Неорганические материалы, 2020, T. 56, № 10, стр. 1065-1073

ВВЕДЕНИЕ

Биологический гидроксиапатит (ГАП) является основным минеральным ингредиентом костной ткани животных и человека, причем находится он в ткани в виде нанокристаллов, связанных с коллагеном [1]. В связи с этим остается актуальным определение характеристик нанокристаллов ГАП и состояния молекул биологически активных веществ и ионов, адсорбированных на их поверхности.

Живой организм производит биологический ГАП для использования в качестве структурного компонента в костях. Синтетический ГАП имеет тот же химический состав, что и биологический (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), и отражает многие свойства натуральной костной ткани [2, 3]. Кроме того, в костях содержатся и другие ионы, например, Na⁺, Mg²⁺, K⁺, Cl^–. Особую роль играют ионы магния. Контроль и поддержание гомеостаза магния важны для сохранения целостности костной ткани. В норме структура кости постоянно ремоделируется путем координирования взаимодействий между остеокластами и остеобластами. Дисбаланс их функционирования приводит к преобладанию процессов резорбции (разрушения) кости, ухудшению ее структуры, уменьшению плотности и, как следствие, возникновению остеопороза. Непосредственно сам синтетический нанокристаллический ГАП успешно используется для лечения больных с различными переломами костей [4]. Вместе с тем, применение ГАП, допированного ионами Mg²⁺ [2, 3, 5], способствует увеличению активности остеобластов под воздействием ферментной системы организма, что усиливает репаративные возможности последнего. Однако доступность магния при его введении методом сокристаллизации [2] существенно ниже, чем при его адсорбции на поверхности нанокристаллов ГАП. В связи с этим актуально изучение особенностей сорбционного взаимодействия магния с ГАП и его состояния на поверхности нанокристаллов сорбента. В качестве метода, характеризующего элементный состав и электронное строение поверхностного слоя кристаллов, используется рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) [6–8].

Цель работы состояла в изучении механизма адсорбции ионов Mg²⁺ на поверхности нанокристаллов ГАП [6] и построении изотермы адсорбции при изменении равновесной концентрации магния от 0 до 0.35 моль/л, при этом методом РФЭС определяли как количество ионов магния в поверхностном слое сорбента, так и степень окисления элементов, а также в оценке доли поверхностных ионов магния по сравнению с их общим количеством, перешедшим в процессе взаимодействия с ГАП в твердую фазу.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Нанокристаллический сорбент. В качестве наносорбента в данных исследованиях использовали 5.5%-ную водную суспензию ГАП, полученную по методике [6]. Нанокристаллы имели следующие средние размеры: длину l 62 ± 30 нм, ширину d 15 ± 7 нм и толщину h от 1 до 3 кристаллографических трансляций элементарной ячейки ГАП (~0.8–2.4 нм). Расчетная (геометрическая) удельная поверхность нанокристаллов в суспензии составляла ~900 м²/г, однако из-за агрегации наночастиц между собой ее реальная величина существенно меньше – ~170 м²/г [6, 7]. Рентгенограмма нанокристаллов ГАП приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Рентгенограмма нанокристаллического ГАП.

Изотерма адсорбции Mg²⁺ на ГАП. В эксперименте определенную навеску суспензии ГАП помещали во флакон емкостью 12 мл, добавляли рассчитанные объемы растворов хлорида магния и воды. Образцы помещали на орбитальный шейкер SkyLine Shaker S-3.08L (Elmi, Латвия) и перемешивали в идентичных условиях. После достижения равновесия (спустя 2 суток) фазы разделяли центрифугированием и остаточную концентрацию магния в растворе определяли с использованием спектрофотометра SHIMADZU UV-1280 при длине волны 540 нм. Содержание магния определяли с помощью специального реагента, основной компонент которого трис(гидроксиметил)аминометан.

Для построения изотермы адсорбции было взято 20 точек с различным соотношением ГАП и хлорида магния. Полученная изотерма адсорбции представлена на рис. 2 (А – величина адсорбции в моль Mg/моль ГАП, С_р – равновесная концентрация Mg в моль/л).

Рис. 2.

Изотерма сорбции из раствора ионов Mg²⁺ на нанокристаллический ГАП: А – величина адсорбции в моль Mg/моль ГАП, С_р – равновесная концентрация Mg в моль/л; на изотерме указаны номера точек, для которых отобранные образцы были изучены методом РФЭС.

Приготовление образцов для изучения методом РФЭС. Образцы для РФЭС готовили следующим образом: после установления адсорбционного равновесия в изучаемой системе маточный раствор отделяли от твердой фазы центрифугированием при 6000g. Затем брали покровное стекло, обезжиривали его поверхность ацетоном и наносили на него небольшое количество твердой фазы, оставшееся после центрифугирования. Нанокристаллы ГАП распределяли равномерно по покровному стеклу, высушивали при 50°С и остаток воды отгоняли на форвакуумном насосе в течение 2 ч в эксикаторе. При этом на подложке покровного стекла (10 × 10 мм) формировался слой нанокристаллов толщиной 1.5 мм на площади 7 × 7 мм². В результате для РФЭС были подготовлены следующие образцы: 1 – чистый ГАП (получен центрифугированием исходной суспензии), 2 (ГАП-4), 3 (ГАП-12), 4 (ГАП-15) и 5 (ГАП-19) соответствуют точкам на изотерме адсорбции (см. рис. 2).

Получение РФЭС. РФЭС изученных образцов были получены на спектрометре Kratos Axis Ultra DLD с использованием монохроматического AlK_α-излучения (hν = 1486.6 эВ) при мощности 150 Вт рентгеновской трубки, давлении 1.3 × 10^–7 Па и комнатной температуре. Площадь анализа равна 300 × 700 мкм². Калибровка спектрометра была проведена относительно положения пиков Au4f_7/2 (83.96 эВ) и Cu2p_3/2 (932.62 эВ) остовных уровней для металлов чистого золота и меди. Спектры были получены в энергетическом постоянном окне с энергией прохождения 20 эВ и шагом 0.05 эВ. Разрешение спектрометра, измеряемое как полная ширина на полувысоте (FWHM) максимума линии Au4f_7/2-электронов, была равна 0.65 эВ. Энергии связи (E_b) были измерены относительно E_b C1s-электронов углеводородов, адсорбированных на поверхности образца, которая была принята равной 285.0 эВ. Ошибка в определении энергии связи и ширины линий не превышала ±0.05 эВ, а погрешности в определении относительной интенсивности линий ±5%. Фон, связанный с вторично рассеянными электронами, вычитался по методу Ширли [8].

Был проведен количественный элементный анализ поверхностных слоев изученных образцов толщиной в несколько нанометров (~3–5 нм [9]). Он основан на том, что спектральная интенсивность пропорциональна количеству определяемых атомов в исследуемом образце. Было использовано следующее соотношение: n_i/n_j = (S_i/S_j)(k_j/k_i), где n_i/n_j – относительная концентрация исследуемых атомов, S_i/S_j – относительная спектральная интенсивность, k_j/k_i – относительный экспериментальный коэффициент чувствительности. В работе использованы следующие коэффициенты по отношению к С1s: 1.00 (С1s), 2.81 (O1s), 6.59 (Ca2p), 1.75 (P2p), 3.21 (Cl2p), 8.13 (Mg1s).

Для идентификации линий спектров ГАП и Mg использовали энергии связи электронов для эталонных образцов: 1304.8 и 51.5 эВ для Mg1s- и 2p-электронов (MgCl₂ ⋅ 6H₂O); 1302.7 и 49.5 эВ для Mg1s- и 2p-электронов (Mg(OH)₂); 1303.9 и 50.8 эВ для Mg1s- и 2р-электронов (MgO) [11]; 346 и 347.3 эВ для Ca2p_3/2-электронов (СаО и СаСО₃) [10, 11]; а также данные для MgCl₂ ⋅ 6H₂O и Mg(OH)₂, полученные в настоящей работе (табл. 1). Во всех случаях были получены обзорные и детализированные спектры валентной зоны в интервале от 0 до 50 эВ, а также наиболее интенсивные линии остовных электронов магния, кальция и фосфора, линии О1s- и С1s-электронов кислорода и углерода.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

В обзорном РФЭС (рис. 3) нанокристалла ГАП (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) в интервале энергий связи Е_b от 0 до 1250 эВ возникают относительно узкие линии атомов Са, Р и О. В нем также наблюдаются линии C KLL и O KLL оже-электронов углерода и кислорода и линии C1s- и Na1s-электронов углерода и натрия. Адсорбция магния на поверхности нанокристаллического ГАП приводит к появлению в обзорном спектре линий Mg1s-, Mg2s- и Mg2p-электронов, уменьшению интенсивности линии Na1s-электронов и возникновению основной линии Mg KLL оже-электронов при 299.3 эВ. На основании интенсивностей линий с учетом коэффициентов чувствительности проведен элементный химический анализ поверхности изученных образцов (табл. 2).

Рис. 3.

Обзорные РФЭС: а – спектр недопированного ГАП, б – спектр образца с адсорбированным Mg (ГАП-12).

Значения энергий связи валентных и остовных электронов и ширины линий на их полувысоте приведены в табл. 1. Там же приведены характеристики спектров эталонных образцов [10]. В Базе данных РФЭС [11] приведены значения энергии связи Ca2p_3/2-электронов, равные 346.1 эВ для СаО и 347.4 эВ для CaСО₃, которые хорошо согласуются с данными [10].

Спектры валентных и остовных электронов некоторых изученных образцов ГАП, ГАП-4, 12, 15, 19 представлены на рис. 3–6.

Рис. 4.

РФЭС валентных электронов: а – спектр недопированного ГАП, б – спектр образца с адсорбированным Mg (ГАП-12).

Рис. 5.

РФЭС О1s-электронов: а – спектр недопированного ГАП, б – спектр образца с адсорбированным Mg (ГАП-12).

Рис. 6.

РФЭС Mg1s-электронов: а – спектр недопированного ГАП, б – спектр образца с адсорбированным Mg (ГАП-12).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В обзорном РФЭС ГАП, так же как и в спектре ГАП-12 (рис. 3), наблюдаются все линии элементов Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ и линия C1s-электронов углеводородов, адсорбированных на поверхности из воздуха. Кроме того, в спектре образца ГАП-12 наблюдаются линии Mg1s-, 2s-, 2p-электронов адсорбированного магния (рис. 3).

В низкоэнергетической области спектра ГАП наблюдаются линии электронов внешних валентных молекулярных орбиталей (ВМО) от 0 до ~15 эВ и внутренних ВМО от ~15 до ~35 эВ. Наиболее интенсивные максимумы появляются в области энергий связи O2s- и Ca3p-электронов. Структура спектра электронов внешних и внутренних ВМО ГАП, как и следовало ожидать, слабо изменяется при адсорбции небольшого количества магния (рис. 4). Спектр электронов внешних ВМО содержит ряд характерных максимумов. Спектр Mg3s-электронов ГАП-12 имеет малую интенсивность по сравнению со спектрами электронов внешних ВМО ГАП (рис. 4).

Со стороны больших энергий связи электронов внешних ВМО для ГАП-12 при 16.5 эВ наблюдается малоинтенсивный максимум Cl3s-электронов хлора (рис. 4). Со стороны малых энергий связи от линии Ca3p-электронов при 23.1 эВ наблюдается линия O2s-электронов, участвующих в химической связи с образованием внутренних ВМО, тогда как состояния O2p-электронов образуют внешнюю валентную зону. В структуру спектра электронов внешних ВМО заметный вклад вносят состояния P3s-электронов при 12.2 и 23.1 эВ, а состояния P3p-электронов вносят вклад в максимум при 9.8 эВ. Из-за участия в химической связи O2s-электронов их спектр уширен по сравнению с линией O1s-электронов и состоит из нескольких компонент. Структура в области Ca3p- и O2s-электронов связана с участием их оболочек в образовании внутренних ВМО. Ширина валентной полосы у потолка зоны, равная 8.6 эВ для ГАП, и ее структура практически не изменяются с адсорбцией магния. Аналогичная структура наблюдается и в спектрах других образцов ГАП, содержащих Mg. Регистрация валентной области, которая является одной из спектральных характеристик образования нанокристаллической структуры ГАП, важна и для того, чтобы с уверенностью заключить, что на поверхности образца практически отсутствуют неконтролируемые примеси, которые могли появиться в процессе адсорбции магния.

Состав поверхности изученных образцов был определен на основании энергий связи остовных электронов и интенсивностей их линий для ионов: Ca2p-, P2p-, Mg2р-, Mg1s-, Cl2p-, O1s- и C1s-электронов (см. табл. 1, 2). Следует отметить, что энергии связи Mg2s- и Mg2p-электронов и ширина линий магния, адсорбированного на ГАП, превосходят соответствующие значения для MgO (табл. 1). Это обусловлено тем, что магний в ГАП может быть связан с кислородом фосфатной группы ${\text{PO}}_{{\text{4}}}^{{{\text{3}} - }}$ или карбонатной группы ${\text{CO}}_{{\text{3}}}^{{{\text{2}} - }}$ на поверхности. Фосфатные группы в ГАП образуют устойчивые тетраэдры, состояние фосфора в которых мало отличается у разных образцов. Действительно, энергия связи Р2р-электронов ГАП не изменяется при адсорбции магния. Поэтому при количественном элементном анализе образцов 1–5 использовали величины интенсивностей линий электронов других элементов по отношению к интенсивности линии P2p-электронов (см. табл. 2). В этом случае наблюдается меньшее содержание кальция в ГАП (образец 1) по сравнению с расчетным значением. Отметим, что экспериментальный состав ГАП в пределах ошибки измерения согласуется с рассчитанным (табл. 2). Дальнейшее уменьшение содержания кальция происходит при адсорбции магния (образцы 2–5). Можно предположить, что магний частично замещает кальций в ГАП.

В качестве эталонных образцов (6–10) для сравнения их энергий связи с энергиями связи изученных образцов (1–5) использовали соединения MgCl₂, Mg(OH)₂, MgO, CaO, CaCO₃ (табл. 1). Из данных табл. 1 видно, что энергии связи Mg2p- и Mg1s-электронов по своим значениям ближе всего к соответствующим величинам для MgCl₂ и заметно больше соответствующих величин для Mg(OH)₂ и MgO. С увеличением концентрации магния на поверхности образцов (см. табл. 2) наблюдается заметное уширение линии Mg2p-электронов (см. табл. 1). При этом количество атомов хлора становится сравнимым с числом атомов магния (см. табл. 2). Это позволяет предположить, что при адсорбции магния в начальный момент он частично замещает атомы кальция в ГАП, а 10-я (0.15MgCl₂/1.5Mg) часть находится в виде MgCl₂. Увеличение адсорбированного магния на поверхности приводит к тому, что примерно половина атомов находится в виде MgCl₂ (см. табл. 1).

РФЭС Ca2p-электронов ГАП состоит из дублета, связанного со спин-орбитальным расщеплением с ∆E_sl = 3.5 эВ. Со стороны больших энергий связи от линии Са2р_3/2-электронов наблюдается сателлит небольшой интенсивности (~1%) при 7.8 эВ. При адсорбции магния структура этого спектра изменяется незначительно (см. табл. 1). Энергия связи Са2р_3/2-электронов ГАП E_b(Ca2p_3/2) = 347.6 эВ остается практически постоянной для изученных образцов. Она превышает соответствующее значение для CaO и даже несколько больше значения для CaCO₃. Энергия связи Cl2p_3/2-электронов в изученных образцах (2–5) практически не отличается от соответствующего значения для MgCl₂ (см. табл. 1).

В спектрах С1s-электронов изученных образцов (1–5) кроме мало интенсивной линии при 285.0 эВ, обусловленной насыщенными углеводородами на поверхности, наблюдается линия карбонатной группы ${\text{СО}}_{{\text{3}}}^{{{\text{2}} - }}$ при ~290.0 эВ (см. табл. 1). Концентрация углерода этой группы приведена в табл. 2. Ее концентрация изменяется при переходе от одного образца к другому, и она может участвовать в образовании связи с магнием.

Спектры O1s-электронов изученных образцов содержат одну основную линию, со стороны больших энергий связи от которой наблюдается плечо небольшой интенсивности (рис. 5). Это связано с присутствием на поверхности образцов кислорода гидроксильных групп и воды. Величина энергии связи ~531.4 эВ относится к гидроксильным группам и мостиковым ионам кислорода преимущественно связей P–O–P при наличии определенного вклада связей P–O–Ca и P–O–Mg, а величины энергии связи ~533.0 эВ – к воде в ГАП и адсорбированной на поверхности. Концентрация кислорода тетраэдра ${\text{РО}}_{{\text{4}}}^{{{\text{2}} - }}$ и воды, отмеченная в виде суммы в табл. 2, изменяется с увеличением адсорбции магния на ГАП. С учетом выражения

были оценены длины связей R_Э–O(нм) элемент–кислород. Эти величины для энергий связи O1s-электронов 531.4 и 533.0 эВ (см. табл. 1) соответственно равны 0.189 и 0.167 нм и характеризуют длины связей элемент–кислород на поверхности изученных образцов. Указанные значения являются усредненными для всех длин связей (P–O, Ca–O, Mg–O), присутствующих в рассматриваемых образцах. Выражение (1) получено для оксидов металлов в октаэдрическом окружении, каким является MgO с E_b(O1s) = 530.1 эВ (см. табл. 1). Учитывая выражение (1), для MgO можно найти, что R_Mg–O = 0.212 нм. Эта величина сравнима с суммой ионных радиусов R(O^2–) = 0.136 нм и R(Mg²⁺) = 0.074 нм, равной 0.210 нм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изучена адсорбция ионов Mg²⁺ на нанокристаллах ГАП и построена ее изотерма при изменении равновесной концентрации магния от 0 до 0.35 моль/л. Для образцов, соответствующих отдельным участкам изотермы, методом РФЭС определена степень окисления элементов поверхности кристаллов ГАП с адсорбированным магнием. Проведено сравнение полученных результатов с данными изотермы адсорбции.

Результаты сравнения дали возможность предположить, что на начальном этапе адсорбции ионы магния частично замещают ионы кальция в ГАП, а меньшая часть адсорбируется в виде MgCl₂. С увеличением концентрации ионов магния в растворе концентрация ионов магния на поверхности растет и соотношение между адсорбированными ионами магния и ионами в MgCl₂ увеличивается до 1 : 1.

Как и следовало ожидать, концентрация ионов магния на поверхности значительно меньше величин, соответствующих изотерме адсорбции. Это связано с тем, что в методе РФЭС регистрируются только те электроны, которые выходят с глубины в несколько нм, остальная часть ионов магния в объеме остается “невидимой” для этого метода.

Полученные результаты объясняют механизм сорбционного взаимодействия нано-ГАП с ионами магния в широких пределах равновесных концентраций последнего, что необходимо для создания препаратов медицинского назначения на основе ГАП и магния.