Журнал неорганической химии, 2022, T. 67, № 9, стр. 1266-1273

ВВЕДЕНИЕ

Неорганические материалы занимают ключевое место в создании современных биоматериалов, представляющих основу биотехнологий для потребностей персонализированной медицины [1]. Быстрорастущие темпы развития современной индустрии биоматериалов призваны улучшить качество жизни и долголетие людей. Важной задачей химического синтеза является получение биоматериалов высокой степени чистоты с применением доступных ресурсосберегающих технологий, в частности, основанных на использовании природного возобновляемого сырья, включая ресурсы мирового океана [2]. Например, морские губки, кораллы, скелеты морских ежей и каракатиц, морских раковин и многое другое являются превосходными сырьевыми источниками неорганических соединений как для получения биосовместимых материалов высокой чистоты [2, 3], так и в качестве темплатов для создания биоструктур сложной архитектуры [4]. Аналогично следует рассматривать и растительное сырье или отходы его переработки, которые являются объектом ценных компонентов для химического синтеза: цитрусовые, злаковые, орехоплодные и другие культуры [5–7].

Учитывая вышесказанное, в настоящей работе рассматривается возможность применения природного возобновляемого сырья в виде морских раковин как источника карбоната кальция (CaCO₃) с целью синтеза химически чистого волластонита различной модификации (CaSiO₃). Синтетический волластонит широко используется в качестве биоактивной основы и наполнителя при изготовлении керамических имплантатов для костной реконструктивной и регенеративной хирургии в стоматологии, ортопедии, челюстно-лицевой пластике и др. [8–10]. Востребованность волластонита для биомедицинских задач определяется его гидрофильной природой, которая способствует образованию слоя апатита на его поверхности в условиях пребывания в биоорганической среде, куда происходит активный вынос (обмен) ионов Ca²⁺ и ${\text{SiO}}_{3}^{{2 - }}$ [11–14]. Доказано, что эти ионы способны регулировать пролиферацию, дифференциацию остеобластов и экспрессию генов маркеров костной ткани, таких как BMP-2, RUNX2, трансформирующий фактор роста (TGF-β), ALP и остеокальцин [16]. Ионы кремния принимают участие в формировании внеклеточного матрикса и играют решающую роль в активации или деактивации митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK) и сигнального пути MAPK белок p38 [17]. Данные факторы обусловливают наличие биоактивных свойств волластонита, который активизирует остеоиндукцию и остеогенез, а также связывается с костной тканью посредством процесса “связывающего остеогенеза”, как показано в работах [18, 19], а также доказано в наших недавних исследованиях на моделях in vitro и in vivo [20–23].

Получение синтетического волластонита с различной морфологией и микроструктурой можно осуществлять с применением золь-гель метода, гидротермальной и осадительной технологий [24–26]. Данные подходы являются простыми в реализации и позволяют варьировать дисперсность и форму кристаллитов, кривизну и шероховатость поверхности. Формирование объемных структурированных материалов в виде биокерамик на основе волластонита успешно реализуется консолидацией порошков традиционными способами холодного прессования c последующей термообработкой [27], горячим и горячим изостатическим прессованием [28], а также нетрадиционным способом искрового плазменного спекания [29–32]. При этом привлекательным способом является твердофазный синтез волластонита из реакционной смеси сырьевых компонентов, например, при индукционном нагреве смеси CaCO₃ и SiO₂ при температуре 1320°С [33], смеси CaO и SiO₂ в различных соотношениях при 1000–1200°С [34]. Используют также природные компоненты и/или различные отходы: яичную скорлупу и рисовую шелуху при 850°С в присутствии связующего поливинилового спирта для получения керамики [11], золу после сжигания медицинских отходов и переработанное стекло при 950°С [35], отходы борно-кислотного производства при 900–1000°С [36]. Очевидная перспектива была продемонстрирована исследователями при использовании микроволнового разогрева для синтеза волластонита из яичной скорлупы в присутствии коммерческого порошка SiO₂ [37]. В отмеченной работе было показано, что начальная температура реакционного формирования волластонита составляла 800°С, что указывает на очевидную перспективность такого подхода с точки зрения технологических режимов процесса по сравнению с известными способами. В частности, более высокий интерес может представлять микроволновой разогрев гибридного типа, сопровождающийся дополнительно индукционным нагревом, обеспеченным за счет использования поглощающего СВЧ-энергию материала, размещенного в микроволновой печи в виде камеры разогрева, в которую помещено сырье.

Цель работы – исследование твердофазного синтеза керамического волластонита с использованием природного возобновляемого сырья в виде морских раковин с применением гибридного микроволнового разогрева. Перспектива способа обусловлена возможностью освоения ценного биосырья с получением химически чистого биоматериала экологически привлекательным способом неорганического синтеза для решения важных задач биомедицины.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реактивы. Раковины ракушек (морской гребешок Chlamys farreri nipponensis), оксид кремния (SiO₂), тетраборат натрия (Na₂B₄O₇·7H₂O), KCl, K₂HPO₄·3H₂O, MgCl₂, CaCl₂ и Na₂SO₄, тригидроксиметиламинометан (ТРИС).

Методика синтеза. Синтез волластонита проводили путем предварительного получения гомогенизированной смеси из порошка, полученного из морских раковин на основе карбоната кальция (CaCO₃), и коммерческого SiO₂ в мольном соотношении 1 : 1, которую получали измельчением в планетарной мельнице со скоростью 750 об./мин. Для исследования отбирали пробы при различном времени измельчения: 15, 30, 60, 120, 180, 240 и 600 мин. Далее пробы порошков массой по 1 г, полученные при 180, 240 и 600 мин, подвергали одноосному холодному прессованию при 200 МПа с последующим микроволновым спеканием в установке FlexiWAVE с двумя магнетронами с частотой генерации 2.45 Гц и максимальной мощностью 2.4 кВ, оснащенной камерой спекания на основе СВЧ-поглощающего материала карбида кремния, при температурах спекания 800–1200°С со скоростью спекания 20 град./мин и временем выдержки 30–60 мин. Дополнительно была получена серия аналогичных образцов с добавлением при механическом перемешивании 10 мас. % тетрабората натрия для снижения температуры синтеза.

Уравнение химической реакции:

Методика оценки биосовместимости образцов. Исследование заключалось в оценке формирования слоя апатита (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) на поверхности образцов керамического волластонита в условиях их контакта с искусственной плазмой крови человека (ИПК). Раствор ИПК готовили по следующей методике: в пластиковый контейнер с плоским дном наливали 700 мл дистиллированной воды, в которой растворяли реагенты в следующем порядке: NaCl (8 г/л), NaHCO₃ (0.35 г/л), KCl (0.224 г/л), K₂HPO₄⋅3H₂O (0.228 г/л), MgCl₂ (0.256 г/л), CaCl₂ (0.278 г/л), Na₂SO₄ (0.071 г/л), (CH₂OH)₃CNH₂ (6.057 г/л). Последний (восьмой) реагент – ТРИС – добавляли постепенно, чтобы избежать помутнения раствора. Корректировали pH раствором 1 М HCl в пределах 7.4. Далее раствор ИПК доводили до метки в колбе на 1000 мл и использовали в исследовании.

Образцы керамики помещали в пробы данного раствора, температуру которого поддерживали постоянной в термостате при 36°С, и выдерживали в течение 3 и 7 сут.

Характеристика методов исследования. Идентификацию фаз полученных образцов осуществляли с помощью рентгенофазового анализа (РФА) при следующих параметрах: CuK_α-излучение, Ni-фильтр, средняя длина волны (λ) 1.5418 Å, диапазон углов съемки 5°–80°, шаг сканирования 0.02°, скорость регистрации спектров 5 град./мин на многоцелевом рентгеновском дифрактометре D8 Advance Bruker AXS (Германия). Термогравиметрический анализ (ТГА) проводили на приборе DTG-60H Shimadzu (Япония) в платиновых тиглях с проколотой крышкой в токе сухого аргона (20 мл/мин) в интервале температур 35–1300°С при скорости нагрева 10 град./мин. Изображения структуры исследуемых материалов получали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на приборе CrossBeam 1540 XB Carl Zeiss (Германия) с приставкой для энергодисперсионного спектрального анализа (ЭДС-анализ).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Влияние времени механического измельчения

При исследовании влияния времени механического измельчения на состав порошковой смеси на основе CaCO₃ и SiO₂ установлено, что на начальном этапе измельчения состав образца представлен смесью кристаллических фаз Ca(OH₂), CaO и количественно преобладающей фазы CaCO₃ (рис. 1). При последующем увеличении времени измельчения происходит уменьшение интенсивности вторичных фаз с преобладанием основной карбонатной фазы, которая остается монофазой в образце после 10-часовой обработки в планетарной мельнице. В связи с продолжительным измельчением происходит аформизация исходных порошков. В веществах с развитой предрасположенностью к высокоэнтропийному состоянию наноструктурирование под действием механического измельчения часто сопровождается аморфизацией вследствие образования структурных дефектов и механических деформаций при многократных межчастичных столкновениях, растяжении, дроблении [38–40].

Рис. 1.

Дифрактограммы образцов исходной смеси после различного времени механического измельчения.

Согласно данным РФА, проведение длительного перемешивания смеси нецелесообразно, так как происходит аморфизация вещества. При этом требуемая для синтеза фаза CaCO₃ является преобладающей в смеси, а примеси Ca(OH₂) и CaO также будут вступать в химическое взаимодействие с SiO₂ при формировании волластонита.

На РЭМ-изображениях видно, что размол образцов в планетарной мельнице в течение 15 мин приводит к образованию агломератов размером не более 20 мкм (рис. 2а), состоящих из частиц нанометрового размера (рис. 2б, 2в).

Рис. 2.

РЭМ-изображения образцов исходной смеси после механического размола в планетарной мельнице в течение 15 мин.

Влияние температуры и времени нагрева

С целью установления условий протекания химического взаимодействия между компонентами исходной смеси CaCO₃ и SiO₂ по уравнению (1) проведен термогравиметрический анализ. Как видно из кривых ТГА (рис. 3), потеря массы в диапазоне от комнатной температуры до 1200°C составила 26.2%. Эти изменения сопровождались эндотермическими пиками при различных температурных диапазонах в следующей последовательности: 135, 448, 751°C и одним экзотермическим эффектом при 897°C. Первая зафиксированная потеря массы (5.1%) в пределах до 300°C вызвана удалением свободной и физически адсорбированной воды, на что указывает эндотермический пик с центром около 135°C на кривой ДТА. Второй эффект потери массы (6.4%) от 415 до ~570°C может быть отнесен к дегидроксилированию Ca(OH)₂. Эта потеря сопровождается эндотермическим пиком с максимумом около 448°C на кривой ДТА. Дальнейшая убыль массы (12.5%), зарегистрированная в диапазоне температур от 600 до 800°C, сопровождалась двумя эндотермическими пиками при 700 и 751°C. Первый эндотермический пик связан с удалением CO₂ при разложении аморфного CaCO₃, а второй – с потерей CO₂ при разложении более кристаллического CaCO₃. Видно, что на кривой ДТА при температуре 897°C имеется экзотермический пик, что соответствует образованию кристаллического волластонита, как показано в работе [32].

Рис. 3.

Дериватограмма исходной смеси, изготовленной из морских раковин и диоксида кремния (CaCO₃ и SiO₂), прокаливание на воздухе.

Спекание предварительно спрессованной исходной смеси CaCO₃ и SiO₂, полученной измельчением в планетарной мельнице в течение 15 мин, проводили при 700, 800, 1000 и 1150°С в условиях гибридного микроволнового разогрева. На рентгенограмме (рис. 4) видно, что при увеличении температуры микроволнового разогрева интенсивность пика, соответствующего фазе оксида кальция, увеличивается, что свидетельствует о разложении CaCO₃, количество которого присутствует в избытке в составе смеси. Образование фазы волластонита в α-форме (α-CaSiO₃) наблюдается при температуре 1150°С, данный образец обладает большей механической прочностью и сохраняет свою целостность, в отличие от других образцов, которые механически неустойчивы.

Рис. 4.

Дифрактограммы образцов исходной смеси CaCO₃ и SiO₂, полученной механическим измельчением в течение 15 мин и полученных на его основе керамик после микроволнового разогрева в течение 5 мин.

При увеличении времени спекания (15, 30, 60 мин) смеси CaCO₃ и SiO₂ при максимальной температуре 1150°С наблюдается формирование смеси фаз α-CaSiO₃ и β-CaSiO₃ волластонита, а также фазы силиката кальция Ca₂SiO₄, как следует из данных РФА (рис. 5).

Рис. 5.

Дифрактограммы образцов керамик, полученных на основе смеси CaCO₃ и SiO₂ в условиях микроволнового разогрева при различном времени выдержки при 1150°С.

Методом РЭМ установлено, что керамика, полученная спеканием в течение 30 мин, имеет пористую структуру, сформированную наноразмерным спеченным зерном (рис. 6а, 6б). Крупных агломератов и монолитных областей не наблюдается. Дополнительное введение в исходную смесь 10 мас. % тетрабората натрия (буры) перед спеканием приводит к формированию непористого образца монолитной структуры (рис. 6в, 6г). Однако добавка позволяет повысить механическую прочность керамики.

Рис. 6.

РЭМ-изображения образцов керамики, полученных на основе смеси CaCO₃ и SiO₂ в условиях микроволнового разогрева при 1150°С в течение 30 мин выдержки: а, б – без добавок; в, г – в присутствии добавки тетрабората натрия 10 мас. %.

На рис. 7 приведены дифрактограммы образцов керамики, где показано, что добавление тетрабората натрия способствует образованию волластонита в β- и α-форме, но в отсутствие промежуточной фазы силиката кальция Ca₂SiO₄.

Рис. 7.

Дифрактограммы образцов керамики, полученных на основе смеси CaCO₃ и SiO₂ в условиях микроволнового разогрева при 1150°С в течение 30 мин выдержки: 1 – без добавок, 2 – в присутствии добавки тетрабората натрия 10 мас. %.

Оценка биосовместимости образцов керамики

Проведена оценка формирования слоя апатита (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) на поверхности образцов керамического волластонита в условиях их контакта с искусственной плазмой крови человека. Данное исследование является косвенным доказательством биосовместимости и биоактивности материалов на основе волластонита, состав которых участвует в синтезе апатита в минерализованном модельном растворе крови. Согласно полученным данным микроскопии (рис. 8), морфология поверхности образцов керамического волластонита значительно изменяется при выдержке в растворе ИПК. При выдержке в течение 3 и 7 сут наблюдается постепенное нарастание нового слоя на поверхности образцов, который повторяет морфологию исходной поверхности до помещения в раствор ИПК. В случае волластонита, представленного пористой структурой наноразмерного спеченного зерна (рис. 6а, 6б), его поверхность обрастает рифленым слоем, повторяющим округлую форму частиц (рис. 8а, 8б). Поверхность волластонита с добавкой тетрабората натрия (рис. 5в, 5г), напротив, обрастает монолитным новообразованным слоем (рис. 8б) По данным ЭДС-анализа (рис. 8), в составе равномерно распределенного новообразованного слоя на поверхности образцов керамики присутствуют фосфор и кальций, что соответствует образованию апатита, синтезированного при контакте с ИПК.

Рис. 8.

РЭМ-изображения образцов керамики, полученных на основе смеси: а, б – без добавок; в, г – в присутствии добавки тетрабората натрия 10 мас. % и выдержанных в искусственной плазме крови в течение разного времени, а также ЭДС-карты распределения элементов на поверхности данных образцов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследован способ твердофазного синтеза керамического волластонита в условиях гибридного микроволнового разогрева с использованием природного возобновляемого сырья в виде морских раковин как источника CaCO₃ с добавкой коммерческого порошка SiO₂. Методами РФА, СЭМ, ТГА и ЭДС, во-первых, установлено, что оптимальная длительность гомогенизации компонентов сырьевой (CaCO₃ и SiO₂) смеси механическим измельчением составляет 15 мин, так как при увеличении длительности данного цикла до 10 ч происходит постепенная аморфизация CaCO₃, в том числе из-за наноразмерности его частиц. Во-вторых, определены условия химического взаимодействия компонентов сырьевой смеси, выявлено, что формирование кристаллического волластонита протекает при 897°C на воздухе через стадию разложения CaCO₃ из морских раковин до CaO и его реакционного взаимодействия с SiO₂. При этом высокая температура разогрева (1150°C) и длительное время выдержки (≥30 мин) позволяют формировать механически прочную керамику, которая сохраняет свою целостность, в отличие от других полученных образцов. В-третьих, установлено, что добавка 10 мас. % тетрабората натрия повышает механическую прочность керамики, однако структура образцов монолитная, в отличие от наноструктурированного керамического каркаса образцов, полученных без данного упрочняющего компонента. В-четвертых, определено, что при контакте образцов керамического волластонита с искусственной плазмой крови в течение 3 и 7 сут происходит изменение морфологии их поверхности за счет новообразованного апатитового слоя. Это косвенно подтверждает биосовместимость и биоактивность данных материалов, а также указывает на перспективность их дальнейшего исследования для задач персонализированной медицины.