Журнал прикладной химии. 2022. Т. 95. Вып. 1

НЕОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 546.821:621.793

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА БИОМАТЕРИАЛОВ TiO₂-SiO₂/СаO

СО СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМОЙ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ КАТИОНИТА ТОКЕМ-200

Национальный исследовательский Томский государственный университет, химический факультет,

634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 36

* E-mail: lyutova.tsu@mail.ru

Поступила в Редакцию 13 апреля 2020 г.

После доработки 17 декабря 2021 г.

Принята к публикации 21 декабря 2021 г.

Золь-гель методом из растворов синтезированы биоматериалы на основе катионита Токем-200, со-

держащие частицы сферической формы. Внешний каркас частиц представлен TiO₂-SiO₂, внутренняя

часть заполнена СаО (образец TiO₂-SiO₂/СаO). Карбоксильный катионит Токем-200 характеризуется

высокой избирательностью по отношению к ионам Cа²⁺, что дает возможность использовать его при

разработке биоматериалов, так как кальций участвует в образовании костной ткани. Установлены

условия термообработки образцов с целью получения однородной структуры материала: термо-

обработка (сушка при 60°С), отжиг при 150, 250, 350°С в течение 30 мин на каждой температурной

ступени, отжиг при 600°С в течение 6 ч. В качестве связующей добавки предложено использование

желатина.

Ключевые слова: сферические частицы; композиционный материал; золь-гель синтез; кальций-фос-

фатный материал

DOI: 10.31857/S0044461822010029

Кальций-фосфатные материалы находят широкое

изменяет структуру зерен кальций-фосфатных мате-

применение в медицинской практике благодаря спо-

риалов [4].

собности формировать апатитоподобные структуры,

В последние годы в клинической практике для

эквивалентные по составу и строению минеральной

заполнения костных дефектов широко используются

фазе костной ткани [1]. Недостатками подобных мате-

материалы, содержащие частицы сферической формы

риалов являются низкая растворимость в жидкостях

(диаметр до 0.7 мм) [6, 7]. Использование золь-гель

организма и высокая хрупкость [2]. Модификация

метода синтеза позволяет контролировать размер и

неорганическими компонентами, в частности крем-

форму частиц, образующих сферы на основе оксидов

нием и титаном, позволяет повысить технологиче-

титана и кремния, что позволяет сохранить пори-

скую ценность материалов [2, 3]. Так, присутствие

стость материала и обеспечить доступ физиологиче-

кремния и титана в составе материала ускоряет сра-

ских жидкостей ко всему объему костной ткани [8].

щивание имплантата с костью (остеоинтеграцию) и

Цель работы — получение материалов на основе

существенно повышает скорость остеогенеза in vivo

катионита Токем-200, изучение их состава, морфо-

при имплантировании [4, 5]. Частичное замещение

логии и биологической активности в растворе искус-

фосфатных групп силикатными уменьшает размер и

ственной плазмы крови.

Синтез и свойства биоматериалов TiO₂-SiO₂/СаO со сферической формой частиц на основе катионита Токем-200

Экспериментальная часть

лей проводили при комнатной температуре в течение

3 сут. Растворы для приготовления материалов храни-

Исходные реагенты: бутиловый спирт (х.ч., АО

ли при 25°С. Кальцийсодержащие образцы катионита

«Экос-1»), тетраэтоксисилан (ос.ч., АО «Экос-1»),

Токем-200 погружали в агрегативно-стабильный золь

Н₃РО₄ (ос.ч., ООО «СГС Хим»), Са(NО₃)₂ (ч.д.а.,

на 12 ч с последующей экстракцией и сушкой при

ООО «Компонент-Реактив»), тетрабутоксити-

60°С в течение 60 мин. После сушки каждый образец

тан (ос.ч., Acros Organics BVBA), NaOH (ос.ч.,

подвергали ступенчатой термообработке при 150,

ООО «СГС₃ (ч.д.а., ОАО «ОХК

250, 350°С в течение 30 мин на каждой температур-

«Уралхим»), мурексид (ТОО «Алита»), NaHCO₃

ной ступени и при 600°С в течение 6 ч.

(ос.ч., ООО «Компонент-Реактив»), Na₂SO₄ (ос.ч.,

Инфракрасные спектры образцов были получены

ООО «Компонент-Реактив»), NaН₂PO₄ (ч.д.а., АО

с помощью Фурье-спектрометра Nicolet 6700 (Thermo

«Реатэкс»), MgCl₂·6H₂O (ос.ч., «ООО Компонент-

Scientifc) в области 4000-400 см^-1. Термический анализ

Реактив»), NaCl (ос.ч., АО «Кольская ГМК»).

проводили на анализаторе TGA/DSC/DTA STA 449C

Для получения биоматериалов были выбраны

(Jupiter) при линейном нагреве до 1000°C (скорость

кальцийсодержащие образцы катионита Токем-200

нагрева 10 град·мин^-1) в потоке воздуха 100 мл·мин^-1.

(слабокислотный пористый катионит на основе

Структуру и химический состав образцов исследовали

акрил-дивинилбензола с размером зерна 0.315-

методами сканирующей электронной микроскопии,

1.600 мм, ООО «НПО Токем») из-за высокой селек-

энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии

тивности по отношению к Са²⁺. Полную обменную

с помощью электронного микроскопа Hitachi TM-

и сорбционную емкости катионитов определяли

3000 (Thermo Fisher Scientifc) с приставкой ShiftED

сорбционными методами. Для определения влагосо-

3000 для микрорентгеноспектрального анализа.

держания навеску катионита Токем-200 помещали в

Оценку способности формировать кальций-фос-

предварительно высушенный до постоянной массы

фатный слой на поверхности полученных материа-

взвешенный бюкс. Бюкс с катионитом взвешивали

лов изучали in vitro, выдерживая образцы в растворе

на аналитических весах (AND GR-200) и помещали в

искусственной плазмы крови при температуре 37°С

сушильный шкаф. Высушивали до постоянной массы

и рН 7.4 в течение 14 сут по методике, предложенной

при 100°С в сушильном шкафу, охлаждали до комнат-

Кокубо [9].

ной температуры и вновь взвешивали. Массовую до-

лю влаги в катионите W (%) рассчитывали по формуле

Обсуждение результатов

W =

·100,

В основу выбора катионита для получения мате-

риалов со сферической формой частиц были поло-

где m₁ — масса набухшего ионита (г), m₂ — масса

жены результаты исследований физико-химических

сухого ионита (г).

свойств Токем-200 и его избирательности к Cа²⁺.

Содержание Са²⁺ определяли методом комплексо-

Установлено, что значение полной обменной емко-

нометрического титрования с индикатором мурексид.

сти катионита Токем-200 10.25 ± 0.27 ммоль·г^-1, а

Катионит Токем-200 массой 0.1 г титровали раство-

сорбционной емкости — 8.60 ± 0.08 ммоль-экв·г^-1,

ром 0.1 М NaOH. После установления равновесия

(~5 ч) измеряли рН растворов на рН-метре ИТАН

(ООО «НПП Томьаналит»). Избирательность погло-

щения катионита Токем-200 к Cа²⁺ изучена методом

построения изотерм сорбции в интервале концен-

траций ионов (0.1-1)·10^-2 ммоль·мл^-1 из растворов

нитратов металлов с рН ~ 4.5. Ионную силу раствора

поддерживали постоянной 0.1 добавлением NaNO₃.

Растворы для получения материалов по золь-гель

технологии готовили смешиванием растворителя

(бутанола) и кислотного катализатора поликонден-

сации — фосфорной кислоты (c = 2.5·10^-3 моль·л^-1).

Затем в раствор бутанол-фосфорная кислота вносили

смесь тетрабутоксититана (c = 0.1 моль·л^-1) и тетра-

Рис. 1. Кривая рН-метрического титрования катионита

этоксисилана (c = 2.2·10^-2 моль·л^-1). Созревание зо-

Токем-200.

Борило Л. П. и др.

что составляет 84% от полной обменной емкости,

При разложении катионита, содержащего Са²⁺

влагосодержание составляет 54.0 ± 0.5%. Данные

(рис. 2, б), фиксируется дополнительный пик

результаты свидетельствуют о том, что большая часть

(Т_mах = 542°С), что свидетельствует об образовании

функциональных групп катионита участвует в сор-

СаО. Термограмма образца катионита Токем-200 с

бционном процессе.

Са²⁺ и нанесенным золем (рис. 2, в) практически

На кривой рН-метрического титрования сорбента

не отличается от термограммы разложения катио-

Токем-200 (рис. 1) присутствуют хорошо выраженные

нита Токем-200 в отсутствие золя (рис. 2, б), что,

две точки перегиба, что можно объяснить энерге-

возможно, связано с незначительным количеством

тической неоднородностью ионогенных групп [6].

осажденного золя. Температура разложения образца

Небольшой подъем на начальном участке кривой свя-

Токем-200 с Са²⁺ и нанесенным золем составляет

зан с наличием внутримолекулярного взаимодействия

600°С.

функциональных групп. Точка перегиба в щелочной

Наличие характерных полос на ИК-спектрах

области свидетельствует о слабокислотном характере

(рис. 3) доказывает присутствие воды и органических

активных групп.

соединений в образцах после термической обработки

Можно выделить ряд процессов, протекающих в

и при 60, и при 600°С. Полосы поглощения в интер-

ходе термической обработки полученных материалов

вале 1794.3-1540.0 см^-1 соответствуют колебаниям

со сферической формой частиц (рис. 2). При Т_mах =

молекулы воды. Полосы поглощения в диапазоне

= 190°С (рис. 2, а) происходит сгорание катионита с

1448.2-1319.3 см^-1 соответствуют деформационным

образованием воды и оксида углерода(IV). При тем-

колебаниям —СН₂, —СН₃. Это свидетельствует о

пературах выше 400°C структура катионита разруша-

том, что из материала выделяется адсорбированная

ется, что сопровождается экзотермическим эффектом

вода, которая инициирует реакцию гидролиза поли-

при 461°C.

силоксанов, находящихся на поверхности [8, 10].

Рис. 2. Данные термогравиметрического анализа образцов Токем-200 (а), Токем-200 с Са²⁺ (б), Токем-200 с Са²⁺ и

нанесенным золем (в).

Рис. 3. ИК-спектры Токем-200 с Са²⁺ и нанесенным золем после термической обработки при 60 (а), 600°C (б).

Синтез и свойства биоматериалов TiO₂-SiO₂/СаO со сферической формой частиц на основе катионита Токем-200

Полосы поглощения в интервалах 871-859, 1060-

соответствующая валентным симметричным колеба-

1038 см^-1 соответствуют валентным асимметричным

ниям Si—O—Si и P—O—P.

колебаниям Si—O—Si, валентным симметричным

После термической обработки образцов Токем-200

колебаниям Si—O—P. При температурной обработке

с Са²⁺ и нанесенным золем при 60°С фиксируется поло-

600°С фиксируется полоса поглощения 712.1 см^-1,

са поглощения 769.3 см^-1, характерная для валентных

Рис. 4. Микрофотографии образцов Токем-200 с Са²⁺ и нанесенным золем до (а, б) и после (в, г) погружения в рас-

твор искусственной плазмы крови, и распределение элементов по поверхности образцов до погружения в раствор

искусственной плазмы крови (д).

Борило Л. П. и др.

колебаний Ti—O, после термической обработки образ-

натрия и кремния способствуют ускорению процесса

цов Токем-200 с Са²⁺ и нанесенным золем при 600°С

восстановления костной ткани [8].

фиксируется полоса поглощения 456.3 см^-1, которая

На поверхности материала, находящегося в рас-

соответствует деформационным колебаниям Ti—O.

творе искусственной плазмы крови, происходят как

Полосы поглощения 1078-1040, 965-930, 950-920,

химические, так и структурные изменения, что ведет

620-590, 380 см^-1 соответствуют ν_sym Si—O—Ti.

к увеличению рН раствора, находящегося вблизи по-

Группа полос в области 680-780 см^-1 отнесена к

верхности материала. В момент погружения образцов

симметричным колебаниям мостиковых связей

в физиологический раствор наблюдался стремитель-

Si—O—Si в [SiO₄]-тетраэдрах. Полосы поглощения

ный рост рН среды: в первые сутки рН вырос до 8.9,

в низкочастотной области 550-400 см^-1 связаны с

затем возрастание было не столь существенным (до

деформационными колебаниями концевых связей

9.5). Рост рН свидетельствует о высокой реакцион-

O—Si—O и колебаниями связей кальция с кислоро-

ной способности исследуемых образцов и кристал-

дом в [CaO₆]-октаэдрах [10].

лизации кальций-фосфатного слоя на поверхности

Полученный материал характеризуется регу-

материала [11, 12].

лярной структурой со сферической формой частиц

Для скрепления сферических частиц между собой

(рис. 4, а, б) TiO₂-SiO₂, каркас равномерно закре-

при введении в биосреду необходима связующая до-

плен на катионите (рис.4, д). Термическая обработка

бавка. В данной работе в качестве связующей добавки

гибридных мезоструктур приводит к формированию

был выбран желатин из-за инертности последнего по

мезопористых материалов со специфической регуляр-

отношению к исследуемому образцу. Исследуемые

ной структурой в нанометровом диапазоне и высоко-

образцы помещали в желатин, а затем погружали в

развитой поверхностью, что важно для закрепления

раствор искусственной плазмы крови, что привело к

биологических клеток на поверхности материалов

формированию на поверхности образцов высокопори-

при введении в биосреду.

стых рыхлых частиц, поверхностный состав при этом

На поверхности образцов, погруженных в раствор

искусственной плазмы крови, присутствуют рыхлые

частицы, наличие которых благоприятно для формиро-

вания прочного соединения имплантата с костью (рис.

4, в, г). После выдержки образцов в искусственной

плазме крови происходит минерализация и осаждение

кристаллов кальций-фосфатных соединений на актив-

ных центрах поверхности покрытия, о чем свидетель-

ствует рост содержания ионов кальция и фосфора в

образце Токем-200 с Са²⁺ и нанесенным золем (рис. 5).

После погружения в раствор искусственной плаз-

мы крови на поверхности образца обнаруживают-

ся ионы натрия, что свидетельствует об осаждении

компонентов раствора на поверхность образца. Ионы

Рис. 5. Элементный состав поверхности образцов

Рис. 6. Микрофотографии поверхности образцов

Токем-200 с Са²⁺ и нанесенным золем до (1) и после (2,

Токем-200 с Са²⁺ и нанесенным золем после погружения

3) погружения в раствор искусственной плазмы крови:

в раствор искусственной плазмы крови в присутствии

без добавок (1, 2), в присутствии желатина (3).

желатина.

Синтез и свойства биоматериалов TiO₂-SiO₂/СаO со сферической формой частиц на основе катионита Токем-200

не изменяется (рис. 5, 6). Таким образом, желатин до-

апатита // Неорган. материалы. 2017. Т. 53.

пустимо использовать в качестве связующей добавки.

№ 12. С. 1284-1291 [Smirnov V. V., Antonova O. S.,

Smirnov S. V., Goldberg M. A., Komlev V. S.,

Barinov S. M. Effect of titanium and zirconium

Выводы

substitutions for calcium on the formation and

structure of tricalcium phosphate and hydroxyapatite //

Золь-гель методом получены материалы на осно-

Russ. J. Inorg. Mater. 2017. V. 53. N 12. Р. 1254-1260.

ве катионита Токем-200 с Са²⁺ и нанесенным золем,

https://doi.org/10.7868/s0002337x17120065].

характеризующиеся регулярной структурой и высо-

[4]

Ortega B., Gardner C., Roberts S., Chung A., Wang J.,

коразвитой поверхностью. На поверхности образ-

Buser Z. Ceramic biologics for bony fusion — a

цов Токем-200 с Са²⁺ и нанесенным золем находятся

journey from frst to third generations // Crit. Rev.

активные центры (Si⁴⁺, Ti⁴⁺), которые способству-

Musc. Medic. 2020. V. 13. N 4. Р. 530-536.

ют минерализации и осаждению кристаллов каль-

https://doi:org/10.1007/s12178-020-09651-x

ций-фосфатных соединений на поверхность матери-

[5]

Li H., Chang J. Stimulation of proangiogenesis by

алов в биологических средах. В качестве связующей

calcium silicate bioactive ceramic // Acta Biomater.

добавки для скрепления сферических частиц между

2013. V. 9. P. 5379-5389.

собой при введении в биосреду допустимо использо-

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.10.019

[6]

Борило Л. П., Козик В. В., Лютова Е. С., Жарко-

вать желатин, так как он не влияет на поверхностный

ва В. В., Бричков А. С. Получение и свойства сфе-

состав образцов.

рических биоматериалов для системы TiO₂-SiO₂/

СаO с использованием золь-гель метода // Стекло

Финансирование работы

и керамика. 2019. Т. 76. № 8. С. 44-50 [Borilo L. P.,

Результаты получены в рамках государствен-

Kozik V. V., Lyutova E. S., Zharkova V. V., Brichkov A. S.

ного задания Министерства образования и науки

Sol-gel production and properties of spherical

Российской Федерации, проект № 0721-2020-0037.

biomaterials for the system TiO₂-SiO₂/CaO // Russ.

J. Glass Ceram. 2019. V. 76. N 7-8. Р. 315-320.

https://doi.org/10.1007/s10717-019-00191-6].

Конфликт интересов

[7]

Li X., Wang M., Deng Y., Xiao Y., Zhang X. Fabrication

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

and properties of Ca-P bioceramic spherical granules

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

with interconnected porous structure // ACS Biomater.

Sci. Eng. 2017. V. 3. N 8. P. 1557-1566.

https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.7b00232

Информация об авторах

[8]

Balamurugan A., Sockalingum G., Michel J., Faurй J.,

Борило Людмила Павловна, д.т.н., проф.,

Banchet V., Wortham L., Bouthors S., Laurent-

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8639-0198

Maquin D., Balossier G. Synthesis and characterisation

Лютова Екатерина Сергеевна, к.т.н.,

of sol gel derived bioactive glass for biomedical

ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8493-4537

applications // Mater. Lett. 2006. N 60. Р. 3752-3757.

Козик Владимир Васильевич, д.т.н., проф.,

https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.03.102

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8112-258

[9]

Kokubo T., Takadama H. How useful is SBF in

predicting in vivo bone bioactivity? // Biomaterials.

2006. V. 27. P. 2907-2915.

Список литературы

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006.01.017

[1] Przekora А. Current trends in fabrication of biomaterials

[10]

Vijayalakshmi U., Rajeswari S. Preparation and

for bone and cartilage regeneration: Materials

characterization of microcrystalline hydroxyapatite

modifications and biophysical stimulations // Int. J.

using sol gel method // Trends Biomater. Artif. Org.

Mol. Sci. 2019. V. 20. ID 435.

2006. V. 19. N 2. P. 57-62.

https://doi.org/10.3390/ijms20020435.

[11]

Bjоrnоy S. H., Bassett D. C., Ucar S., Andreassen J.-P.,

[2] Aslanidou M., Vaimakis T., Mitsionis A., Trapalis C. A

Sikorski P. A. A correlative spatiotemporal microscale

novel approach on the preparation of biphasic calcium

study of calcium phosphate formation and

phosphate bioceramics under physiological conditions.

transformation within an alginate hydrogel matrix //

The effect of the starting material // Ceram. Int. 2013.

Acta Biomater. 2016. N 44. P. 254-266.

V. 39. Р. 539-546.

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2016.08.041

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.06.060

[12]

Borilo L. P., Lyutova E. S., Spivakova L. N. Study of

[3] Смирнов В. В., Антонова О. С., Смирнов С. В.,

biological properties of thin-flm materials on the basis

Гольдберг М. А., Комлев В. С., Баринов С. М. Влияние

of the SiO₂-P₂O₅-CaO system // Key Eng. Mater.

замещений кальция на титан и цирконий на фазообра-

2016. N 683. 427-432. https://doi.org/10.4028/www.

зование и структуру трикальцийфосфата и гидрокси-

scientifc.net/KEM.683.427