, начинающуюся на поверхности имплантатов, из-за отсутствия остеостимуляции [7]. Таким образом, при добавлении к β-ТКФ 50–80 мас. % β-CaSiO₃ материал обладал хорошей остеокондуктивностью и стимулировал быстрое формирование кости по сравнению с матрицами из чистых β-ТКФ и β-CaSiO₃. Для уменьшения скорости растворения ТКФ в работе [8] в его состав были добавлены ионы Li, Na, K.

Также было исследовано влияние изоморфного замещения в ГА кальция на магний [9]. Установлено, что включение 0.1 мол. % Mg²⁺ приводит к росту удельной поверхности на 37%, а введение 1.0 мол. % Mg²⁺ дает более чем трехкратное увеличение: до 86.91 м²/г по сравнению с 23.35 м²/г для чистого ГА. Объем микро- и мезопор также продемонстрировал почти трехкратный рост при общем объеме пор 0.2938 мм³/г. Исследования in vitro продемонстрировали цитосовместимость биокерамических гранул и подтвердили положительное влияние Mg²⁺ на жизнеспособность и пролиферацию клеток.

Влияние анионного замещения до 9% на карбонатную группу в ГА изучалось в работе [10] с дальнейшим изготовлением пористых гранул. Результаты исследования показали, что карбонат-группы входят в структуру по смешанному АБ-типу замещения, при этом микроструктура гранул существенно зависела от содержания карбонат-групп, введение 6% обеспечивало высокие биологические свойства гранул в экспериментах in vivo.

Цель настоящей работы – изучение влияния изоморфного замещения на стабильность ТКФ как возможного подхода к управлению временем затвердевания и микроструктурой кальцийфосфатных цементов, получаемых из ТКФ. Были получены брушитные (на основе CaHPO₄⋅2H₂O) и монетитные (на основе CaHPO₄) цементы с частичным замещением в исходном для их затворения ТКФ кальция ионами Na⁺, K⁺, фосфата ионами ${\text{SiO}}_{4}^{{4 - }}$ или ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}.$

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Прекурсорами были α- и β-ТКФ, синтезированные по модифицированной методике [11]; натриевый и калиевый ренаниты CaNaPO₄, CaKPO₄, синтезированные по методике [12]; и коммерческие CaCO₃ (ХИММЕД, ОСЧ 16-2), SiO₂ и β-CaSO₄. Образцы замещенного ТКФ получали при температуре от 950 до 1230°C. Ниже приведены условия реакций получения замещенных ТКФ (отжиги проводились на воздухе) и мольные соотношения исходных компонентов [13]:

Далее состав замещенных ТКФ будет приводиться в мольных процентных соотношениях используемых для их синтеза фаз – Ca₃(PO₄)₂ и CaNaPO₄ либо CaKPO₄, либо CaSO₄, либо Ca₂SiO₄. Для получения фосфатных цементов были использованы синтезированные замещенные катионами K⁺, Na⁺ и анионами ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ ${\text{SiO}}_{4}^{{4 - }}$ α- и β-ТКФ, H₃PO₄ (ГОСТ 6552-80 /ИЗМ 1-2/), моногидрат монокальцийфосфата (ММКФ) Ca(H₂PO₄)₂⋅H₂O (CAS No. 10031-30-8, puriss. 99%) и H₂O. Цементы получали из замещенных ТКФ путем затворения 3 М раствором H₃PO₄ (заранее приготовленным разведением концентрированной кислоты) или водой при предварительном смешении со стехиометрическим количеством твердого ММКФ.

Фазовый состав образцов исследовали методом рентгенофазового анализа (РФА) с использованием рентгеновского дифрактометра РИГАКУ D2500 с вращающимся медным анодом, микроструктура получаемых образцов изучали на растровом электронном микроскопе LEO SUPRA 50VP в режиме низкого (40 Па азота) вакуума, элементный состав анализировался методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) с использованием энергодисперсионного спектрометра X/MAX (Oxford.Inst.), установленного на электронном микроскопе.

Изменение кислотности контактирующей с полученными фосфатными цементами водной фазы в течение длительных (десятки дней) выдержек измеряли с помощью стеклянного pH-метрического электрода ЭСК-10301/4, подключенного к иономеру “Эксперт-001”. Время схватывания цементных образцов определяли методом Вика. Приготовленные образцы при добавлении кислоты или воды заливали в форму и оставляли затвердевать. Время схватывания фиксировали по моменту, когда игла переставала погружаться в образец.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Твердые растворы на основе ТКФ были синтезированы по твердофазным реакциям между предварительно синтезированными β-Ca₃(PO₄)₂, CaNaPO₄, CaКPO₄ или Ca₂SiO₄ (температура реакции 1100°C, охлаждение с печью), коммерческим CaSO₄ (температура реакции 950°C, охлаждение с печью).

В соответствии с фазовыми диаграммами систем Ca₃(PO₄)₂–CaNaPO₄, Ca₃(PO₄)₂–CaКPO₄ и Ca₃(PO₄)₂–Ca₂SiO₄ [14, 15] были синтезированы твердые растворы на основе β-ТКФ с содержанием CaNaPO₄, CaКPO₄ 2, 5 и 10 мол. %, а Ca₂SiO₄ – 1 и 3 мол. %. При этом в системах Ca₃(PO₄)₂–CaNaPO₄ и Ca₃(PO₄)₂–CaКPO₄ после отжига были получены твердые растворы на основе β-Ca₃(PO₄)₂ с содержанием до 10% натриевого или калиевого ренанитов, а в системе с Ca₂SiO₄ при его содержании 1 и 3% образовались твердые растворы на основе α-Ca₃(PO₄)₂, не переходящие при охлаждении в β-форму (рис. 1).

Рис. 1.

Дифрактограммы образцов (мол. %): 1 – β‑Ca₃(PO₄)₂ (90)–CaКPO₄ (10), 2 – β-Ca₃(PO₄)₂ (90)–CaNaPO₄ (10), 3 – α-Ca₃(PO₄)₂ (99)–Ca₂SiO₄ (1).

Для исследования твердых растворов Ca₃(PO₄)₂–CaSO₄ были получены образцы с соотношениями компонентов (мол. %): 95 : 5, 90 : 10, 85 : 15 и 80 : 20 (фазовая диаграмма для данной системы в литературе отсутствует). Как видно из рис. 2, образец 80 : 20 двухфазный и содержит β-Ca₃(PO₄)₂ и CaSO₄, на дифрактограмме образца 90 : 10 наблюдается пик (3.50 Å), отсутствующий в карточке базы ICDD для β-Ca₃(PO₄)₂ и близкий к максимальному пику CaSO₄, однако второй достаточно интенсивный пик CaSO₄ (2.85 Å) в этом случае не наблюдается, а соотношение интегральных интенсивностей пика 3.50 Å и максимального пика β-Ca₃(PO₄)₂ (2.88 Å) практически одинаково для образцов 95 : 5 и 90 : 10 и резко возрастает при переходе к образцу 85 : 15 и далее к 80 : 20. Учитывая при этом близость пика 3.50 Å к отсутствующему (погасающему для структуры витлокита, пр. гр. R3c) на дифрактограмме незамещенного β-Ca₃(PO₄)₂ пику 118, можно предположить, что образцы 95 : 5 и 90 : 10 однофазные, а 85 : 15 и 80 : 20 двухфазные, а появление погасающего для структуры витлокита пика связано с изменением симметрии при образовании твердого раствора.

Рис. 2.

Дифрактограммы образцов (мол. %): 1 – β‑Ca₃(PO₄)₂ (80)–CaSO₄ (20), 2 – β-Ca₃(PO₄)₂ (90)–CaSO₄ (10).

При этом повышение температуры термообработки данных образцов до 1100°C приводило к исчезновению пиков CaSO₄ и появлению рефлексов ГА Ca₅(PO₄)₃OH тем более интенсивных, чем больше было CaSO₄ в образце. Это позволяет предположить испарение SO₃ из сульфатсодержащего твердого раствора на основе β-ТКФ, а также протекание реакции между упомянутым твердым раствором и CaSO₄, из чего можно сделать вывод о невозможности перевести сульфатсодержащий твердый раствор на основе ТКФ из β- в α-форму. При этом РСМА общего содержания серы показывает, что отжиг при 1100°C, хотя и заметно (примерно в 1.5–2 раза) уменьшает ее содержание, не удаляет серу полностью, что позволяет предположить вхождение сульфата и в структуру апатита.

Полученные образцы замещенных β- и α-ТКФ, затворенные кислотой и водой, также были охарактеризованы методом РФА. На рис. 3, 4 приведены дифрактограммы образцов с замещением кальция на калий или натрий для мольных соотношений 90 : 10, 95 : 5 и 98 : 2. Видно, что затворение приготовленных порошков ортофосфорной кислотой и водой в присутствии твердого ММКФ формирует в качестве основной фазы брушит. Также на дифрактограммах можно увидеть частичное образование фазы монетита как побочной. РФА для β-ТКФ с замещением фосфатного иона на ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ показал (рис. 5), что, как в случае с Na⁺ и K⁺, при затворении H₃PO₄ и H₂O образуются фаза брушита как основная и фаза монетита как примесная.

Рис. 3.

Дифрактограммы образцов цементов, полученных из β-ТКФ с частичным замещением Ca на Na: 2 (1, 2), 5 (3, 4), 10 мол. % NaCaPO₄ (5, 6), затворенных 3 М Н₃РО₄ (1, 3, 5), Н₂О (2, 4, 6).

Рис. 4.

Дифрактограммы образцов цементов, полученных из β-ТКФ с частичным замещением Ca на K: 2 (1, 2), 5 (3, 4), 10 мол. % KCaPO₄ (5, 6), затворенных 3 М Н₃РО₄ (1, 3, 5), Н₂О (2, 4, 6).

Рис. 5.

Образцы цементов, полученных из β-ТКФ с частичным замещением ${\text{РO}}_{4}^{{3 - }}$ на ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$: 10 (1, 2), 5 мол. % CaSO₄ (3, 4), затворенных 3 M H₃PO₄ (1, 3), Н₂О (2, 4).

На рис. 6 представлены результаты РФА для α-ТКФ с замещением фосфата на ${\text{SiO}}_{4}^{{4 - }}.$ Видно, что при получении брушитных цементов из α-ТКФ с ионом ${\text{SiO}}_{4}^{{4 - }}$ преобладающей фазой является монетит. Образование монетита связано с быстрым схватыванием цементной пасты (5 с), получаемой из α-ТКФ, стабилизированного замещением фосфата на силикат.

Рис. 6.

Дифрактограммы образцов цементов, полученных из α-ТКФ с частичным замещением ${\text{РO}}_{4}^{{3 - }}$ на ${\text{SiO}}_{4}^{{4 - }}$: 1 (1, 2), 3 мол. % Ca₂SiO₄ (3, 4), затворенных 3 M H₃PO₄ (1, 3), Н₂О (2, 4).

Различные замещения в α- и β-ТКФ приводят к изменению микроструктуры получаемых фосфатных цементов (рис. 7) и, таким образом, могут быть использованы для ее направленного изменения и связанных с нею свойств (включая механические характеристики и биорезорбируемость). В цементных образцах, полученных из β-ТКФ с частичным замещением Ca на Na (рис. 7а, 7б), образуются плоские частицы микронного размера как в случае затворения фосфорной кислотой, так и при затворении водой в присутствии ММКФ в твердофазной смеси. При замещении в исходном β-ТКФ Са на K частицы имеют игольчатую форму, в случае замещения в β-ТКФ фосфата на ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ также наблюдаются подобные частицы, но меньшего размера. Подобная морфология характерна для частиц брушита CaHPO₄⋅2H₂O и структурно сходного с ним гипса CaSO₄⋅2H₂O. При замещении в ТКФ ${\text{PO}}_{4}^{{3 - }}$ на ${\text{SiO}}_{4}^{{4 - }}$ (такое замещение стабилизирует α-ТКФ) образуется большое количество почти сферических частиц, покрытых наноразмерными иглами, сходными по морфологии с известными в материаловедении силикатных цементов частицами C-S-H-геля.

Рис. 7.

Микрофотографии полученных цементов β- и α-ТКФ с замещением катионов и анионов: Na⁺ (а, б), K⁺ (в, г), ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ (д, е), ${\text{SiO}}_{4}^{{4 - }}$ (ж, з), содержащих 10 мол. % NaCaPO₄, KCaPO₄, CaSO₄ 3 мол. % Ca₂SiO₄ затворенных H₃PO₄ (а, в, д, ж), Н₂О (б, г, е, з).

Времена схватывания получаемых цементов были определены методом Вика (табл. 1). Из представленных данных можно видеть, что по мере увеличения содержания замещающих катионов и сульфатных анионов в β-ТКФ время схватывания также увеличивается. Для α-ТКФ с замещением фосфата на силикат время затвердевания составило около 5 с, так как подобное быстрое схватывание свойственно цементам, получаемым из α-формы ТКФ. Необходимо отметить, что для потенциальных медицинских применений наблюдаемые времена схватывания слишком малы, поэтому требуется добавление в материал замедлителей схватывания.

С целью оценки резорбируемости полученных цементов для всех образцов были проведены измерения pH контактирующей с ними воды в течение 16 сут (для измерений смешивались 1 г цемента и 40 мл H₂O). Установлено, что за время измерений pH водной фазы не уходит в существенно кислую или щелочную область. На рис. 8 можно видеть разнонаправленное, а в ряде случаев – немонотонное изменение pH для различных образцов. Данные изменения могут быть связаны с постепенным переходом брушита в равновесную в этих условиях фазу апатита в случае спада pH, а процессы, идущие с ростом pH, – с реакциями остаточного ТКФ. Согласно данным измерения кислотности водных растворов ТКФ-замещенных цементов, значения pH среды варьировались от 5 до 7.5, что говорит о возможном дальнейшем иcпользовании полученных образцов для биологических испытаний (in vitro на цитотоксичность, in vivo на биосовместимость и для лечения костных дефектов).

Рис. 8.

pH-измерения образцов цементов из замещенных β- (а–в) и α-ТКФ (г), затворенных 3 M H₃PO₄ и H₂O при длительном контакте с водой.

Также был проведен РСМА элементного состава цементных образцов до и после контакта с водой, который показал, что после длительного контакта с водой остаются (не переходят в раствор) некоторые измеримые количества замещающих элементов (натрий, калий и сера), хотя и заметно меньшие, чем в затворенных цементах до выдержки в воде. Для цементов, полученных из ТКФ с частичным замещением фосфата на силикат, после контакта с водой наблюдали полное удаление Si (табл. 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Замещение в Ca₃(PO₄)₂ кальция на Na или K и фосфата на ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ или ${\text{SiO}}_{4}^{{4 - }}$ позволяет управлять микроструктурой и фазовым составом получаемых кальций-фосфатных цементов. Выяснилось, что в случае замещения в ТКФ кальция ионами Na⁺, K⁺, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ в цементном материале образуется фаза брушита как основная, а при замещении ионами ${\text{SiO}}_{4}^{{4 - }}$ преобладающей фазой является монетит. При этом различные типы замещения в ТКФ приводят к формированию различных микроструктур цементов.

Полученные с использованием твердых растворов на основе ТКФ кальций-фосфатные цементы при длительном времени контакта с водой незначительно изменяют pH водной среды, причем значения pH находятся в близком к нейтральному диапазоне (от 5 до 7.5), что показывает перспективность исследуемых материалов для дальнейших биологических испытаний.

Время схватывания цементных паст увеличивается с ростом содержания гетеровалентных заместителей (как катионных, так и анионных) в β-ТКФ, причем для образцов, содержащих К и сульфат, время схватывания при затворении водой в присутствии ММКФ заметно меньше, чем при затворении раствором фосфорной кислоты. Для ТКФ с замещением фосфата на ортосиликат время схватывания остается в пределах 5 с, что характерно для α-ТКФ.

Полученные результаты подтверждают возможность с помощью изоморфных замещений в основном компоненте фосфатных цементов управления микро- и наноструктурными характеристиками цементных материалов.